一种利用单轴试验机进行变比例双轴加载的强度试验卡具的制作方法
【专利摘要】一种双轴拉伸强度试验卡具，使用该卡具可在单轴试验机进行十字型试样变比例双轴拉伸强度试验，其特征为：它是由上夹头、一级杠杆横梁、一级连杆、二级杠杆横梁、二级连杆、松紧螺母、钢丝绳连接头、钢丝绳、带槽飞轮、轴承座、轴承、十字导轨、带滑块的夹具、试验件、底座、下夹头组成，通过该卡具能在单轴试验机上完成多种载荷比例的双轴拉伸强度试验，该卡具通过杠杆平衡原理进行四个方向拉力的分配，试验件两个轴向上的拉力可通过静力平衡直接求出，能有效避免使用测力传感器，同时，充分利用了现有单向试验机，解决了双轴强度试验专门设备匮乏、试验成本高的难题，为材料性能和结构强度测定提供技术支持。
【专利说明】
一种利用单轴试验机进行变比例双轴加载的强度试验卡具
技术领域
[0001]本发明设计了一种双轴拉伸强度试验卡具，该卡具实现了利用单轴试验机对十字板试样进行多种加载比例的双轴拉伸强度试验，属试验测试技术领域。
【背景技术】
[0002]近年来，随着材料技术的飞速发展，因为其优异的性能(高比强度、高比刚度以及优异的疲劳性能和良好的可设计性等)，平面编织复合材料被越来越多的应用于工程结构中代替传统金属结构，特别是在航空航天领域，如直升机复合材料桨叶、飞机蒙皮、发动机记下等。然而与各向同性的传统金属材料不同，平面编织复合材料一般都是各向异性的，其强度和弹性性能不能像金属材料那样通过简单的单向试验确定，有试验表明在双轴载荷下，玻璃纤维平面编织复合材料强度相对于单轴强度下降可达35%。而在实际应用中，平面编织复合材料结构往往处于多轴应力状态，若是简单的和金属结构设计过程一样，根据平面编织复合材料的单向弹性性能参数采用安全因子法来保证结构安全，会使得结构效率低下，不能充分发挥平面编织复合材料的优异性能。因此近年来国内外很多学者对平面复合材料在多轴应力状态，特别是双轴拉伸载荷下的性能进行了大量理论和数值研究。双轴拉伸试验测试验证方面，却因为双轴拉伸试验需要专用的试验机而受到了很大的制约，使得相关理论研究缺乏有力的试验验证，从而反过来制约了平面编织复合材料双轴拉伸强度预测理论的发展。考虑到目前金属材料的单轴试验已发展十分成熟，单轴试验机的使用已十分普遍，为此，本文发明了一种变比例双轴加载的强度试验卡具，利用该卡具可在单轴试验机上进行变比例双轴拉伸强度试验，解决了双轴强度试验专门设备匮乏、试验成本高的难题，为材料性能和结构强度测定提供技术支持。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于发明一种双轴拉伸强度试验卡具，利用单轴试验机进行十字板试样变比例双轴加载强度试验，测定金属和复合材料等材料与结构的双轴强度。
[0004]本发明所采用的技术方案如下:
[0005]I)本发明是一种可利用单轴试验机进行变比例加载的双轴拉伸强度试验卡具，它是由上夹头、一级杠杆横梁、一级连杆、二级杠杆横梁、二级连杆、松紧螺母、钢丝绳连接头、钢丝绳、带槽飞轮、轴承座、轴承、十字导轨、带滑块的夹具、试验件、底座、下夹头组成，它们之间的位置连接关系是:上夹头夹持在单轴试验机上夹头上，一级杠杆横梁和上夹头通过铰链连接构成一级杠杆，将两根一级连杆上端通过铰链分别连在一级杠杆两端，连杆两端带双耳，通过铰链连接分别与两个二级杠杆横梁连接构成两个二级杠杆，两个二级杠杆两端通过二级连杆与松紧螺母相连，松紧螺母通过钢丝绳连接头连接的四根钢丝分别绕过带槽定滑轮(定滑轮由带槽飞轮固定在轴承座上构成，轴承座由螺栓固定在底座上十字导轨的四端，导轨通过螺栓固定在底座上)与四个十字导轨上的夹具滑块相连，四个夹具与十字形试验件相连，底座通过螺栓与下夹头相连，通过单轴试验机下夹头夹持固定。
[0006]所述上夹头是金属构件，上端带有与单轴试验机夹具相匹配的夹持端，下部分带有与一级杠杆横梁铰链孔相对应的双耳。
[0007]所述一级杠杆横梁由钢材构成，其两端带有与连杆双耳匹配的铰链安装孔，横梁正中间有一铰链连接孔。
[0008]所述一级连杆为金属构件，两端带有通孔双耳，分别与一、二级杠杆横梁铰链孔安装相匹配。
[0009]所述二级杠杆横梁由钢材构成，横梁上有多个铰链链接孔孔位，每种铰链安装位置对应一种特定的载荷比例分配。
[0010]所述二级连杆为金属构件，上端带有与二级杠杆横梁两端铰链孔相匹配的双耳，下端是与松紧螺母相匹配的螺纹。
[0011 ]所述松紧螺母为长外六角螺母。
[0012]所述钢丝绳连接头为金属构件，下端带有能对钢丝绳进行夹持咬紧的结构，上端带有与松紧螺母相匹配的螺纹。
[0013]所述十字导轨由固定在底座上的Z字梁构成，十字导轨的每个导轨都是由两根平行对称固定在底座上的Z字梁构成的导轨槽。
[0014]所述带滑块的夹具由钢构成，夹具夹持部分由“C”字形方钢构成，其上端面打有螺纹通孔，下端面内部表面铣有增加摩擦的滚花儿，试验件夹持部分与夹具上端面之间是下表面铣有滚花儿的钢制夹具压板，夹具压板的上表面有与夹具上端面螺纹通孔相匹配的凹槽，通过拧紧螺栓对钢板施加压力将试验件夹紧，夹具与十字导轨槽相匹配的滑块共同构成带滑块的夹具，可在导轨上滑动，滑块上有钢丝绳安装孔与压紧结构。
[0015]所述试验件是一块十字形试样，十字的四端为夹持端，四个夹持端上下表面贴有加强片，中心正方形区域为有效试验区，在该区域的两个十字轴向上标定有刻度线。
[0016]所述底座是金属结构件，它通过在一块十字形钢板上打上下夹头连接螺孔、十字导轨连接螺孔以及轴承座安装螺孔构成。
[0017]所述下夹头为金属构件，其加持段与单轴试验机夹具相匹配，并带有和底座匹配的连接端。
[0018]利用本卡具的双轴强度试验原理如下:
[0019]将上夹头和下夹头分别夹持在单轴试验机上、下夹具上固定，按上面所述连接好各个部件之后，调节松紧螺母的套筒，使得一、二级杠杆处于平衡并处于水平状态，此时由于系统尺寸设计，可保证所有钢丝绳和连杆处于竖直状态。然后向上缓慢移动试验机上接头位置施加载荷，可以证明在小变形条件下，一、二级杠杆将一直保持平衡，并处于水平位置。根据杠杆平衡原理，二级杠杆支点处受到的连杆向上的拉力等于试验机对一级杠杆通过上夹头向上的拉力的1/2，而二级杠杆通过带动两端的钢丝绳，钢丝绳绷紧产生的张力通过定滑轮转向，变成带动带滑块夹具的水平拉力，从而实现对十字试样的双轴拉伸。对二级杠杆受力分析可知，二级杠杆两端钢丝绳的张力之和等于一级连杆对二级杠杆的拉力，张力大小与钢丝绳两端到二级杠杆铰链距离成反比，即与二级杠杆两端力臂成反比，因此可以通过调节二级杠杆铰链支点在二级杠杆横梁上的位置来控制其两端钢丝绳张力比值，从而控制试验件两个轴向的加载比例。
[0020]使用该卡具利用单轴试验机对十字板试样进行多种加载比例的双轴拉伸试验的具体步骤如下:
[0021]步骤一，设计并制造下夹头、底座、十字导轨、轴承座、轴承、带槽飞轮、试验件、带滑块的夹具、不同加载比例所需的一级杠杆横梁、二级杠杆横梁、上夹头等零件，将这些零件装配成一整体，形成试验系统。
[0022]步骤二，将试验件放置在带滑块夹具上，调节滑块位置尽量使试验件处于底座中央后夹紧，用游标卡尺分别测量并记录试验件中央正方形区域两个轴向上标定的刻度线之间的间距Liq，L20，调节松紧螺母，使所有钢丝绳绷紧，同时一、二级杠杆处于水平位置。
[0023]步骤三，向上移动单轴试验机施加载荷，到某一载荷Fdt，暂停加载，用游标卡尺分别测量并记录试验件中央正方形区域两个方向标定的刻度线间距Ln，L21以及对应载荷Fi，然后继续施加载荷，当载荷增加△ F时，暂停加载，用游标卡尺分别测量并记录试验件中央正方形区域两个方向标定的刻度线间距L12, L22以及对应载荷F2,如此重复，直至试验件破坏。
[0024]步骤四，更换试验件重复步骤一、二、三。
[0025]步骤五，通过更换对应的一级杠杆横梁，调节二级杠杆铰链连接位置，重复步骤一到步骤四，即可实现其他不同比例加载的双轴拉伸试验。
[0026]优点及功效:本发明提供的双轴拉伸试验卡具能在单轴试验机上完成多种载荷比例的双轴拉伸试验，充分利用了现有单轴试验设备，解决了双向拉伸试验设备匮乏、设备昂贵造成的双向拉伸试验困难，为理论研究和工程设计提供了有力支持，同时该卡具通过杠杆平衡原理进行四个方向拉力的分配，试验件两个轴向上的拉力可通过静力平衡直接求出，避免了使用测力传感器，简化了试验装置，节约了成本。
【附图说明】
[0027]下面结合附图和实例对本发明进一步说明。
[0028]图1夹具整体结构图。
[0029]图1中:1.上夹头，2.一级杠杆横梁，3—级连杆，4.二级杠杆横梁，5.二级连杆，6.松紧螺母，7.钢丝绳连接头，8.钢丝绳，9.带槽飞轮，10.轴承座，11.Z字梁构成的十字导轨，12.钢丝绳压紧螺栓，13.带滑块夹具，14.压板压紧螺栓，15.夹具压板，16.试验件，17.下夹头。
[0030]图2底座及其上零件安装结构图。
[0031]图3试验件结构图。
[0032]图3中:1.加强片，2.十字型试验件。
[0033]图4上夹头结构图。
[0034]图5—级杠杆横梁结构图
[0035]图6—级连杆
[0036]图7二级杠杆横梁结构图。
[0037]图7中，铰链孔1,2,3,4分别对应的加载比例为1:3，1:1，2:1，4:1。
[0038]图8 二级连杆示意图。
[0039]图9十字滑轨的一边示意图。
[0040]图10带滑块夹具。[0041 ]图11夹具压板。
[0042]图12带槽飞轮。
[0043]图13下夹头。
【具体实施方式】
[0044]结合图1和图2说明本发明的具体使用及实现原理。
[0045]按照图1和图2安装好卡具并夹持好试验件的四端使试验件处于底座中心，上下夹头(I和17)分别连单轴试验机，并按照图1调节松紧螺母6使一级杠杆和二级杠杆平衡且处于水平位置，钢丝绳8处于绷紧状态。启动单轴试验机，缓慢加载，这时，设上夹头受到试验机的向上的拉力为F，则由杠杆平衡原理可知，一级连杆3对两个二级杠杆横梁支点出的拉力均为F/2，对二级杠杆受力分析可知，二级杠杆横梁两端的二级连杆5所受拉力大小和两端力臂只比成反比，因此当二级连杆通过松紧螺母对钢丝绳8的拉力也满足一定的比例，从而使得钢丝绳绕过带槽飞轮9构成的定滑轮拉动带滑块夹具，对试验件加载的时，就有十字板试验件两个方向所受的拉力比例完全由二级杠杆两端力臂只比决定，也即使通过该卡具，只需要更改二级杠杆支点铰链在横梁上的位置，就可以实现利用单轴试验机进行变比例双轴拉伸试验。
【主权项】
1.一种双轴拉伸试验卡具，使用该卡具可在单轴试验机对十字板试样进行多种加载比例的双轴拉伸试验，其特征为:它是由上夹头、一级杠杆横梁、一级连杆、二级杠杆横梁、二级连杆、松紧螺母、钢丝绳连接头、钢丝绳、带槽飞轮、轴承座、轴承、十字导轨、带滑块的夹具、试验件、底座、下夹头组成，它们之间的位置连接关系是:上夹头夹持在单轴试验机上夹头上，一级杠杆横梁和上夹头通过铰链连接构成一级杠杆，将两根一级连杆上端通过铰链分别连在一级杠杆两端，连杆两端带双耳，通过铰链连接分别与两个二级杠杆横梁连接构成二级杠杆，两个二级杠杆两端通过二级连杆与松紧螺母相连，松紧螺母通过钢丝绳连接头连接的四根钢丝分别绕过带槽定滑轮(定滑轮由带槽飞轮固定在轴承座上构成，轴承座由螺栓固定在底座上十字导轨的四端，导轨通过螺栓固定在底座上)与四个十字导轨上的夹具滑块相连，四个夹具与十字形试验件相连，底座通过螺栓与下夹头相连，通过单轴试验机下夹头夹持固定。 所述上夹头是金属构件，上端带有与单轴试验机夹具相匹配的夹持端，下部分带有与一级杠杆横梁铰链孔相对应的双耳。 所述一级杠杆横梁由钢材构成，其两端带有与连杆双耳匹配的铰链安装孔，横梁正中间有一铰链连接孔。 所述一级连杆为金属构件，两端带有通孔双耳，分别与一、二级杠杆横梁铰链孔安装相匹配。 所述二级杠杆横梁由钢材构成，横梁上有多个铰链链接孔孔位，每种铰链安装位置对应一种特定的载荷比例分配。 所述二级连杆为金属构件，上端带有与二级杠杆横梁两端铰链孔相匹配的双耳，下端是与松紧螺母相匹配的螺纹。 所述松紧螺母为长外六角螺母。 所述钢丝绳连接头为金属构件，下端带有能对钢丝绳进行夹持咬紧的结构，上端带有与松紧螺母相匹配的螺纹。 所述十字导轨由固定在底座上的Z字梁构成，十字导轨的每个导轨都是由两根平行对称固定在底座上的Z字梁构成的导轨槽。 所述带滑块的夹具由钢构成，夹具夹持部分由“C”字形方钢构成，其上端面打有螺纹通孔，下端面内部表面铣有增加摩擦的滚花儿，试验件夹持部分与夹具上端面之间是下表面铣有滚花儿的钢制夹具压板，夹具压板的上表面有与夹具上端面螺纹通孔相匹配的凹槽，通过拧紧螺栓对钢板施加压力将试验件夹紧，夹具与十字导轨槽相匹配的滑块共同构成带滑块的夹具，可在导轨上滑动，滑块上有钢丝绳安装孔与压紧结构。 所述试验件是一块十字形试样，十字的四端为夹持端，四个夹持端上下表面贴有加强片，中心正方形区域为有效试验区，在该区域的两个十字轴向上标定有刻度线。 所述底座是金属结构件，它通过在一块十字形钢板上打上下夹头连接螺孔、十字导轨连接螺孔以及轴承座安装螺孔构成。 所述下夹头为金属构件，其加持段与单轴试验机夹具相匹配，并带有和底座匹配的连接端O 使用该卡具利用单轴试验机对十字板试样进行多种加载比例的双轴拉伸试验的具体步骤如下: 步骤一，设计并制造下夹头、底座、十字导轨、轴承座、轴承、带槽飞轮、试验件、带滑块的夹具、不同加载比例所需的一级杠杆横梁、二级杠杆横梁、上夹头等零件，将这些零件装配成一整体，形成试验系统。 步骤二，将试验件放置在带滑块夹具上，调节滑块位置尽量使试验件处于底座中央后夹紧，用游标卡尺分别测量并记录试验件中央正方形区域两个方向标定的刻度线间距L10,L20,调节松紧螺母，使所有钢丝绳绷紧，同时，一、二级杠杆处于水平位置。 步骤三，向上移动单轴试验机施加载荷，到某一载荷^时，暂停加载，用游标卡尺分别测量并记录试验件中央正方形区域两个方向标定的刻度线间距Ln，L21以及对应载荷F1，然后继续施加载荷，当载荷增加A F时，暂停加载，用游标卡尺分别测量并记录试验件中央正方形区域两个方向标定的刻度线间距L12, L22以及对应载荷F2,如此重复，直至试验件破坏。 步骤四，更换试验件重复步骤一、二、三。 步骤五，通过更换对应的一级杠杆横梁，调节二级杠杆铰链连接位置，重复步骤一到步骤四，即可实现其他不同比例加载的双轴拉伸试验。 功能特征:该双轴拉伸试验卡具能在单轴试验机上完成多种载荷比例的双轴拉伸试验，同时该卡具通过杠杆平衡原理进行四个方向拉力的分配，试验件两个轴向上的拉力可通过静力平衡直接求出，可避免使用测力传感器。
【文档编号】G01N3/04GK105842055SQ201610146635
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月15日
【发明人】熊峻江, 王强, 李钰, 吕志阳
【申请人】北京航空航天大学