一种用于测试垫层材料抗弯性能和疲劳性能的系统及方法

1.本发明属于土木工程材料的力学测试领域，尤其涉及一种用于测试垫层材料抗弯性能和疲劳性能的系统及方法。


背景技术：

2.近年来，在我国高速铁路板式无砟轨道的施工建设中(如crtsi、crtsii和crtsiii型等)，广泛地采用了自密实高性能的垫层材料。众所周知，对结构材料进行科学的力学测试和检测是结构安全性和耐久性的重要保证。然而，在开发和研究垫层材料的力学测试方法过程中，我国主要以单轴抗压性能测试为主，目前尚未用到其他方法。根据现场板式无砟轨道运行中的病害统计，垫层材料层却出现了意想不到的开裂破坏，而且服役寿命远远低于预期。因此，有必要进一步关注垫层材料的抗弯性能和疲劳性能，从而为垫层材料的系统研究打下基础。
3.基于上述背景，本发明申请人发明一种适应于垫层材料的四点抗弯装置，结合基本的力学原理和方法，用来测试该材料的抗弯性能和疲劳性能；考虑到垫层材料使用时的环境温度变化问题，提供一个简单易操作的温控装置，以模拟垫层材料的工作温度。


技术实现要素：

4.本发明实施例的目的在于提供一种用于测试高速铁路中板式无砟轨道垫层材料在不同温度下的抗弯性能和疲劳性能的系统及方法，旨在解决背景技术中所提到的问题。
5.本发明实施例是这样实现的，一种用于测试垫层材料抗弯性能和疲劳性能的系统，所述系统包括：
6.平台总成，用于夹持待测试的试件；加载总成和测量总成安装于所述平台总成上；
7.加载总成，用于对装夹于平台总成上的试件施加作用力；
8.测量总成，用于测量试件在受到加载总成所施加的作用力后的挠度；
9.温控装置，用于提供试件测试所需的温度环境；
10.材料测试控制装置，用于通过所述加载总成向试件的两端施加作用力的数值和测量总成所测得的挠度的数值，基于一定的力学原理计算得出试件抗弯性能与疲劳性能的相关参数。
11.优选的，所述平台总成还包括：
12.基座；
13.第一转动夹具，用于夹持待测试的试件；
14.支架，设置在所述基座上；
15.线性导轨，所述加载总成滑动设置在所述线性导轨上。
16.优选的，所述加载总成包括加载臂和第二转动夹具。
17.优选的，所述测量总成包括：
18.试件横梁；当检测试件在受到加载总成所施加的作用力后的挠度时，所述试件横
梁通过螺丝固定在试件的表面；
19.位移传感器，设置在所述试件横梁上，用于检测试件中心在受到加载总成所施加的作用力后的挠度。
20.优选的，所述位移传感器的分辨率为0.001mm、使用环境温度为-40℃～100℃。
21.优选的，所述位移传感器选用磁致伸缩位移传感器或线性可变差动器。
22.优选的，所述平台总成和加载总成的材质为奥氏体不锈钢或高铬钢。
23.优选的：
24.根据经典梁理论，由加载总成对试件施加的作用力f与测量总成所测量的挠度δ，按下述公式计算试件的应力σ
t
与应变ε
t
：
[0025][0026][0027]
式中：l为试件的净跨长度，b为试件的宽度，h为试件的高度；
[0028]
情况1：垫层材料的抗弯性能测试
[0029]
一般采用位移控制模式，以获得梁在弯曲变形下的应力-应变全曲线，从而得到材料的抗弯强度fb，抗弯模量eb以及其他力学参数。
[0030]
情况2：垫层材料的疲劳性能测试
[0031]
根据材料的性能特点，试验室的疲劳测试可以采用应力控制模式或应变控制模式，加载荷载可以采用周期性正弦波或三角波函数。以应力控制为例，一般需要确定循环加载过程中最大应力σ
max
，最小应力σ
min
，和加载频率ω。其他疲劳加载参数，如应力变程δσ，应力幅值σa，平均应力σm，应力比r等，可以由上述三个参数推导得出，如下述方程所示：
[0032]
δσ＝σ
max-σ
min
[0033][0034][0035][0036]
通过材料测试控制装置获得疲劳测试过程中的作用力f与挠度δ的实验数据，经过一系列拟合和前述应力应变公式，可得到实际的应力幅值σa，应变幅值εa，以及滞后角；定义动态模量ed、耗散能wd如下，以表征疲劳过程中的参数变化：
[0037][0038]
wd＝πσaε
a sinδ。
[0039]
本发明实施例的另一目的在于提供一种用于测试垫层材料抗弯性能和疲劳性能的方法，所述方法包括以下步骤：
[0040]
将试件装夹于平台总成上；加载总成和测量总成安装于所述平台总成上；
[0041]
将装夹好试件的平台总成转移到温控装置内；
[0042]
材料测试控制装置通过加载总成向试件的两端施加作用力；
[0043]
通过测量总成测量试件在受到加载总成所施加的作用力后的挠度；
[0044]
材料测试控制装置根据所施加的作用力的数值及测量总成所测得的挠度的数值，基于一定的力学原理，计算得出试件的抗弯性能与疲劳性能。
[0045]
本发明实施例提供的一种用于测试材料抗弯性能和疲劳性能的系统，包括：平台总成，用于夹持待测试的试件；加载总成和测量总成安装于所述平台总成上；加载总成，用于对装夹于平台总成上的试件的两端施加作用力；测量总成，用于测量试件在受到加载总成所施加的作用力后的挠度；温控装置，用于提供试件测试所需的温度环境；材料测试控制装置，用于根据所施加的作用力的数值及测量总成所测得的挠度的数值，基于一定的力学原理计算出试件抗弯性能与疲劳性能的相关参数。
[0046]
本发明通过温控装置可以模拟试件在不同工作环境下的温度，进而通过材料测试控制装置对试件进行力学性能的测试，可准确获得抗弯与疲劳性能的相关数据。本发明装置结构简单、操作方便，能够在变温环境下稳定工作，测试数据受温度影响较小，具有准确、高效等优点。
附图说明
[0047]
图1为本发明实施例提供的测试平台的结构示意图；
[0048]
图2为本发明实施例提供的加载总成的结构示意图；
[0049]
图3为本发明实施例提供的一种用于测试材料抗弯性能和疲劳性能的系统的结构示意图。
[0050]
附图中：1、基座；2、支架；3、加载臂；4、销钉；5、第一转动夹具；6、第二转动夹具；7、固定螺栓；8、位移传感器；9、连接柱；10、线性导轨；11、试件横梁；12、垫块；13、试件；14、材料测试控制装置；15、温控装置。
具体实施方式
[0051]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0052]
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
[0053]
实施例1
[0054]
如附图1和3所示，为本发明一个实施例提供的一种用于测试材料抗弯性能和疲劳性能的系统，所述系统包括：
[0055]
平台总成，用于夹持待测试的试件13；加载总成和测量总成安装于所述平台总成上；
[0056]
加载总成，用于对装夹于平台总成上的试件13施加作用力；
[0057]
测量总成，用于测量试件13在受到加载总成所施加的作用力后的挠度；
[0058]
温控装置15，用于提供试件13测试所需的温度环境；
[0059]
材料测试控制装置14，用于通过所述加载总成向试件13的两端施加作用力的数值和测量总成所测得的挠度的数值，基于一定的力学原理计算得出试件13抗弯性能与疲劳性
能的相关参数。
[0060]
在本发明实施例中，平台总成、加载总成和测量总成共同组成测试平台(如附图1所示)。对试件13进行检测时，首先将测试平台安装到材料测试控制装置14内，并在材料测试控制装置14中设置好加载条件(加载方式、加载幅值、波形形状、加载频率和周期等)，然后将试件13装夹于平台总成上，再将测试平台转移到温控装置15(本实施例中，温控装置15可以采取温控箱)内，通过温控装置15可以设定试件13的变温范围、初始温度、变温速率等，待温度恒定后，材料测试控制装置14按设定好的加载条件通过加载总成向试件13的两端施加作用力，测量总成检测试件13在受到加载总成所施加的作用力后的挠度，最后，材料测试控制装置14根据所施加的作用力的数值及测量总成所测得的挠度的数值，计算得出试件13的抗弯性能与疲劳性能。
[0061]
与现有技术相比，本发明通过温控装置15可以模拟试件13在不同工作环境下的温度，进而通过材料测试控制装置14对试件13进行力学性能测试，可准确快速地得到试件13的抗弯变形与疲劳性能数据。本发明装置结构简单、操作方便，能够在变温环境下稳定工作，测试数据受温度影响较小，具有准确、高效等优点。
[0062]
如附图1所示，作为本发明的一种优选实施例，所述平台总成还包括：
[0063]
基座1；
[0064]
第一转动夹具5，用于夹持待测试的试件13；
[0065]
支架2，设置在所述基座1上；
[0066]
线性导轨10，所述加载总成滑动设置在所述线性导轨10上。
[0067]
具体的，平台总成还包括连接柱9、销钉4、垫块12和固定螺栓7等用于连接、支撑、固定的零部件，具体如附图1所示。线性导轨10控制加载总成的加载方向，限制其横向运动。
[0068]
如附图1所示，作为本发明的一种优选实施例，所述加载总成包括加载臂3和第二转动夹具6。
[0069]
具体的，加载臂3在试件13两端长度1/3处施加作用力，使试件13发生形变。
[0070]
如附图1和2所示，作为本发明的一种优选实施例，所述测量总成包括：
[0071]
试件横梁11；当检测试件13在受到加载总成所施加的作用力后的挠度时，所述试件横梁11通过螺丝固定在试件13的表面；
[0072]
位移传感器8，设置在所述试件横梁11上，用于检测试件13中心在受到加载总成所施加的作用力后的挠度。
[0073]
作为本发明的一种优选实施例，所述位移传感器8的分辨率为0.001mm、使用环境温度为-40℃～100℃。
[0074]
具体的，本发明装置所采取的位移传感器8应具有分辨率高、适用温度范围广等优点，使得能方便、准确地测出试件13的挠度。
[0075]
作为本发明的一种优选实施例，所述位移传感器8选用磁致伸缩位移传感器或线性可变差动器。
[0076]
具体的，磁致伸缩位移传感器能够通过内部非接触式的测控技术精确地检测活动磁环的绝对位置来测量被检测产品的实际位移值，具有非常高的精度和可靠性。线性可变差动器是一种常见类型的机电传感器，可将其以机械方式耦合的物体的直线运动转换为对应的电气信号。线性可变差动器即插即用，可以测量各种移动。
[0077]
作为本发明的一种优选实施例，所述平台总成和加载总成的材质为奥氏体不锈钢或高铬钢。
[0078]
具体的，奥氏体不锈钢和高铬钢具有膨胀系数低、强度高、抗冲击、变温环境下材料机械性能稳定性好等优点。本实施例中，除了可以采取奥氏体不锈钢和高铬钢外，也可以采取其他具有类似优异性能的材料来制备平台总成和加载总成。当然，除了平台总成和加载总成外，测试平台内的其他零部件也可以适当的采取奥氏体不锈钢和高铬钢支撑，如测试总成内的试件横梁11。
[0079]
作为本发明的一种优选实施例：
[0080]
根据经典梁理论，由加载总成对试件施加的作用力f与测量总成所测量的挠度δ，按下述公式计算试件的应力σ
t
与应变ε
t
：
[0081][0082][0083]
式中：l为试件的净跨长度，b为试件的宽度，h为试件的高度；
[0084]
情况1：垫层材料的抗弯性能测试
[0085]
一般采用位移控制模式，以获得梁在弯曲变形下的应力-应变全曲线，从而得到材料的抗弯强度fb，抗弯模量eb以及其他力学参数。
[0086]
情况2：垫层材料的疲劳性能测试
[0087]
根据材料的性能特点，试验室的疲劳测试可以采用应力控制模式或应变控制模式，加载荷载可以采用周期性正弦波或三角波函数。以应力控制为例，一般需要确定循环加载过程中最大应力σ
max
，最小应力σ
min
，和加载频率ω。其他疲劳加载参数，如应力变程δσ，应力幅值σa，平均应力σm，应力比r等，可以由上述三个参数推导得出，如下述方程所示：
[0088]
δσ＝σ
max-σ
min
[0089][0090][0091][0092]
通过材料测试控制装置获得疲劳测试过程中的作用力f与挠度δ的实验数据，经过一系列拟合和前述应力应变公式，可得到实际的应力幅值σa，应变幅值εa，以及滞后角；定义动态模量ed、耗散能wd如下，以表征疲劳过程中的参数变化：
[0093][0094]
wd＝πσaε
a sinδ。
[0095]
实施例2
[0096]
本发明的一个实施例还提供了一种用于测试垫层材料抗弯性能和疲劳性能的方法，所述方法包括以下步骤：
[0097]
按试验测试需求制备相关尺寸的试件13；
[0098]
将测试平台安装到材料测试控制装置14内，并在材料测试控制装置14内设置好加载条件(加载方式、加载幅值、波形形状、加载频率和周期等)，并使平台总成内的第一转动夹具5和加载总成内的第二转动夹具6对齐在同一水平高度；
[0099]
将试件13装夹于第一转动夹具5内，拧紧平台总成内第一转动夹具5处的固定螺栓7；
[0100]
采用螺丝将试件横梁11固定在试件13上的中部；
[0101]
拧紧加载总成内第二转动夹具6处的固定螺栓，安装位移传感器8，并将位移传感器8接入材料测试控制装置14；
[0102]
安装温控装置15，并使测试平台整体移入温控装置15内，设定测试温度，等待温控装置15内温度稳定；
[0103]
启动材料测试控制装置14，材料测试控制装置14通过加载总成向试件13的两端施加作用力，测量总成检测试件13在受到加载总成所施加的作用力后的挠度；
[0104]
材料测试控制装置14根据所施加的作用力的数值及测量总成所测得的挠度的数值，计算得出试件13的抗弯性能与疲劳性能。
[0105]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。