双向拉伸试验装置.pdf

本发明是一种双向拉伸试验装置，包括固定分力机构(32)、可调分力机构(34)、可测力传力机构(31)和不可测力传力机构(33)。固定分力机构、可调分力机构、可测力传力机构和不可测力传力机构分别通过试件夹头(2)和试件夹头(16)与试件(14)的四个方向固定连接，对该试件实施拉伸。固定分力机构和可测力传力机构上分别有力传感器(4)。传力机构的两端通过轴承(20)以分力臂(5)的侧面为轨道滑动，将本发明装在万能试验机或压力试验机上，通过为可测力传力机构更换不同长度的支撑板(10)实现试件纵向和横向不同比例的拉伸位移，能够描述试件从单向拉伸到双向等拉整个范围的变形情况，具有结构轻巧，成本低，操作简单的特点。

1.  一种双向拉伸试验装置，包括试件夹头、力传感器和拉伸机构，将十字形试件置于装置的中心位置，拉伸机构分别通过试件夹头与试件的四个方向固定连接，对试件实施拉伸，其特征在于：
a.拉伸机构包括固定分力机构(32)、可调分力机构(34)、可测力传力机构(31)和不可测力传力机构(33)；固定分力机构(32)和可调分力机构(34)位于试件(14)的垂直轴线上并对称于试件(14)，可测力传力机构(31)和不可测力传力机构(34)位于试件(14)的水平轴线上，亦对称于试件(14)；
b.可调分力机构(34)和固定分力机构(32)包括短螺杆(3)、力传感器(4)、分力臂(5)、销轴(6)、销轴(11)、螺母(7)、固定块(8)、拉伸夹柄(9)、拉伸夹柄(15)、试件夹头(2)和试件夹头(16)；固定分力机构(32)还包括有力传感器(4)和一块支撑板(10)，该支撑板的两端有与销轴(11)配合的孔；可调分力机构(34)还包括有从中间一分为二的支撑板(17)，并且两块支撑板的两端均有与销轴和试件夹头(2)配合的孔；固定分力机构(32)上连接有力传感器(4)；拉伸夹柄(9)装入位于固定块(8)上安装孔中，一端穿出固定块(8)并与力传感器(4)连接；两个分力臂(5)的两端分别与固定块(8)和支撑板(10)的一端活动连接；试件夹头(2)位于两层支撑板(10)间距之中；可调分力机构(34)的拉伸夹柄(15)亦装入位于固定块(8)上的安装孔中，一端穿出固定块(8)并与试件夹头(16)连接；两个分力臂(5)的一端分别与固定块(8)连接，另一端分别与支撑板(17)的一端活动连接，而支撑板(17)的另一端分别与试件夹头(16)连接；
c.不可测力传力机构(33)和测力传力机构(31)主要包括传力臂(1)、试件夹头(2)、螺纹杆(12)、螺纹杆(18)、螺母(13)和力传感器(4)；试件夹头(2)与螺纹杆(12)焊接为一体；螺纹杆(12)的一端与传力臂(1)连接，另一端与试件夹头(2)连接；力传感器(4)位于可测力传力机构(31)上，两端分别与短螺杆(3)和螺纹杆(18)相连；试件夹头(2)与短螺杆(3)焊接为一体；轴承(20)位于传力臂(1)的两端，并且该轴承以分力臂(5)的侧面为轨道滑动。

2.  如权利要求1所述双向拉伸试验装置，其特征在于分力臂(5)一端分别与固定块(8)连接，另一端分别与支撑板(10)的一端通连接；分力臂(5)和支撑板(10)之间的夹角为45～60度。

3.  如权利要求1所述双向拉伸试验装置，其特征在于所述的传力臂(1)包括轴(19)、轴承(20)、传力板(21)和焊接块(22)；焊接块(22)中部有螺纹杆安装孔(23)，传力板(21)中部的直臂段分别与H形焊接块(22)对称的两个表面焊接；传力板(21)的中部为直臂，两端为与中部直臂呈45度、并向外侧倾斜的斜臂，在各传力板(21)斜臂的两端，各有一个轴承(20)安装孔，并且在各传力板(21)斜臂的两端均有一凸出的夹板，该夹板与分力臂(5)的两侧表面相接触。

4.  如权利要求1所述双向拉伸试验装置，其特征在于试件夹头(2)包括夹头本体(30)和试件垫片(26)；夹头本体(30)一端有凸台；十字形试件(14)一端位于试件垫片(26)和夹头本体(30)之间并固定。

5.  如权利要求3所述双向拉伸试验装置，其特征在于试件夹头(16)包括夹头本体(28)、螺栓(27)和试件垫片(26)，其特征在于其凸台上有销轴安装孔(29)，通过销轴(11)和支撑板(17)连接。

双向拉伸试验装置
一、技术领域
本发明涉及材料试验技术领域，具体的说是一种双向拉伸试验装置。
二、背景技术
自板壳理论建立以来，世界上大量使用双向受力的板壳结构。当时，由于计算的复杂性，特别是航空和航天方面的太空容器都属“双向受力结构”，不少人致力于寻找“双向拉伸试验方法”。目前，“双向拉伸试验”是世界上尚未很好解决的课题。双向拉伸试验方法很多，其中十字形试件双拉试验最直观，最能直接反映板壳的双向受力状态，是目前最受重视的一种方法。
目前，十字试件双拉试验装置主要有两种。一种是固定安装在万能试验机或压力试验机上，由万能试验机或压力试验机提供拉力，实现对试件的双向拉伸。但这种拉伸试验装置只能实现双向等拉或者双向定比例拉伸，不能描述从单向拉伸到双向等拉整个范围变形情况；另一种是做十字件双拉试验的大型专用设备，可以实现双向变比例拉伸。但其结构复杂，价格昂贵，小型的科研机构及院校实验室等在经济上难以接受，不利于科学研究的发展。
在公开号为CN87205653的实用新型专利中，公开了一种机械式双向拉伸试验仪。该试验仪利用一个顶部装有万向头的十字加荷头通过四个铰链分别与四根互相对称的斜撑杆铰接，每个斜撑杆的下端通过铰链又分别与应变式测力传感器铰接，按不同双向应力比的需要，选定斜撑杆的长度，使其与测力传感器成一定的夹角，应变式测力传感器向外的一端有一穿过十字支撑架尾端支撑板的导向杆，导向杆上套有一缓冲弹簧，每个测力传感器下端开有一纵向通槽，各通槽与十字架底座之间，均有一支承着测力传感器并使其可在十字架底座上前后滑动的滚柱；测力传感器向里的一端是试件夹头；测力传感器通过装于其上的接线插头与动态应变仪相联接。但该试验仪的缓冲弹簧造成了测力传感器测得的数据偏小，其结构也比较复杂。
三、发明内容
为了解决现有的双向拉伸装置存在的或者只能实现双向等拉或者双向定比例拉伸，或者结构复杂、价格昂贵、数据不准的不足，本发明提出了一种双向拉伸试验装置。
本发明包括固定分力机构、可调分力机构、可测力传力机构和不可测力传力机构。将十字形试件置于装置的中心位置，固定分力机构、可调分力机构、可测力传力机构和不可测力传力机构分别通过试件夹头与十字形试件的四个方向固定连接，对十字形试件实施拉伸。固定分力机构和可调分力机构位于十字形试件的垂直轴线上并对称于十字形试件；可测力传力机构和不可测力传力机构位于十字形试件的水平轴线上亦对称于十字形试件。
固定分力机构和可调分力机构均包括试件夹头、短螺杆、两个分力臂、销轴、螺母、固定块、拉伸夹柄和销轴11。固定分力机构还包括有力传感器和一块支撑板，该支撑板的两端分别通过销轴与固定分力机构分力臂的一端活动连接；力传感器位于固定分力机构上；拉伸夹柄装入位于固定块上安装孔中，一端穿出固定块并与力传感器连接。两个分力臂的一端分别与固定块活动连接；试件夹头位于两层支撑板间距之中。可调分力机构还包括有两块支撑板，并且两块支撑板的一端与分别与分力臂的一端活动连接，另一端与位于可调分力机构中心位置的试件夹头配合；两个分力臂的另一端分别与固定块连接；可调分力机构的拉伸夹柄亦装入位于固定块上的安装孔中，一端穿出固定块并与试件夹头连接；
不可测力传力机构和可测力传力机构主要由传力臂、试件夹头、螺纹杆、螺母组成；可测力传力机构还包括一个两端分别与短螺杆和螺纹杆相连的传感器。不可测力传力机构包括螺纹杆，试件夹头与螺纹杆焊接为一体；螺纹杆的一端与传力臂连接，另一端与试件夹头连接。力传感器位于可测力传力机构上，两端分别与短螺杆和螺纹杆相连；试件夹头与短螺杆焊接为一体；轴承位于传力臂的两端，并且该轴承以分力臂的侧面为轨道滑动，从而将固定分力机构上的拉伸夹柄所作的纵向运动转化为与试验机的拉伸方向垂直的横向运动。根据试验要求，制作多组不同长度的支撑板，通过更换支撑板改变试件纵向和横向承受的载荷比，从而实现试件在纵向和横向不同比例的拉伸位移。
本发明安装在万能试验机或压力试验机上，可以通过为可调分力机构安装不同长度的支撑板来实现十字形试件纵向和横向不同比例的拉伸位移，从而可以描述试件从单向拉伸到双向等拉整个范围变形情况，实现真实地反映以拉为主的板料成形状况。本发明与现有的一般双向拉伸试验装置相比，具有结构轻巧，成本低，操作简单易行的特点。
四、附图说明
附图1是双向拉伸试验装置的结构示意图；
附图2是双向拉伸试验装置的构成示意图；
附图3是固定分力机构的结构示意图，其中a图是固定分力机构主视图，b图是固定分力机构仰视图，图c是固定分力机构俯视图；
附图4是可调分力机构的结构示意图，其中a图是可调分力机构主视图，b图是可调分力机构B向视图；
附图5是传力臂结构示意图，其中a图是传力臂结构主视图，b图是传力臂结构左视图，图c是传力臂结构A向剖面图；
附图6是固定块结构示意图，其中a图是固定块结构主视图，b图是固定块结构俯视图；
附图7是试件夹头的结构示意图；
附图8是试件夹头的结构示意图。图中：
1.传力臂       2.试件夹头     3.短螺杆            4.力传感器
5.分力臂       6.销轴         7.螺母              8.固定块
9.拉伸夹柄     10.支撑板      11.销轴             12.螺纹杆
13.螺母        14.十字形试件  15.拉伸夹柄         16.试件夹头
17.支撑板      18.螺纹杆      19.轴               20.轴承
21.传力板      22.H形焊接块   23.螺纹杆安装孔     24.拉伸夹柄安装孔
25.销轴安装孔  26.试件垫片    27.螺栓             28.夹头本体
29.销轴安装孔  30.夹头本体    31.可测力传力机构   32.固定分力机构
33.不可测力传力机构           34.可调分力机构
五、具体实施方式
本实施例是用于十字形试件的双向拉伸试验装置，包括固定分力机构32、可调分力机构34、可测力传力机构31和不可测力传力机构33。将十字形试件14置于装置的中心位置，固定分力机构32、可调分力机构34、可测力传力机构31和不可测力传力机构33分别通过试件夹头与十字形试件14的四个方向固定连接，对十字形试件14实施拉伸。固定分力机构32和可调分力机构34位于十字形试件的垂直轴线上并对称于该试件；可测力传力机构31和不可测力传力机构33位于十字形试件的水平轴线上亦对称于该试件。
具体实施中：
固定分力机构32和可调分力机构34均包括试件夹头2、短螺杆3、两个分力臂5、销轴6、螺母7、固定块8、拉伸夹柄和销轴11。固定分力机构32还包括有力传感器4和一块支撑板10，该支撑板的两端有与销轴11配合的孔；可调分力机构还包括有两块支撑板17，并且两块支撑板的一端与分别与分力臂5的一端活动连接，另一端与位于可调分力机构中心位置的试件夹头16配合。
试件夹头2包括夹头本体30、螺栓27和试件垫片26(图7)；夹头本体30是用45#钢调质制成的块状件，一端有凸台，使其外形呈阶梯状；夹头本体30凸台端的端面与短螺杆3焊接为一体；夹头本体30的上表面分布有四个通孔。试件垫片26用钢材制成，其外形为与夹头本体30平面配合的方形，试件垫片上有四个安装孔，该安装孔的位置与夹头本体30上的四个通孔相对应。将试件14一端夹在试件垫片26和夹头本体30之间，并通过螺栓27夹紧固定。试件夹头16包括夹头本体28、螺栓27和试件垫片26，与试件夹头2的不同在于，其凸台上有销轴安装孔29，用于通过销轴11和支撑板17连接(图8)。
销轴6和销轴16均为标准件。
分力臂5和支撑板10均用45#钢调质制成，基本形状为长条状，两端均有同径销轴孔。分力臂5一端分别与固定块8连接，另一端分别与支撑板10的一端通过销轴11连接；分力臂5和支撑板10的夹角呈45～60度。支撑板10具有两层，对称位于分力臂5两侧，试件夹头2位于支撑板两家夹层之间(图3-c)。
固定块8用45#钢调质制成，中部为方形，该方形块两端的两侧分别有延伸出的方形连接板，使固定块8的外形同“H”形；固定块8中部的中心有拉伸夹柄9的安装孔24，两端两侧的连接板上分别有贯通的销轴安装孔25，该孔的内径同分力臂5上的销孔直径(图6)。拉伸夹柄9为圆柱状，一端有螺纹，用于安装螺母7和连接力传感器4(图3-a)。
组装固定分力机构32时，将力传感器4一端的螺纹孔与短螺杆3相连；拉伸夹柄9安装入固定块8的拉伸夹柄安装孔24中，使拉伸夹柄9的一端穿出固定块8并与力传感器4连接；为防止固定块8滑落，在固定块8与力传感器4之间的拉伸夹柄9上装有螺母7(图3-a)。将固定块8和两个分力臂5的一端通过销轴6连接；支撑板10与两个分力臂5的另一端通过销轴11连接(图3-c)；试件夹头2位于两层支撑板10间距之中(图3-b)。载荷作用到拉伸夹柄9上，力传感器4可测出载荷量。
可调分力机构34位于固定分力机构32的对称面上。组装时，将拉伸夹柄15安装入固定块8的拉伸夹柄安装孔24中，使拉伸夹柄15的一端穿出固定块8并与试件夹头16连接；为防止固定块8滑落，在固定块8与试件夹头16之间的拉伸夹柄9上装有螺母7(图4-a)。两个分力臂5的一端分别通过销轴6与固定块8连接，另一端分别通过销轴11与支撑板17的一端活动连接；而支撑板17的另一端分别与试件夹头16连接(图4)；试件夹头16与十字形试件14连接(图1)。可调分力结构34中的支撑板17和分力臂5之间的夹角在40～60度之间。
可测力传力机构31和不可测力传力机构33均包括传力臂1、试件夹头2和螺母13。可测力传力机构31还包括一两端分别与短螺杆3和螺纹杆18相连的传感器4，不可测力传力机构33包括螺纹杆12。
传力臂1为结构相同、方向对称的两个，包括轴19、轴承20、传力板21、H形焊接块22(图5)。H形焊接块22用45#钢调质制成，其中部有螺纹杆安装孔23，螺纹杆12和螺纹杆18分别穿过此安装孔，将传力臂1与试件夹头2连接；H形焊接块22的宽度应满足轴承20的安装要求。将两块结构对称相同的传力板21焊接在一起，焊接时，将传力板21中部的直臂段分别与H形焊接块22对称的两个表面焊接；传力板21的中部为直臂，两端为与中部直臂呈45度、并向外侧倾斜的斜臂，使外形近似“凹”字形；在各传力板21斜臂的两端，各有一个轴承20安装孔，并且在各传力板21斜臂的两端均有一凸出的夹板，其外形与大小应大于轴承20的半径，并在装配后能与分力臂5的表面接触。
组装可测力传力机构31时，将力传感器4一端的短螺杆3与试件夹头2焊接为一体，力传感器4另一端的螺纹杆18穿入传力臂1中部的螺纹杆安装孔23内，并用螺母13固定，通过力传感器4可测出十字形试件14的横向载荷量。传力板21两端突出的夹板与分力臂5的表面接触，并通过该夹板将分力臂5夹住，使轴承12能够以分力臂5的侧面为轨道正常滑动，从而将固定分力结构上的拉伸夹柄9所作的纵向运动转化为与试验机的拉伸方向垂直的横向运动(图1)。
不可测力传力机构33位于可测力传力机构31的对称面上。组装不可测力传力机构33时，将轴承20通过轴19安装到传力板21的安装孔上；将传力臂1通过H形焊接块22中间的螺纹杆安装孔23套在螺纹杆12上，并将螺母13安装到螺纹杆12上，以固定传力臂1；传力板21两端突出的夹板与分力臂5的表面接触，并通过该夹板将分力臂5夹住，使轴承12能够以分力臂5的侧面为轨道正常滑动，从而将固定分力结构上的拉伸夹柄9所作的纵向运动转化为与试验机的拉伸方向垂直的横向运动(图1)。试件夹头2与螺纹杆12焊接为一体；螺纹杆12用45#钢调质制成；螺母13套在螺纹杆12上，用于固定传力臂1(图2)。
在完成上面的制作后，将本实施例安装在万能试验机上，其中拉伸夹柄9安装在试验机可动钳口上，拉伸夹柄16安装在试验机固定钳口上。启动试验机，可动钳口带动拉伸夹柄9作纵向运动，从而带动固定分力结构32上的分力臂5纵向运动，使试件14作纵向拉伸运动。随着分力臂5的运动，传力臂1上的轴承20开始滚动，传力臂1受到载荷越来越大，从而将固定分力结构32上的拉伸夹柄9所作的纵向运动转化为与试验机的拉伸方向垂直的横向运动，即实现对十字形试件14的双向拉伸。
本实施例在拉伸实验中，通过调换不同长度的支撑板17调节试件14两垂直方向所施加的载荷比，实现试件纵向和横向不同比例的拉伸位移，从而可以描述从单向拉伸到双向等拉整个范围变形情况。