一种DIC辅助应变测量微型拉伸-扭转复合加载试验机

一种dic辅助应变测量微型拉伸-扭转复合加载试验机
技术领域
1.本发明涉及材料力学测试仪器领域，具体涉及一种dic辅助应变测量微型拉伸-扭转复合加载试验机。可对微尺度试样进行拉扭复合加载，同时借助dic技术获取试样表面的全场应变信息，揭示材料在多轴载荷下的力学响应和变形机制。


背景技术：

2.材料力学试验机是测量材料力学性能的标准仪器，广泛应用于机械、冶金、建筑、航空、航天、交通、质检、计量、教育、医疗等行业。当下市面上使用的材料力学试验机多为大型机器，结构复杂，体积笨重，价格昂贵，只能用于测量材料的宏观力学性能。然而，材料力学性能测试结果存在一定的尺度效应，基于宏观试样测量得到的力学性能无法完全反映材料在微尺度下的力学性能。
3.目前的微型化材料力学试验机多采用单调加载，其可测试的工况包括单调拉伸(如专利cn106353200b)，单调扭转(如专利cn206161448u)等，只能获取材料在某一简单应力状态下的力学性能。然而，实际服役和生产条件下材料所处的应力状态一般较为复杂，如发动机连杆，汽车转向节，金属型材的拉拔、挤压、锻造以及轧制等。由于材料的力学性能存在应力状态相关性，简单应力状态下获取的实验结果无法反映材料在复杂加载条件下的力学性能。
4.此外，现有辅助微型化材料力学试验机的原位监测手段主要包括扫描电子显微镜、原子力显微镜、红外吸收光谱仪、x射线衍射仪、中子衍射仪等，多是针对材料的微观结构和组织成分的测量，缺乏表面应变场的辅助测量手段。事实上，材料在受力发生变形时，其内部微观结构和组织成分的演化必然伴随着表面变形带的演化，具体表现为主次应变以及剪切应变等形式，对其进行观察、测量和表征有助于理解材料在复杂加载条件下的变形和失稳机制。因此，亟需研制一台适用于微尺度试样的可搭载表面应变场原位测试手段的微型多轴加载力学试验机。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服上述现有技术所存在的不足，提供一种dic辅助应变测量微型拉伸-扭转复合加载试验机，可以对微尺度试样进行单调拉伸、单调扭转和拉扭复合加载，测量微尺度试样在多轴加载条件的力学性能，借助dic技术精确获取试样表面的主次应变和剪切应变，揭示材料在多轴载荷下的变形和失稳机制。
6.本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
7.一种dic辅助应变测量微型拉伸-扭转复合加载试验机，整体采用水平结构布置，包括基座(1)、拉伸加载模块、扭转加载模块、信号采集模块、试样夹持模块、dic应变测量模块；所述拉伸加载模块与扭转加载模块水平对称安装在基座(1)的两侧；所述拉伸加载模块通过伺服电机i(10)输出动力，经过行星减速机i(7)减速度增扭矩后，通过同步带i(4)、主动带轮i(6)、从动带轮i(32)同步带动螺母旋转式滚珠丝杆副的螺母(3)产生同步旋转运
动，进而带动螺杆(31)进行直线运动以实现拉伸加载；所述扭转加载模块通过伺服电机ii(11)输出动力，经过行星减速机ii(13)减速度增扭矩后，通过同步带ii(14)、主动带轮ii(15)、从动带轮ii(20)同步带动扭转主轴(22)实现扭转加载；所述信号采集模块采用拉扭复合传感器(27)采集拉伸载荷与扭矩，位移传感器(8)采集拉伸位移，增量式光电编码器(17)采集扭转角度；所述试样夹持模块分为两部分，分别安装于拉伸加载模块与扭转加载模块以固定试样；所述dic应变测量模块位于试样(25)正上方，采用高分辨率ccd工业相机进行实时拍摄，搭载数字图像相关技术处理生成单调拉伸、单调扭转以及拉伸-扭转复合加载过程中试样(25)表面的主次应变和剪切应变。
8.所述拉伸加载模块包括伺服电机i(10)、行星减速机i(7)、主动带轮i(6)、同步带i(4)、从动带轮i(32)、螺母旋转式滚珠丝杆副螺母(3)、螺母旋转式滚珠丝杆副螺母支撑固定架(2)、螺母旋转式滚珠丝杆副螺杆(31)、直线导轨(30)、立式支撑座(5、21)、圆法兰直线轴承(28)、拉伸端支撑座(29)；所述伺服电机i(10)与行星减速机i(7)同轴安装并固定在所述基座(1)上；所述主动带轮i(6)通过键槽和顶丝连接夹紧行星减速机i(7)的输出轴；所述螺母旋转式滚珠丝杆副螺母(3)固定在螺母旋转式滚珠丝杆副螺母支撑固定架(2)上，并通过同步带i(4)将螺母旋转式滚珠丝杆副螺母(3)上的从动带轮i(32)与主动带轮i(6)连接；所述直线导轨(30)两端置于立式支撑座(5、21)上，圆法兰直线轴承(28)贯穿直线导轨(30)并安装于拉伸端支撑座(29)的法兰孔中；所述拉伸加载模块采用伺服电机i(10)输出初始动力，通过行星减速机i(7)减速度增扭矩输出至主动带轮i(6)，再通过同步带i(4)带动与螺母旋转式滚珠丝杆副螺母(3)固定的从动带轮i(32)产生同步旋转运动，进而带动螺母旋转式滚珠丝杆副螺杆(31)进行直线运动实现拉伸加载。
9.所述扭转加载模块包括伺服电机ii(11)、行星减速机ii(13)、主动带轮ii(15)、同步带ii(14)、从动带轮ii(20)、扭转主轴(22)、直线导轨(30)、立式支撑座(5、21)、开口固定环(33)、圆法兰直线轴承(28)、扭转端支撑座(23)；所述伺服电机ii(11)与行星减速机ii(13)同轴安装并固定在所述基座(1)上；所述主动带轮ii(15)通过键槽连接行星减速机ii(13)，并通过固定环夹紧行星减速机ii(13)的输出轴；所述从动带轮ii(20)通过键槽固定连接在扭转主轴上(22)并通过所述同步带ii(14)连接主动带轮ii(15)，所述直线导轨(30)两端置于立式支撑座(5、21)上，圆法兰直线轴承(28)贯穿直线导轨(30)并安装于扭转端支撑座(23)的法兰孔中，所述开口固定环(33)贯穿直线导轨(30)，通过使用螺丝压紧限制扭转端支撑座(23)的轴向位移；所述扭转加载模块采用伺服电机ii(11)输出初始动力，经过行星减速机ii(13)减速度增扭矩后，通过同步带ii(14)、主动带轮ii(15)、从动带轮ii(20)同步带动扭转主轴(22)实现扭转加载。
10.所述信号采集模块包括增量式光电编码器(17)、编码器支撑架(19)、位移传感器(8)、拉扭复合传感器(27)、连接法兰(18)；所述增量式光电编码器(17)通过螺栓螺母与编码器支撑架(19)连接固定，通过键槽和连接法兰(18)固定，连接法兰(18)与扭转主轴(22)通过螺栓螺母连接固定，从而传导旋转角度实现扭转角度测量；位移传感器(8)两端分别固定在扭转端支撑座(23)和拉伸端支撑座(29)上，实现拉伸加载时的轴向位移测量；拉扭复合传感器(27)一端与拉伸端支撑座(29)固定，另一端与试样夹持模块的拉伸夹具(24)固定，从而实现单调拉伸、单调扭转以及拉伸-扭转复合加载过程中拉伸载荷和扭转扭矩的测量。
11.所述试样夹持模块包括拉伸端夹具(24)、拉伸端夹具套筒(26)、扭转主轴(22)；所述拉伸端夹具(24)与拉伸端夹具套筒(26)通过四个螺丝固定连接，拉伸端夹具套筒(26)通过四个螺丝与拉扭复合传感器(27)固定连接，扭转端夹具为扭转主轴(22)与夹具一体化设计，扭转主轴(22)由扭转端支撑座(23)支撑固定。
12.所述dic应变检测模块包括相机支架(12)、相机固定底座(16)、高分辨率ccd工业相机(9)；所述相机支架(12)固定在所述相机固定底座(16)上，所述高分辨率ccd工业相机(9)固定在相机支架(12)上，并置于所述试样(25)上方，可通过相机支架(12)随时调整高分辨率ccd工业相机(9)位置以契合试样(25)；所述dic应变检测模块可拍摄并传输试样图像至搭载数字图像相关技术的上位机实时处理生成单调拉伸、单调扭转以及拉伸扭转复合加载过程中试样(25)表面的主次应变和剪切应变。
13.本发明的有益效果是：
14.(1)本发明通过同时搭载拉伸加载模块与扭转加载模块，兼容拉伸试验场景与扭转试验场景，做到拉伸与扭转工况的单独与复合测试；
15.(2)本发明采用螺母旋转式滚珠丝杆副作为拉伸加载传动方式，螺母与支撑轴承为一体化结构，能实现既高精度又小型化设计，噪音低且运动流畅；
16.(3)本发明采用对称式结构设计，拉伸端支撑座与扭转端支撑座采用同模不同构设计，确保对称安装在光轴滑轨上，确保试样夹具同轴心，减小因夹持失准造成的误差，提升测试结果的准确性；
17.(4)本发明采用高分辨率ccd工业相机搭载dic技术，处理生成单调拉伸、单调扭转以及拉伸扭转复合加载过程中试样表面的主次应变和剪切应变，实时显示试样形变情况，实时显示试样动态应变分布，实现实时性能监测；
18.(5)本发明采用紧凑式设计，通过精密量程设定，结构迭代得出体积小，适用性强，易携带的微型测试装置，同时方便扩展其他原位测量手段。
附图说明
19.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
20.图1为本发明的整体结构示意图一；
21.图2为本发明的整体结构示意图二；
22.图3为本发明的整体结构三视图；
23.图4为本发明的拉伸加载模块结构示意图；
24.图5为本发明的扭转加载模块结构示意图；
25.图6为本发明的夹持模块和扭转主轴结构示意图；
26.图7为本发明的拉伸端支撑座结构示意图；
27.图8为本发明的扭转端支撑座结构示意图；
28.图中：1、基座；2、螺母旋转式滚珠丝杆副螺母支撑固定架；3、螺母旋转式滚珠丝杆副螺母；4、同步带i；5、立式支撑座；6、主动带轮i；7、行星减速机i；8、位移传感器；9、高分辨率ccd工业相机；10、伺服电机i；11、伺服电机ii；12、相机支架；13、行星减速机ii；14、同步带ii；15、主动带轮ii；16、相机固定底座；17、增量式光电编码器；18、连接法兰；19、编码器
支撑架；20、从动带轮ii；21、立式支撑座；22、扭转主轴；23、扭转端支撑座；24、拉伸端夹具；25、试样；26、拉伸端夹具套筒；27、拉扭复合传感器；28、圆法兰直线轴承；29、拉伸端支撑座；30、直线导轨；31、螺母旋转式滚珠丝杆副螺杆；32、从动带轮ii；33、开口固定环。
具体实施方式
29.下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
30.参见图1至图8所示，本发明的一种dic辅助应变测量微型拉伸-扭转复合加载试验机，整体采用水平结构布置，包括基座(1)、拉伸加载模块、扭转加载模块、信号采集模块、试样夹持模块、dic应变测量模块；所述拉伸加载模块与扭转加载模块水平对称安装在基座(1)的两侧；所述拉伸加载模块通过伺服电机i(10)输出动力，经过行星减速机i(7)减速度增扭矩后，通过同步带i(4)、主动带轮i(6)、从动带轮i(32)同步带动螺母旋转式滚珠丝杆副的螺母(3)产生同步旋转运动，进而带动螺杆(31)进行直线运动以实现拉伸加载；所述扭转加载模块通过伺服电机ii(11)输出动力，经过行星减速机ii(13)减速度增扭矩后，通过同步带ii(14)、主动带轮ii(15)、从动带轮ii(20)同步带动扭转主轴(22)实现扭转加载；所述信号采集模块采用拉扭复合传感器(27)采集拉伸载荷与扭矩，位移传感器(8)采集拉伸位移，增量式光电编码器(17)采集扭转角度；所述试样夹持模块分为两部分，分别安装于拉伸加载模块与扭转加载模块以固定试样；所述dic应变测量模块位于试样(25)正上方，采用高分辨率ccd工业相机进行实时拍摄，搭载数字图像相关技术处理生成单调拉伸、单调扭转以及拉伸-扭转复合加载过程中试样(25)表面的主次应变和剪切应变。
31.参见图4所示，所述拉伸加载模块包括伺服电机i(10)、行星减速机i(7)、主动带轮i(6)、同步带i(4)、从动带轮i(32)、螺母旋转式滚珠丝杆副螺母(3)、螺母旋转式滚珠丝杆副螺母支撑固定架(2)、螺母旋转式滚珠丝杆副螺杆(31)、直线导轨(30)、立式支撑座(5、21)、圆法兰直线轴承(28)、拉伸端支撑座(29)；所述伺服电机i(10)与行星减速机i(7)同轴安装并固定在所述基座(1)上；所述主动带轮i(6)通过键槽和顶丝连接夹紧行星减速机i(7)的输出轴；所述螺母旋转式滚珠丝杆副螺母(3)固定在螺母旋转式滚珠丝杆副螺母支撑固定架(2)上，并通过同步带i(4)将螺母旋转式滚珠丝杆副螺母(3)上的从动带轮i(32)与主动带轮i(6)连接；所述直线导轨(30)两端置于立式支撑座(5、21)上，圆法兰直线轴承(28)贯穿直线导轨(30)并安装于拉伸端支撑座(29)的法兰孔中；所述拉伸加载模块采用伺服电机i(10)输出初始动力，通过行星减速机i(7)减速度增扭矩输出至主动带轮i(6)，再通过同步带i(4)带动与螺母旋转式滚珠丝杆副螺母(3)固定的从动带轮i(32)产生同步旋转运动，进而带动螺母旋转式滚珠丝杆副螺杆(31)进行直线运动实现拉伸加载。
32.参见图5所示，所述扭转加载模块包括伺服电机ii(11)、行星减速机ii(13)、主动带轮ii(15)、同步带ii(14)、从动带轮ii(20)、扭转主轴(22)、直线导轨(30)、立式支撑座(5、21)、开口固定环(33)、圆法兰直线轴承(28)、扭转端支撑座(23)；所述伺服电机ii(11)与行星减速机ii(13)同轴安装并固定在所述基座(1)上；所述主动带轮ii(15)通过键槽连接行星减速机ii(13)，并通过固定环夹紧行星减速机ii(13)的输出轴；所述从动带轮ii(20)通过键槽固定连接在扭转主轴上(22)并通过所述同步带ii(14)连接主动带轮ii(15)，所述直线导轨(30)两端置于立式支撑座(5、21)上，圆法兰直线轴承(28)贯穿直线导轨(30)并安装于扭转端支撑座(23)的法兰孔中，所述开口固定环(33)贯穿直线导轨(30)，通过使
用螺丝压紧限制扭转端支撑座(23)的轴向位移；所述扭转加载模块采用伺服电机ii(11)输出初始动力，经过行星减速机ii(13)减速度增扭矩后，通过同步带ii(14)、主动带轮ii(15)、从动带轮ii(20)同步带动扭转主轴(22)实现扭转加载。
33.参见图1至图3所示，所述信号采集模块包括增量式光电编码器(17)、编码器支撑架(19)、位移传感器(8)、拉扭复合传感器(27)、连接法兰(18)；所述增量式光电编码器(17)通过螺栓螺母与编码器支撑架(19)连接固定，通过键槽和连接法兰(18)固定，连接法兰(18)与扭转主轴(22)通过螺栓螺母连接固定，从而传导旋转角度实现扭转角度测量；位移传感器(8)两端分别固定在扭转端支撑座(23)和拉伸端支撑座(29)上，实现拉伸加载时的轴向位移测量；拉扭复合传感器(27)一端与拉伸端支撑座(29)固定，另一端与试样夹持模块的拉伸夹具(24)固定，从而实现单调拉伸、单调扭转以及拉伸-扭转复合加载过程中拉伸载荷和扭转扭矩的测量。
34.参见图1至图6所示，所述试样夹持模块包括拉伸端夹具(24)、拉伸端夹具套筒(26)、扭转主轴(22)；所述拉伸端夹具(24)与拉伸端夹具套筒(26)通过四个螺丝固定连接，拉伸端夹具套筒(26)通过四个螺丝与拉扭复合传感器(27)固定连接，扭转端夹具为扭转主轴(22)与夹具一体化设计，扭转主轴(22)由扭转端支撑座(23)支撑固定；两端夹具相互配合，实现对试样(25)的夹持。
35.参见图1至图3所示，所述dic应变检测模块包括相机支架(12)、相机固定底座(16)、高分辨率ccd工业相机(9)；所述相机支架(12)固定在所述相机固定底座(16)上，所述高分辨率ccd工业相机(9)固定在相机支架(12)上，并置于所述试样(25)上方，可通过相机支架(12)随时调整高分辨率ccd工业相机(9)位置以契合试样(25)；所述dic应变检测模块可拍摄并传输试样图像至搭载数字图像相关技术的上位机实时处理生成单调拉伸、单调扭转以及拉伸扭转复合加载过程中试样(25)表面的主次应变和剪切应变。
36.本发明所述的一种dic辅助应变测量微型拉伸-扭转复合加载试验机，可对试样分别和同时加载拉伸变形与扭转变形，有利于复杂应力状态下的材料力学性能测量。本装置采用了同轴对称式拉扭设计，可减小由于加载不同轴引起的试样形变误差，有利于提升测试结果的准确度。本装置采用螺母旋转式滚珠丝杆副作为拉伸加载传动，将旋转运动为直线运动转化，减小能量损耗，提升加载效率，能实现既高精度又小型化设计，噪音低且运动流畅。本装置采用dic辅助测量，通过高精度ccd工业相机进行加载过程实时动态应变测量，保证了材料表面应变场的原位监测分析。综上所述，本发明设计精妙，结构小巧，便携高效，可扩展搭配各类原位测量手段，在材料力学性能检测领域具有良好的应用前景。
37.以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。