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| 一种微小型原位材料拉压试验方法 | |
杨正茂 ; 张龙; 李文皓; 王江涛; 庞科技; 李腾; 申亮
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| 2024-12-17 | |
| Rights Holder | 中国科学院力学研究所 |
| Abstract | 本发明公开了一种微小型原位材料拉压试验方法，包括：完成材料试样拉压试验前的初始化准备工作；选择当前试验的类型：拉伸、压缩；控制系统控制直线运动机构全数字伺服电机系统正转或反转，防转盘限制升降杆只能向下或向上平移；材料试样进行拉/压的试验；未到达下一个预先设定的应力点时，控制系统向第三方DIC非接触全场应变测量系统发送触发信号；到达预先设定的下一个应力离散点的值时，停止直线运动机构、启动旋转运动机构、同时向第三方同步辐射X射线系统发送触发信号；解决了传动方法只能进行单调拉伸试验不能进行压缩试验、以及试验过程中材料试样360度自转时被第三方CT系统无障碍扫描的问题，和多个测试量在时间尺度上精确对应的难题。 |
| Application Date | 2022-08-17 |
| Application Number | CN202210989245.6 |
| Patent Number | CN115615854B |
| Claim | 1.一种微小型原位材料拉/压试验方法，该方法基于一种可旋转的微小型原位材料试验系统，该系统包括高刚性主机机架子系统、传动子系统、控制子系统、实时数据采集单元以及第三方同步辐射X射线系统和第三方同步DIC非接触全场应变测量系统；所述高刚性主机机架子系统用于分别支撑和连接所述传动子系统和控制子系统；所述的传动子系统包括高精度可往复式直线运动机构和旋转运动机构；所述实时数据采集单元用于将采集的压力传感器(4-1)和位移传感器(4-2)数据发送给控制子系统；所述的控制子系统用于启动或停止所述传动子系统的高精度可往复式直线运动机构和旋转运动机构，并向第三方同步辐射X射线系统和第三方同步DIC非接触全场应变测量系统发送触发和停止信号；该高精度可往复式直线运动机构用于对材料试样进行包括拉伸、压缩、卸载再加载、疲劳损伤的试验；该旋转运动机构用于按第三方同步辐射X射线系统的试验要求驱动所述高刚性主机机架子系统连同材料试样进行无级旋转、使得材料试样在有效的视场高度内被第三方同步辐射X射线系统无障碍穿透；该控制子系统灵活设定和控制实现除了拉伸试验以外的包括压缩、卸载再加载、疲劳损伤试验的轨迹，以及灵活设定和控制实现旋转运动机构的旋转间隔时间； 所述的高刚性主机机架子系统从上至下依次由顶部拉杆(1-6)、顶部拉杆(1-6)周围的调心球头组件、顶部拉杆(1-6)下端的可换拉杆(1-7)、筒状的高精度石英玻璃承载组件(1-1)、防转盘(1-2)、轴承座(1-3)、电机安装座(1-4)、底座(1-5)组成；该石英玻璃承载组件(1-1)上部与顶部拉杆(1-6)和调心球头组件连接，底部和所述防转盘(1-2)连接，所述防转盘(1-2)用于所述高精度可往复式直线运动机构电机转动时，限定升降杆(2-4)只能向上平移或向下平移，所述升降杆(2-4)从防转盘(1-2)中心穿过，且升降杆(2-4)和防转盘(1-2)接触面为平面，二者构成移动副； 所述调心球头组件包括调心球头(1-8)、以及调心球头附属件，该调心球头附属件包括紧贴在调心球头(1-8)上表面的球头压板(1-8-1)、紧贴在调心球头(1-8)下表面的球头底板(1-8-2)、以及花键螺母一(1-8-3)和花键螺母二(1-8-4)；该顶部拉杆(1-6)从所述调心球头(1-8)中心穿过，顶部拉杆(1-6)露出调心球头(1-8)上下局部区域为外螺纹，通过所述花键螺母一(1-8-3)和花键螺母二(1-8-4)拧紧； 所述顶部拉杆(1-6)和调心球头(1-8)形成一个整体，调心球头(1-8)可以在由球头底板(1-8-2)和球头压板(1-8-1)组成的球头窝内转动，使得下部的可换拉杆(1-7)可以相对其竖直中心线偏斜一定角度，保证拉/压试样时不受额外的弯矩影响； 所述防转盘(1-2)上边缘均布6个压块(1-2-1)和6个限位块(1-2-2)，内部开4个减重孔(1-2-4)，锪孔(1-2-3)用于安装螺钉和底部的轴承座连接紧固，石英玻璃承载组件(1-1)底部法兰边缘开6个均布的缺口，缺口的周向宽度略大于防转盘(1-2)的压块和限位块的两侧宽度；安装时，石英玻璃承载组件(1-1)缺口对准压块和限位块，穿过后，法兰底部平面和防转盘顶面贴紧；将石英玻璃承载组件(1-1)顺时针旋转，其底部法兰正好被压块压住，直到受限位块阻挡而停住，从而实现了石英玻璃罩和防转盘的快速连接； 用于对带材进行试验的高精度可往复式直线运动机构，包括电机支架(2-1)、全数字伺服电机系统(2-2)、螺套(2-3)、升降杆(2-4)；全数字伺服电机系统(2-2)驱动由螺套(2-3)和升降杆(2-4)组成的螺旋副，该螺旋副再配合防转盘(1-2)限定升降杆(2-4)只能向上平移或向下平移的功能，从而将旋转运动转换成直线运动，实现拉/压试样、实时输出拉或压力和位移值的功能；所述螺套(2-3)和升降杆(2-4)之间为螺纹连接； 用于驱动高刚性主机机架子系统连同材料试样进行无级旋转的旋转运动机构，包括全数字伺服电机(3-1)、蜗杆(3-2)、蜗杆支架(3-3)、蜗轮(3-4)、；由全数字伺服电机(3-1)驱动蜗杆(3-2)，带动蜗轮(3-4)转动，除底座(1-5)外的所有部件都随之无级旋转； 其特征在于：该微小型原位材料拉/压试验方法包括以下步骤： 步骤一、完成材料试样拉压试验前的初始化准备工作； 所述初始化工作，包括： 1)设定材料试样的模式是应力控制模式还是应变控制模式； 2)设定材料试样在拉/压试验中最大应力Smax和最小应力Smin； 3)设定材料试样在坐标轴上应力/应变各个离散点的值； 4)在所述可换拉杆(1-7)和升降杆(2-4)之间安装试样； 5)最大试验载荷能力由高精度石英玻璃承载组件、调心球头组件、高精度可往复式直线运动机构中升降杆(2-4)直径、以及伺服电机系统的扭矩共同决定；当大试验载荷不大于5KN时： i、石英玻璃罩的设计：当最大试验载荷为5KN时，设计石英玻璃罩的直径为112mm，厚度为3mm，这样，通过计算得到石英玻璃所承受的载荷为4.19MPa，远小于石英玻璃的抗压强度785～1150MPa，此时石英玻璃罩的应变值为0.5×10-4，满足材料试验机的精确测试要求； ii、调心球头组件的设计：调心球头组件的调心球头(1-8)和球头压板、以及球头底板的间隙不得大于0.05mm； iii、升降杆(2-4)直径的设计：对于往复直线运动系统来讲，设计升降杆直径为36mm，采用传动梯形公制粗螺纹，传动效率为0.9； iv、电机扭矩的设计：通过计算电机的扭矩为15.92N·m，小于目前选型为三菱MITSUBISHI J4系列伺服电机HG-SR的额定扭矩23.9N·m，另外额定转速为2000r/min，满足疲劳试验频率的要求； v、螺套为购买第三方产品，其选型和最大试验载荷为5KN相匹配； 步骤二、选择当前试验的类型：拉伸、压缩； 步骤三、若选择当前试验的类型为拉伸试验，控制系统控制直线运动机构全数字伺服电机系统(2-2)正转，带动螺套(2-3)旋转；若选择当前试验的类型为压缩试验，则控制系统控制直线运动机构的全数字伺服电机系统(2-2)反转，带动螺套(2-3)旋转； 步骤四、当采用拉伸试验时，防转盘(1-2)限制升降杆(2-4)只能向下平移，当采用压缩试验试验时，防转盘(1-2)限制升降杆(2-4)只能向上平移，从而将全数字伺服电机系统(2-2)的旋转运动变为直线运动； 步骤五、材料试样进行拉/压的试验； 步骤六、当拉/压试样过程中试样两端因不对中产生额外的弯矩影响时，调心球头(1-8)在由球头底板(1-8-2)和球头压板(1-8-1)组成的球头窝内转动，使得下部的可换拉杆(1-7)相对其竖直中心线偏斜一定角度，保证拉/压试样时不受额外的弯矩影响； 步骤七、控制子系统判定当前应力值是否到达设定的下一个应力/应变离散点的值，如果否，则控制子系统向第三方同步DIC非接触全场应变测量系统发送触发信号，第三方同步DIC非接触全场应变测量系统对上一个应力离散点和下一个应力离散点之间的材料试样进行拍照；同时，控制子系统启动闭环控制子系统对当前材料试样的被控力/位移进行调整；所述的闭环控制子系统包括基于力的闭环控制子系统、以及基于位移的闭环控制子系统； 步骤八、控制子系统判定当前应力值是否到达设定的下一个应力离散点的值，如果是，控制子系统停止直线运动机构、并启动旋转运动机构、同时向第三方同步辐射X射线系统发送触发信号； 步骤九、旋转运动机构驱动高刚性主机机架子系统连同材料试样进行无级旋转，旋转运动机构的全数字伺服电机(3-1)驱动蜗杆(3-2)、蜗杆(3-2)带动蜗轮(3-4)转动，蜗轮(3-4)带动除底座(1-5)外的所有部件都随之无级旋转；同时，第三方同步辐射X射线系统对当前应力点的材料试样进行360度拍照； 步骤十、控制子系统判断当前拉/压的应力值是否到达应力试验区间上限Smax或者下限Smin，如果否，返回步骤五，如果当前拉/压应力值到达应力试验区间上限Smax或者下限Smin，则试验结束。 |
| Classification | 发明授权 |
| Status | 有效 |
| Note | 授权 |
| Country | 中国 |
| Agency | 北京维正专利代理有限公司 |
| Document Type | 专利 |
| Identifier | http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/99976 |
| Collection | 宽域飞行工程科学与应用中心 高温气体动力学国家重点实验室 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 杨正茂,张龙,李文皓,等. 一种微小型原位材料拉压试验方法. CN115615854B[P]. 2024-12-17. |
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