一種利用單軸試驗機進行變比例雙軸加載的強度試驗卡具的制作方法
【專利摘要】一種雙軸拉伸強度試驗卡具，使用該卡具可在單軸試驗機進行十字型試樣變比例雙軸拉伸強度試驗，其特征為：它是由上夾頭、一級杠桿橫梁、一級連桿、二級杠桿橫梁、二級連桿、松緊螺母、鋼絲繩連接頭、鋼絲繩、帶槽飛輪、軸承座、軸承、十字導軌、帶滑塊的夾具、試驗件、底座、下夾頭組成，通過該卡具能在單軸試驗機上完成多種載荷比例的雙軸拉伸強度試驗，該卡具通過杠桿平衡原理進行四個方向拉力的分配，試驗件兩個軸向上的拉力可通過靜力平衡直接求出，能有效避免使用測力傳感器，同時，充分利用了現有單向試驗機，解決了雙軸強度試驗專門設備匱乏、試驗成本高的難題，為材料性能和結構強度測定提供技術支持。
【專利說明】
一種利用單軸試驗機進行變比例雙軸加載的強度試驗卡具
技術領域
[0001]本發明設計了一種雙軸拉伸強度試驗卡具，該卡具實現了利用單軸試驗機對十字板試樣進行多種加載比例的雙軸拉伸強度試驗，屬試驗測試技術領域。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著材料技術的飛速發展，因為其優異的性能(高比強度、高比剛度以及優異的疲勞性能和良好的可設計性等)，平面編織復合材料被越來越多的應用于工程結構中代替傳統金屬結構，特別是在航空航天領域，如直升機復合材料槳葉、飛機蒙皮、發動機記下等。然而與各向同性的傳統金屬材料不同，平面編織復合材料一般都是各向異性的，其強度和彈性性能不能像金屬材料那樣通過簡單的單向試驗確定，有試驗表明在雙軸載荷下，玻璃纖維平面編織復合材料強度相對于單軸強度下降可達35%。而在實際應用中，平面編織復合材料結構往往處于多軸應力狀態，若是簡單的和金屬結構設計過程一樣，根據平面編織復合材料的單向彈性性能參數采用安全因子法來保證結構安全，會使得結構效率低下，不能充分發揮平面編織復合材料的優異性能。因此近年來國內外很多學者對平面復合材料在多軸應力狀態，特別是雙軸拉伸載荷下的性能進行了大量理論和數值研究。雙軸拉伸試驗測試驗證方面，卻因為雙軸拉伸試驗需要專用的試驗機而受到了很大的制約，使得相關理論研究缺乏有力的試驗驗證，從而反過來制約了平面編織復合材料雙軸拉伸強度預測理論的發展。考慮到目前金屬材料的單軸試驗已發展十分成熟，單軸試驗機的使用已十分普遍，為此，本文發明了一種變比例雙軸加載的強度試驗卡具，利用該卡具可在單軸試驗機上進行變比例雙軸拉伸強度試驗，解決了雙軸強度試驗專門設備匱乏、試驗成本高的難題，為材料性能和結構強度測定提供技術支持。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在于發明一種雙軸拉伸強度試驗卡具，利用單軸試驗機進行十字板試樣變比例雙軸加載強度試驗，測定金屬和復合材料等材料與結構的雙軸強度。
[0004]本發明所采用的技術方案如下:
[0005]I)本發明是一種可利用單軸試驗機進行變比例加載的雙軸拉伸強度試驗卡具，它是由上夾頭、一級杠桿橫梁、一級連桿、二級杠桿橫梁、二級連桿、松緊螺母、鋼絲繩連接頭、鋼絲繩、帶槽飛輪、軸承座、軸承、十字導軌、帶滑塊的夾具、試驗件、底座、下夾頭組成，它們之間的位置連接關系是:上夾頭夾持在單軸試驗機上夾頭上，一級杠桿橫梁和上夾頭通過鉸鏈連接構成一級杠桿，將兩根一級連桿上端通過鉸鏈分別連在一級杠桿兩端，連桿兩端帶雙耳，通過鉸鏈連接分別與兩個二級杠桿橫梁連接構成兩個二級杠桿，兩個二級杠桿兩端通過二級連桿與松緊螺母相連，松緊螺母通過鋼絲繩連接頭連接的四根鋼絲分別繞過帶槽定滑輪(定滑輪由帶槽飛輪固定在軸承座上構成，軸承座由螺栓固定在底座上十字導軌的四端，導軌通過螺栓固定在底座上)與四個十字導軌上的夾具滑塊相連，四個夾具與十字形試驗件相連，底座通過螺栓與下夾頭相連，通過單軸試驗機下夾頭夾持固定。
[0006]所述上夾頭是金屬構件，上端帶有與單軸試驗機夾具相匹配的夾持端，下部分帶有與一級杠桿橫梁鉸鏈孔相對應的雙耳。
[0007]所述一級杠桿橫梁由鋼材構成，其兩端帶有與連桿雙耳匹配的鉸鏈安裝孔，橫梁正中間有一鉸鏈連接孔。
[0008]所述一級連桿為金屬構件，兩端帶有通孔雙耳，分別與一、二級杠桿橫梁鉸鏈孔安裝相匹配。
[0009]所述二級杠桿橫梁由鋼材構成，橫梁上有多個鉸鏈鏈接孔孔位，每種鉸鏈安裝位置對應一種特定的載荷比例分配。
[0010]所述二級連桿為金屬構件，上端帶有與二級杠桿橫梁兩端鉸鏈孔相匹配的雙耳，下端是與松緊螺母相匹配的螺紋。
[0011 ]所述松緊螺母為長外六角螺母。
[0012]所述鋼絲繩連接頭為金屬構件，下端帶有能對鋼絲繩進行夾持咬緊的結構，上端帶有與松緊螺母相匹配的螺紋。
[0013]所述十字導軌由固定在底座上的Z字梁構成，十字導軌的每個導軌都是由兩根平行對稱固定在底座上的Z字梁構成的導軌槽。
[0014]所述帶滑塊的夾具由鋼構成，夾具夾持部分由“C”字形方鋼構成，其上端面打有螺紋通孔，下端面內部表面銑有增加摩擦的滾花兒，試驗件夾持部分與夾具上端面之間是下表面銑有滾花兒的鋼制夾具壓板，夾具壓板的上表面有與夾具上端面螺紋通孔相匹配的凹槽，通過擰緊螺栓對鋼板施加壓力將試驗件夾緊，夾具與十字導軌槽相匹配的滑塊共同構成帶滑塊的夾具，可在導軌上滑動，滑塊上有鋼絲繩安裝孔與壓緊結構。
[0015]所述試驗件是一塊十字形試樣，十字的四端為夾持端，四個夾持端上下表面貼有加強片，中心正方形區域為有效試驗區，在該區域的兩個十字軸向上標定有刻度線。
[0016]所述底座是金屬結構件，它通過在一塊十字形鋼板上打上下夾頭連接螺孔、十字導軌連接螺孔以及軸承座安裝螺孔構成。
[0017]所述下夾頭為金屬構件，其加持段與單軸試驗機夾具相匹配，并帶有和底座匹配的連接端。
[0018]利用本卡具的雙軸強度試驗原理如下:
[0019]將上夾頭和下夾頭分別夾持在單軸試驗機上、下夾具上固定，按上面所述連接好各個部件之后，調節松緊螺母的套筒，使得一、二級杠桿處于平衡并處于水平狀態，此時由于系統尺寸設計，可保證所有鋼絲繩和連桿處于豎直狀態。然后向上緩慢移動試驗機上接頭位置施加載荷，可以證明在小變形條件下，一、二級杠桿將一直保持平衡，并處于水平位置。根據杠桿平衡原理，二級杠桿支點處受到的連桿向上的拉力等于試驗機對一級杠桿通過上夾頭向上的拉力的1/2，而二級杠桿通過帶動兩端的鋼絲繩，鋼絲繩繃緊產生的張力通過定滑輪轉向，變成帶動帶滑塊夾具的水平拉力，從而實現對十字試樣的雙軸拉伸。對二級杠桿受力分析可知，二級杠桿兩端鋼絲繩的張力之和等于一級連桿對二級杠桿的拉力，張力大小與鋼絲繩兩端到二級杠桿鉸鏈距離成反比，即與二級杠桿兩端力臂成反比，因此可以通過調節二級杠桿鉸鏈支點在二級杠桿橫梁上的位置來控制其兩端鋼絲繩張力比值，從而控制試驗件兩個軸向的加載比例。
[0020]使用該卡具利用單軸試驗機對十字板試樣進行多種加載比例的雙軸拉伸試驗的具體步驟如下:
[0021]步驟一，設計并制造下夾頭、底座、十字導軌、軸承座、軸承、帶槽飛輪、試驗件、帶滑塊的夾具、不同加載比例所需的一級杠桿橫梁、二級杠桿橫梁、上夾頭等零件，將這些零件裝配成一整體，形成試驗系統。
[0022]步驟二，將試驗件放置在帶滑塊夾具上，調節滑塊位置盡量使試驗件處于底座中央后夾緊，用游標卡尺分別測量并記錄試驗件中央正方形區域兩個軸向上標定的刻度線之間的間距Liq，L20，調節松緊螺母，使所有鋼絲繩繃緊，同時一、二級杠桿處于水平位置。
[0023]步驟三，向上移動單軸試驗機施加載荷，到某一載荷Fdt，暫停加載，用游標卡尺分別測量并記錄試驗件中央正方形區域兩個方向標定的刻度線間距Ln，L21以及對應載荷Fi，然后繼續施加載荷，當載荷增加△ F時，暫停加載，用游標卡尺分別測量并記錄試驗件中央正方形區域兩個方向標定的刻度線間距L12, L22以及對應載荷F2,如此重復，直至試驗件破壞。
[0024]步驟四，更換試驗件重復步驟一、二、三。
[0025]步驟五，通過更換對應的一級杠桿橫梁，調節二級杠桿鉸鏈連接位置，重復步驟一到步驟四，即可實現其他不同比例加載的雙軸拉伸試驗。
[0026]優點及功效:本發明提供的雙軸拉伸試驗卡具能在單軸試驗機上完成多種載荷比例的雙軸拉伸試驗，充分利用了現有單軸試驗設備，解決了雙向拉伸試驗設備匱乏、設備昂貴造成的雙向拉伸試驗困難，為理論研究和工程設計提供了有力支持，同時該卡具通過杠桿平衡原理進行四個方向拉力的分配，試驗件兩個軸向上的拉力可通過靜力平衡直接求出，避免了使用測力傳感器，簡化了試驗裝置，節約了成本。
【附圖說明】
[0027]下面結合附圖和實例對本發明進一步說明。
[0028]圖1夾具整體結構圖。
[0029]圖1中:1.上夾頭，2.一級杠桿橫梁，3—級連桿，4.二級杠桿橫梁，5.二級連桿，6.松緊螺母，7.鋼絲繩連接頭，8.鋼絲繩，9.帶槽飛輪，10.軸承座，11.Z字梁構成的十字導軌，12.鋼絲繩壓緊螺栓，13.帶滑塊夾具，14.壓板壓緊螺栓，15.夾具壓板，16.試驗件，17.下夾頭。
[0030]圖2底座及其上零件安裝結構圖。
[0031]圖3試驗件結構圖。
[0032]圖3中:1.加強片，2.十字型試驗件。
[0033]圖4上夾頭結構圖。
[0034]圖5—級杠桿橫梁結構圖
[0035]圖6—級連桿
[0036]圖7二級杠桿橫梁結構圖。
[0037]圖7中，鉸鏈孔1,2,3,4分別對應的加載比例為1:3，1:1，2:1，4:1。
[0038]圖8 二級連桿示意圖。
[0039]圖9十字滑軌的一邊示意圖。
[0040]圖10帶滑塊夾具。[0041 ]圖11夾具壓板。
[0042]圖12帶槽飛輪。
[0043]圖13下夾頭。
【具體實施方式】
[0044]結合圖1和圖2說明本發明的具體使用及實現原理。
[0045]按照圖1和圖2安裝好卡具并夾持好試驗件的四端使試驗件處于底座中心，上下夾頭(I和17)分別連單軸試驗機，并按照圖1調節松緊螺母6使一級杠桿和二級杠桿平衡且處于水平位置，鋼絲繩8處于繃緊狀態。啟動單軸試驗機，緩慢加載，這時，設上夾頭受到試驗機的向上的拉力為F，則由杠桿平衡原理可知，一級連桿3對兩個二級杠桿橫梁支點出的拉力均為F/2，對二級杠桿受力分析可知，二級杠桿橫梁兩端的二級連桿5所受拉力大小和兩端力臂只比成反比，因此當二級連桿通過松緊螺母對鋼絲繩8的拉力也滿足一定的比例，從而使得鋼絲繩繞過帶槽飛輪9構成的定滑輪拉動帶滑塊夾具，對試驗件加載的時，就有十字板試驗件兩個方向所受的拉力比例完全由二級杠桿兩端力臂只比決定，也即使通過該卡具，只需要更改二級杠桿支點鉸鏈在橫梁上的位置，就可以實現利用單軸試驗機進行變比例雙軸拉伸試驗。
【主權項】
1.一種雙軸拉伸試驗卡具，使用該卡具可在單軸試驗機對十字板試樣進行多種加載比例的雙軸拉伸試驗，其特征為:它是由上夾頭、一級杠桿橫梁、一級連桿、二級杠桿橫梁、二級連桿、松緊螺母、鋼絲繩連接頭、鋼絲繩、帶槽飛輪、軸承座、軸承、十字導軌、帶滑塊的夾具、試驗件、底座、下夾頭組成，它們之間的位置連接關系是:上夾頭夾持在單軸試驗機上夾頭上，一級杠桿橫梁和上夾頭通過鉸鏈連接構成一級杠桿，將兩根一級連桿上端通過鉸鏈分別連在一級杠桿兩端，連桿兩端帶雙耳，通過鉸鏈連接分別與兩個二級杠桿橫梁連接構成二級杠桿，兩個二級杠桿兩端通過二級連桿與松緊螺母相連，松緊螺母通過鋼絲繩連接頭連接的四根鋼絲分別繞過帶槽定滑輪(定滑輪由帶槽飛輪固定在軸承座上構成，軸承座由螺栓固定在底座上十字導軌的四端，導軌通過螺栓固定在底座上)與四個十字導軌上的夾具滑塊相連，四個夾具與十字形試驗件相連，底座通過螺栓與下夾頭相連，通過單軸試驗機下夾頭夾持固定。 所述上夾頭是金屬構件，上端帶有與單軸試驗機夾具相匹配的夾持端，下部分帶有與一級杠桿橫梁鉸鏈孔相對應的雙耳。 所述一級杠桿橫梁由鋼材構成，其兩端帶有與連桿雙耳匹配的鉸鏈安裝孔，橫梁正中間有一鉸鏈連接孔。 所述一級連桿為金屬構件，兩端帶有通孔雙耳，分別與一、二級杠桿橫梁鉸鏈孔安裝相匹配。 所述二級杠桿橫梁由鋼材構成，橫梁上有多個鉸鏈鏈接孔孔位，每種鉸鏈安裝位置對應一種特定的載荷比例分配。 所述二級連桿為金屬構件，上端帶有與二級杠桿橫梁兩端鉸鏈孔相匹配的雙耳，下端是與松緊螺母相匹配的螺紋。 所述松緊螺母為長外六角螺母。 所述鋼絲繩連接頭為金屬構件，下端帶有能對鋼絲繩進行夾持咬緊的結構，上端帶有與松緊螺母相匹配的螺紋。 所述十字導軌由固定在底座上的Z字梁構成，十字導軌的每個導軌都是由兩根平行對稱固定在底座上的Z字梁構成的導軌槽。 所述帶滑塊的夾具由鋼構成，夾具夾持部分由“C”字形方鋼構成，其上端面打有螺紋通孔，下端面內部表面銑有增加摩擦的滾花兒，試驗件夾持部分與夾具上端面之間是下表面銑有滾花兒的鋼制夾具壓板，夾具壓板的上表面有與夾具上端面螺紋通孔相匹配的凹槽，通過擰緊螺栓對鋼板施加壓力將試驗件夾緊，夾具與十字導軌槽相匹配的滑塊共同構成帶滑塊的夾具，可在導軌上滑動，滑塊上有鋼絲繩安裝孔與壓緊結構。 所述試驗件是一塊十字形試樣，十字的四端為夾持端，四個夾持端上下表面貼有加強片，中心正方形區域為有效試驗區，在該區域的兩個十字軸向上標定有刻度線。 所述底座是金屬結構件，它通過在一塊十字形鋼板上打上下夾頭連接螺孔、十字導軌連接螺孔以及軸承座安裝螺孔構成。 所述下夾頭為金屬構件，其加持段與單軸試驗機夾具相匹配，并帶有和底座匹配的連接端O 使用該卡具利用單軸試驗機對十字板試樣進行多種加載比例的雙軸拉伸試驗的具體步驟如下: 步驟一，設計并制造下夾頭、底座、十字導軌、軸承座、軸承、帶槽飛輪、試驗件、帶滑塊的夾具、不同加載比例所需的一級杠桿橫梁、二級杠桿橫梁、上夾頭等零件，將這些零件裝配成一整體，形成試驗系統。 步驟二，將試驗件放置在帶滑塊夾具上，調節滑塊位置盡量使試驗件處于底座中央后夾緊，用游標卡尺分別測量并記錄試驗件中央正方形區域兩個方向標定的刻度線間距L10,L20,調節松緊螺母，使所有鋼絲繩繃緊，同時，一、二級杠桿處于水平位置。 步驟三，向上移動單軸試驗機施加載荷，到某一載荷^時，暫停加載，用游標卡尺分別測量并記錄試驗件中央正方形區域兩個方向標定的刻度線間距Ln，L21以及對應載荷F1，然后繼續施加載荷，當載荷增加A F時，暫停加載，用游標卡尺分別測量并記錄試驗件中央正方形區域兩個方向標定的刻度線間距L12, L22以及對應載荷F2,如此重復，直至試驗件破壞。 步驟四，更換試驗件重復步驟一、二、三。 步驟五，通過更換對應的一級杠桿橫梁，調節二級杠桿鉸鏈連接位置，重復步驟一到步驟四，即可實現其他不同比例加載的雙軸拉伸試驗。 功能特征:該雙軸拉伸試驗卡具能在單軸試驗機上完成多種載荷比例的雙軸拉伸試驗，同時該卡具通過杠桿平衡原理進行四個方向拉力的分配，試驗件兩個軸向上的拉力可通過靜力平衡直接求出，可避免使用測力傳感器。
【文檔編號】G01N3/04GK105842055SQ201610146635
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月15日
【發明人】熊峻江, 王強, 李鈺, 呂志陽
【申請人】北京航空航天大學