壓電疊堆直驅型宏微結合雙軸拉伸?疲勞測試系統的制作方法

本實用新型涉及一種拉伸測試裝置，可用于單軸/雙軸拉伸、單軸/雙軸拉伸-疲勞材料微觀力學性能測試平臺使用。該系統可以結合其它光學顯微鏡對測試過程試件的微觀結構演化行為和疲勞失效機制進行動態監測；通過力學和位移信號檢測單元對測試過程中的試件所受的拉力、變形信號采集，最終可以記錄試件在相應載荷下的應力應變歷程，進而來分析材料的相關力學性能；通過分析處理力學和變形信號檢測單元采集的力和變形信號，結合壓電疊堆的輸出補償，達到對測試系統的閉環控制。

背景技術：

材料在實際服役條件下，將不可避免的承受多軸拉伸/疲勞載荷的作用。這種復合載荷作用也恰恰是材料在未達使用極限就發生破壞失效的原因。如果能在材料力學性能測試中，提供一種更接近實際使用的應力狀態，這樣就能更加準確的獲得材料在實際服役條件下的力學性能參數，這些參數對保證材料在實際服役條件下的結構安全，具有重要的參考價值。

現有大型的雙軸拉伸試驗機具有加載力大、行程大、剛度強、穩定性好的優點，但受體積限制，相兼容的成像裝置種類有限，配合使用的成像設備也較為昂貴，對于毫米級的小型試件安裝夾持較困難，以液壓系統作為驅動加載方式，控制精度低，測試功能也主要集中在單一載荷形式，不能進行多軸拉伸/疲勞條件下的力學性能測試。而現有商業化雙軸拉伸測試裝置的體積較大，不利于同顯微成像裝置進行集成，導致開展的雙軸拉伸原位測試技術研究還較少。因此，開發具有多軸拉伸/疲勞加載功能并能進行原位觀測的測試裝置，通過原位觀測獲得材料接近服役條件下的微觀破壞機理，將促進材料在雙向拉力下微觀力學性能的研究。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于提供一種壓電疊堆直驅型宏微結合雙軸拉伸-疲勞測試系統，解決了現有技術存在的上述問題。本實用新型是一種方便拆裝、方便試件夾持、結構新穎，響應迅速、精度高，具有多試驗功能的新型雙軸拉伸-疲勞測試裝置，可分別實現單軸/雙軸拉伸測試，單軸/雙軸拉伸疲勞測試，與光學成像系統具有良好的兼容性，可實現在拉伸-疲勞測試作用情況下，對材料微觀組織結構與變形損傷機制進行原位觀測。測試過程中，CCD成像檢測單元對試件中心點進行原位觀測，一旦中心點發生偏移，可通過壓電疊堆驅動器單元進行實時偏移補償，保證試件的中心點在測試過程中的位置相對固定。采用無柔性鉸鏈的壓電疊堆直驅式結構，可具有驅動剛度高、輸出力大、響應迅速、精度高的優點，性能比現有含柔性鉸鏈的設計方案優勢明顯。

為實現上述目的，本實用新型提供一種壓電疊堆直驅型宏微結合雙軸拉伸-疲勞測試系統。包括精密驅動-傳動單元、CCD成像檢測單元、力學和變形信號檢測單元、試件夾持單元、壓電疊堆驅動器單元；其中所述的精密驅動-傳動單元通過螺釘固定在底板10上，壓電疊堆驅動器單元通過拉環I 8和拉環II7安裝在精密加載-傳動單元上。壓電疊堆驅動器單元通過兩個相同的拉環連接塊9分別與試件夾持單元相連，力學和變形信號檢測單元安裝在拉環連接塊9和大滑塊14上，試件夾持單元通過螺釘連接，嵌入在拉環連接塊9和大滑塊14凹槽上。

所述的精密驅動-傳動單元，由直流伺服減速電機1，經聯軸器3帶動滾珠絲杠5轉動，所述的直流伺服電機1輸出軸經過聯軸器3與滾珠絲杠5相連；所述的滾珠絲杠5通過絲杠支撐座4及導軌III 26、滑塊IV 27、固定在底板10上，滾珠絲杠5上安裝了絲杠螺母6和拉環II 7相連；所述的拉環II 7通過螺釘和鎖緊端蓋20連接，固定住壓電疊堆28，降低了安裝的難度，同時保證了安裝精度；所述的壓電疊堆28和拉環I8連接，拉環I8通過螺釘連接固定在拉環連接塊9上；所述的拉環連接塊9上分別安裝了導軌III26、滑塊III 25，四個滑塊III 25及兩個導軌III 26，通過螺釘固定在底板10上。所述的拉環連接塊9上安裝了試件夾持塊29，試件夾持塊29通過螺釘固定在拉環連接塊9上，當滑塊III 25沿著導軌III 26運動時，會帶動拉環連接塊9沿著水平方向運動，進而開始拉伸試件24且保持其水平位置不變。

所述的壓電疊堆驅動器單元包括拉環I 8、兩個相同的壓電疊堆28和兩個相同的拉環II7及兩個相同的鎖緊端蓋20。其中拉環I 8為對稱結構，通過螺釘固定在拉環連接塊9上；所述兩個相同的壓電疊堆28分別安裝在拉環I 8內，并通過薄銅片預緊，同時配合在拉環II7上。所述的兩個相同的鎖緊端蓋20上，安裝了兩段壓縮彈簧23，起到對壓電疊堆28的驅動器的安裝預緊作用。

所述的試件夾持單元由四個試件夾持塊29和與之對應的試件縮緊壓蓋13組成，試件夾持塊29通過螺釘固定在拉環連接塊9和大滑塊14上，試件24水平放試件夾持塊29和鎖緊壓蓋13之間，試件夾持塊29和試件縮緊壓蓋13通過螺釘連接，并通過旋緊螺釘對試件24進行夾緊；所述的試件夾持塊29和試件縮緊壓蓋13上加工有滾花，以保證夾持的可靠性。

所述的力學和變形信號檢測單元包括兩個相同的位移傳感器16和兩個相同的拉力傳感器12；所述的兩個相同的拉力傳感器12通過螺紋連接于螺母座11和大滑塊14之間；位移傳感器16安裝在兩個相對的拉環連接塊9和大滑塊14之間，兩個位移傳感器16垂直布置；十字形試件24在拉伸過程中承受的拉力與其對應的拉力傳感器12的軸線在同一直線上，保證了拉力傳感器12采集的力為試件24中心層所受到的力。

所述的導軌I 18、導軌II 21、導軌III 26安裝在底板10上，通過螺紋和底板10連接；所述的兩個相同的壓電疊堆28，當試件24的中心點在一個拉伸軸方向上發生偏移時，壓電疊堆28通電開始輸出位移，補償其偏移的微小位移，以保證試件24的中心點在拉伸測試過程中位置固定。

實用新型的另一目的在于提供一種壓電疊堆直驅型宏微結合雙軸拉伸-疲勞測試方法，將十字形試件24通過夾持單元安裝在一個水平面上，通過對十字形試件24同時施加等值拉伸載荷，使十字形試件24的十字中心在一個平面上存在兩個相互垂直的拉應力。當壓電疊堆28開始工作時，可以對十字形試件24的四個拉伸端施加疲勞載荷，用于開展材料在不同載荷形式及大小的情況下，其微觀力學性能的研究同時使用光學CCD顯微鏡對材料在拉伸過程中微觀結構演化行為和疲勞失效機制進行動態監測。雙軸拉伸測試方法的具體步驟如下：

a.控制伺服電機1旋轉相應的角度，調整四個試件夾持單元對應的位置，以便試件的安裝；

b.將中心帶小圓孔的十字形試件24鎖緊安裝在試件夾持單元，再將各個力傳感器12和位移傳感器16讀數歸零；

c.在對試件施加拉伸載荷之前，調整好CCD成像檢測單元的位置，直到試件中心帶圓小孔出現在成像視野之內；

d.對試件四個端面開始施加相應測試類型的拉伸載荷；

e.通過CCD成像檢測單元，對十字形試件24在拉伸載荷作用下，其初始裂紋萌生及擴展的現象進行有針對的觀測，在對十字形試件24中心點相對位置進行圖像采集的過程中，一旦發現中心點發生偏移，通過計算機內相應的處理軟件對圖像進行處理，計算出觀測點位置改變量，利用其改變量作為反饋源，結合壓電疊堆激勵的時序、相位與頻率對電機電壓信號設定有效補償，壓電疊堆28通電伸長，大剛度、大輸出力的壓電疊堆直驅式結構快速將響應傳遞到試件夾持單元，使其向著中心點偏移的反方向進行位移補償，從而實現壓電疊堆驅動器單元進行實時偏移補償的功能，如此保證了十字形試件24的中心點在拉伸測試過程中的位置相對固定，從而達到閉環控制效果；

f.測試結束后，通過對力學和變形信號檢測單元采集的數據進行處理，記錄出拉伸過程中應力-應變歷程曲線，進而對材料微觀力學性能進行分析。

本實用新型的有益效果在于：測試系統方便拆裝、方便試件夾持、結構新穎，響應迅速、精度高，具有多試驗功能的新型雙軸拉伸-疲勞測試裝置，可分別實現單軸拉伸測試，雙軸拉伸測試，單軸、雙軸拉伸疲勞測試，與光學成像系統具有良好的兼容性，可實現在拉伸-疲勞測試作用情況下，對材料微觀組織結構與變形損傷機制進行原位觀測。對進一步研究材料在雙向應力下的微觀力學性能，為材料在單向和復雜平面應力狀況下的服役安全性設計，提供有利的參考。對制定相應的國內行業標準，原位測試技術及裝置的發展，國內材料領域微觀力學性能的研究有至關重要的意義。

附圖說明

此處說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構成本申請的一部分，本實用新型的示意性實例及其說明用于解釋本實用新型，并不構成對本實用新型的不當限定。

圖1為本實用新型的整體結構示意圖；

圖2為本實用新型的精密驅動-傳動單元結構示意圖；

圖3為本實用新型的壓電疊堆驅動器單元結構示意圖；

圖4為本實用新型的試件夾持單元結構示意圖；

圖5為本實用新型電氣控制原理示意圖；

圖6為本實用新型測試過程中的原位觀測原理示意圖；

圖中：1、直流伺服電機；2、電機支承座；3、聯軸器；4、絲杠支撐座；5、滾珠絲杠；6、絲杠螺母；7、拉環II；8、拉環I；9、拉環連接塊；10、底板；11、螺母座；12、拉力傳感器；13、試件縮緊壓蓋；14、大滑塊；15、位移傳感器支架I；16、位移傳感器；17、位移傳感器支架II；18、導軌I；19、滑塊I；20、鎖緊端蓋；21、導軌II；22、滑塊II；23、壓縮彈簧；24、十字形試件；25、滑塊III；26、導軌III；27、滑塊IV；28、壓電疊堆；29、試件夾持塊。

具體實施方式

下面結合附圖進一步說明本實用新型的詳細內容及其具體實施方式。

參見圖1至圖4所示，本實用新型提供一種壓電疊堆直驅型宏微結合雙軸拉伸-疲勞測試系統。包括精密驅動-傳動單元、CCD成像檢測單元、力學和變形信號檢測單元、試件夾持單元、壓電疊堆驅動器單元等；其中所述的精密加載-傳動單元通過螺釘固定在底板10上，壓電疊堆驅動器單元通過拉環I 8和拉環II 7安裝在精密加載-傳動單元上。壓電疊堆驅動器單元通過兩個相同的拉環連接塊9分別與試件夾持單元相連，力學和變形信號檢測單元安裝在拉環連接塊9和大滑塊14上，試件夾持單元通過螺釘連接，嵌入在拉環連接塊9和大滑塊14凹槽上。可分別實現單軸/雙軸拉伸測試，單軸/雙軸拉伸疲勞測試，與光學成像系統具有良好的兼容性，可實現在動態原位拉伸-疲勞測試作用情況下，對材料微觀組織結構與變形損傷機制的相關性規律研究。

參見圖2所示，所述的精密驅動-傳動單元，由直流伺服減速電機1，經聯軸器3帶動滾珠絲杠5轉動，所述的直流伺服電機1輸出軸經過聯軸器3與滾珠絲杠5相連；所述的滾珠絲杠5通過絲杠支撐座4及導軌III 26、滑塊IV 27、固定在底板10上，滾珠絲杠5上安裝了絲杠螺母6和拉環II 7相連；所述的拉環II 7通過螺釘和鎖緊端蓋20連接，固定住壓電疊堆28，降低了安裝的難度，同時保證了安裝精度；所述的壓電疊堆28和拉環I 8連接，拉環I 8通過螺釘連接固定在拉環連接塊9上；所述的拉環連接塊9上分別安裝了導軌III 26、滑塊III 25，四個滑塊III 25及兩個導軌III 26，通過螺釘固定在底板10上。所述的拉環連接塊9上安裝了試件夾持塊29，試件夾持塊29通過螺釘固定在拉環連接塊9上，當滑塊III 25沿著導軌III 26運動時，會帶動拉環連接塊9沿著水平方向運動，進而開始拉伸試件24且保持其水平位置不變。

參見圖3所示，所述的壓電疊堆驅動器單元包括拉環I 8、兩個相同的壓電疊堆28和兩個相同的拉環II7及兩個相同的鎖緊端蓋20。其中拉環I 8為對稱結構，通過螺釘固定在拉環連接塊9上；所述兩個相同的壓電疊堆28分別安裝在拉環I 8內，并通過薄銅片預緊，同時配合在拉環II 7上。所述的兩個相同的鎖緊端蓋20上，安裝了兩段壓縮彈簧23，起到對壓電疊堆28的驅動器的安裝預緊作用。

參見圖4所示，所述的試件夾持單元由四個試件夾持29和與之對應的試件縮緊壓蓋13組成，試件夾持塊29通過螺釘固定在拉環連接塊9和大滑塊14上，試件24水平放試件夾持塊29和鎖緊壓蓋13之間，試件夾持塊29和試件縮緊壓蓋13通過螺釘連接，并通過旋緊螺釘對試件24進行夾緊；所述的試件夾持塊29和試件縮緊壓蓋13上加工有滾花，以保證夾持的可靠性。

參見圖5所示，所述的力學和變形信號檢測單元包括兩個相同的位移傳感器16和兩個相同的拉力傳感器12；所述的兩個相同的拉力傳感器12通過螺紋連接于螺母座11和大滑塊14之間；位移傳感器16安裝在兩個相對的拉環連接塊9和大滑塊14之間，兩個位移傳感器16垂直布置；十字形試件24在拉伸過程中承受的拉力與其對應的拉力傳感器12的軸線在同一直線上，保證了拉力傳感器12采集的力為試件24中心層所受到的力

所述的導軌I 18、導軌II 21、導軌III 26安裝在底板10上，通過螺紋和底板10連接；所述的兩個相同的壓電疊堆28，當試件24的中心點在一個拉伸軸方向上發生偏移時，壓電疊堆28通電開始輸出位移，補償其偏移的微小位移，以保證試件24的中心點在拉伸測試過程中位置固定。

本實用新型的壓電疊堆直驅型宏微結合雙軸拉伸-疲勞測試系統，具體測試步驟如下：

a.控制伺服電機1旋轉相應的角度，調整四個試件夾持單元對應的位置，以便試件的安裝

b.將中心帶小圓孔的十字形試件24鎖緊安裝在試件夾持單元，再將各個力傳感器12和位移傳感器16讀數歸零；

c.在對試件施加拉伸載荷之前，調整好CCD成像檢測單元的位置，直到試件中心帶圓小孔出現在成像視野之內；

d.對試件四個端面開始施加相應測試類型的拉伸載荷、疲勞載荷；

e.通過CCD成像檢測單元，對十字形試件24在拉伸載荷作用下，其初始裂紋萌生及擴展的現象進行有針對的觀測，在對十字形試件24中心點相對位置進行圖像采集的過程中，一旦發現中心點發生偏移，通過計算機內相應的處理軟件對圖像進行處理，計算出觀測點位置改變量，利用其改變量作為反饋源，結合壓電疊堆激勵的時序、相位與頻率對電機電壓信號設定有效補償，壓電疊堆28通電伸長，大剛度、大輸出力的壓電疊堆直驅式結構快速將響應傳遞到試件夾持單元，使其向著中心點偏移的反方向進行位移補償，從而實現壓電疊堆驅動器單元進行實時偏移補償的功能，如此保證了十字形試件24的中心點在拉伸測試過程中的位置相對固定，從而達到閉環控制效果；

f.測試結束后，通過對力學和變形信號檢測單元采集的數據進行處理，記錄拉伸過程中應力-應變歷程曲線，進而對材料微觀力學性能進行分析。

以上所述僅為本實用新型的優選實例而已，并不用于限制本實用新型，對于本領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡對本實用新型所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。