多場(chǎng)耦合下原位三軸拉伸疲勞測(cè)試裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及精密科學(xué)儀器領(lǐng)域，特別涉及一種多場(chǎng)耦合下原位三軸拉伸疲勞 測(cè)試裝置。用于測(cè)試材料在三軸拉伸、疲勞和壓痕復(fù)合載荷加載下，同時(shí)加載熱場(chǎng)所表現(xiàn)出 的力學(xué)性能。
【背景技術(shù)】
[0002] 眾所周知，材料的破壞是由于在特定情況下多種外因共同作用產(chǎn)生的后果。因此， 提前預(yù)判材料在服役條件下的性能顯得十分必要。目前，國內(nèi)外高校及科研院所在接近服 役條件下的原位測(cè)試領(lǐng)域展開了激烈的角逐與競(jìng)爭(zhēng)，誰能率先搶占制高點(diǎn)，不僅能推動(dòng)我 國原位測(cè)試儀器搶占國際儀器領(lǐng)域新高地，也能夠滿足一大批重大裝備制造、電子信息、航 空航天領(lǐng)域的實(shí)際迫切需求，在科研、教育、工程、國防等領(lǐng)域具有極其廣闊的應(yīng)用前景，也 必將有力的推動(dòng)國家的科技創(chuàng)新與科學(xué)進(jìn)步，其產(chǎn)生的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益不可估量。
[0003] 首先，材料在單一物理場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生一定的力學(xué)性能變化，表現(xiàn)在材料的特征 力學(xué)參數(shù)上，例如：彈性模量、抗拉強(qiáng)度、屈服極限等。但是多物理場(chǎng)耦合作用下，材料的力 學(xué)測(cè)試環(huán)境更接近于真實(shí)服役狀態(tài)，材料的力學(xué)性能表征也會(huì)與單一物理場(chǎng)有所變化，甚 至表現(xiàn)出跟之前完全相反的性能。再有，疲勞測(cè)試是對(duì)于材料的循環(huán)極限、裂紋擴(kuò)展的預(yù) 測(cè)以預(yù)防都有指導(dǎo)意義的測(cè)試方法，但是沒有預(yù)拉伸載荷下的疲勞測(cè)試往往測(cè)試周期比較 長，不易于觀察材料在疲勞載荷下的力學(xué)行為。最后，隨著材料力學(xué)研究的越來越深入，材 料多軸受力情況的模擬與試驗(yàn)已經(jīng)被很多科學(xué)工作者提上了研究日程，單軸載荷施加下， 材料的力學(xué)行為一般都具有指向性，即沿著載荷施加方向，但是多軸載荷施加下，材料的力 學(xué)行為是否表現(xiàn)的跟單軸載荷施加下的一樣，還有待于用試驗(yàn)檢驗(yàn)。然而，單就目前為止， 對(duì)于多場(chǎng)耦合下的原位三軸拉伸疲勞的測(cè)試方法還沒有較為成熟的測(cè)試裝置。
[0004] 綜上所述，一套能夠集成多物理場(chǎng)三軸拉伸疲勞測(cè)試功能于一體的原位力學(xué)測(cè)試 儀器對(duì)于材料力學(xué)性能測(cè)試的發(fā)展具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本實(shí)用新型的目的在于提供一種多場(chǎng)耦合下原位三軸拉伸疲勞測(cè)試裝置，解決了 現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，尤其解決材料多軸拉伸情況下耦合多場(chǎng)的性質(zhì)的測(cè)量問題。材 料在實(shí)際運(yùn)用中，極少情況下只受單一載荷的作用。本實(shí)用新型著重關(guān)注材料在受三向力 作用下耦合熱場(chǎng)、疲勞、壓痕載荷，表現(xiàn)出的材料力學(xué)性能。測(cè)試精度高，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠且測(cè) 量與分析完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
[0006] 本實(shí)用新型的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0007] 多場(chǎng)耦合下原位三軸拉伸疲勞測(cè)試裝置，包括三軸拉伸、疲勞加載與測(cè)量子系統(tǒng)、 熱場(chǎng)加載子系統(tǒng)、懸臂壓痕加載與測(cè)量子系統(tǒng)；
[0008] 所述三軸拉伸、疲勞加載與測(cè)量子系統(tǒng)包括：主平臺(tái)1、三軸拉伸的電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元 2、軸向移動(dòng)單元3、疲勞及夾具單元4、可調(diào)節(jié)減震腳杯8、連接平臺(tái)20、拉力傳感器23,所 述主平臺(tái)1通過六個(gè)可調(diào)節(jié)減震腳杯8進(jìn)行支撐，整體放置于隔震平臺(tái)上，主平臺(tái)1的高度 通過可調(diào)節(jié)減震腳杯8的調(diào)整來保證；三軸拉伸的電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元2通過連接平臺(tái)20與軸向 移動(dòng)單元3連接；疲勞及夾具單元4通過三顆內(nèi)六角螺釘a42固定在軸向移動(dòng)單元3上，試 件7與壓板26通過兩顆內(nèi)六角螺釘b43固定在疲勞及夾具單元4上，拉力傳感器23 -端 通過螺母a44固定在擋板22上，另一端栓接在疲勞及夾具單元4上；
[0009] 所述熱場(chǎng)加載子系統(tǒng)包括：加熱臺(tái)6、氮化硅陶瓷加熱片45,所述加熱臺(tái)6通過內(nèi) 六角螺釘c46與主平臺(tái)1相連，氮化硅陶瓷加熱片45插在加熱臺(tái)6的插槽中；
[0010] 所述懸臂壓痕加載與測(cè)量子系統(tǒng)包括：柔性鉸鏈與壓電陶瓷單元31、懸臂梁支座 32、懸臂梁33、擋蓋34、壓頭35、銷軸36、可調(diào)支撐臺(tái)37、調(diào)節(jié)螺釘38、壓簧39、蝶形螺母40、 稱重傳感器41，所述支座32通過蝶形螺母40與主平臺(tái)1連接；柔性鉸鏈與壓電陶瓷單元 31通過四個(gè)內(nèi)六角螺釘e48與懸臂梁支座32連接；懸臂梁33通過銷軸36連接到懸臂梁 支座32上；稱重傳感器41及壓頭35安裝在懸臂梁33內(nèi)，稱重傳感器41的上端通過螺母 b50與擋蓋34連接；可調(diào)支撐臺(tái)37調(diào)節(jié)懸臂梁33在自由狀態(tài)時(shí)的高度，通過調(diào)整調(diào)節(jié)螺 栓38來調(diào)整可調(diào)支撐臺(tái)37的高度，可調(diào)支撐臺(tái)37與懸臂梁支座32之間由壓簧39提供彈 性支撐力。懸臂梁33通過預(yù)先制造的標(biāo)準(zhǔn)量具校準(zhǔn)與試件7的距離，距離找正后，通過旋 進(jìn)或旋出調(diào)節(jié)螺栓38,使可調(diào)支撐臺(tái)37向上或向下移動(dòng)，完成支撐固定。
[0011] 所述的主平臺(tái)1上設(shè)置導(dǎo)軌27,滑塊49與導(dǎo)軌27相互配合，移動(dòng)平臺(tái)e21通過內(nèi) 六角螺釘e48固定在滑塊49上。
[0012] 所述的懸臂梁33上端設(shè)置槽，減輕重量，降低剛度，便于進(jìn)行壓痕實(shí)驗(yàn)。
[0013] 所述的三軸拉伸的電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元2通過LVDT傳感器29測(cè)量軸向位移，LVDT傳感 器29通過支座a28和支座b31及內(nèi)六角螺釘d47固定；三軸拉伸的電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元2中的左 連接架16、右連接架17與軸連接處有軸承。
[0014] 所述的柔性鉸鏈與壓電陶瓷單元31產(chǎn)生的位移驅(qū)動(dòng)懸臂梁33繞銷軸36旋轉(zhuǎn)，實(shí) 現(xiàn)壓痕進(jìn)給。
[0015] 所述的壓板26表面采用絕熱涂層進(jìn)行處理，阻隔熱傳遞；加熱臺(tái)6的圓柱面及下 表面均用隔熱涂層覆蓋。
[0016] 所述的移動(dòng)平臺(tái)21表面用絕熱涂層進(jìn)行處理，阻隔熱傳遞。
[0017] 本實(shí)用新型的有益效果在于：與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果：（1) 首次實(shí)現(xiàn)了三軸拉伸下耦合熱場(chǎng)、疲勞、壓痕的測(cè)試；（2)使用范圍的多樣化，既可以進(jìn)行 三軸拉伸下耦合熱場(chǎng)、疲勞、壓痕的測(cè)試，同時(shí)也可進(jìn)行單軸拉伸、單軸疲勞、以及懸臂壓痕 分別復(fù)合熱場(chǎng)的測(cè)試；（3)系統(tǒng)測(cè)試方案的可行性較高，結(jié)果精度高。
【附圖說明】
[0018] 此處所說明的附圖用來提供對(duì)本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分， 本實(shí)用新型的示意性實(shí)例及其說明用于解釋本實(shí)用新型，并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的不當(dāng)限 定。
[0019] 圖1為本實(shí)用新型的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2為本實(shí)用新型的主視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖3為本實(shí)用新型的加熱臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖4、圖5為本實(shí)用新型的懸臂壓痕加載與測(cè)量子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖6為本實(shí)用新型的加熱臺(tái)加熱方法及控制原理示意圖；
[0024] 圖7為本實(shí)用新型的懸臂壓痕單元力學(xué)模型工作原理示意圖；
[0025] 圖8為本實(shí)用新型的系統(tǒng)控制方法及原理示意圖；
[0026] 圖9為本實(shí)用新型的利用剛化原理求懸臂壓痕壓頭端撓度方法中的剛化彈簧示 意圖；
[0027] 圖10為本實(shí)用新型的利用剛化原理求懸臂壓痕壓頭端撓度方法中的剛化懸臂梁 示意圖；
[0028] 圖11為本實(shí)用新型的懸臂壓痕單元力學(xué)模型壓頭反作用力示意圖；
[0029] 圖12為本實(shí)用新型的試件彈性模量求解方法的流程示意圖；
[0030] 圖13為本實(shí)用新型的原位測(cè)試原理圖。
[0031] 圖中：1、主平臺(tái)；2、三軸拉伸的電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元；3、軸向移動(dòng)單元；4、疲勞及夾具 單元；5、壓電式懸臂壓痕單元；6、加熱臺(tái)；7、試件；8、可調(diào)節(jié)減震腳杯；9、直流伺服電機(jī)； 10、行星齒輪減速器；11、電機(jī)固定板；12、聯(lián)軸器；13、一級(jí)蝸桿；14、一級(jí)蝸輪；15、二級(jí)蝸 桿；16、左連接架；17、右連接架；18、二級(jí)蝸輪；19、絲杠支承座；20、連接平臺(tái)；21、移動(dòng)平 臺(tái)；22、擋板；23、拉力傳感器；24、疲勞柔性鉸鏈；25、疲勞壓電陶瓷；26、壓板；27、導(dǎo)軌； 28、支座a ;29、LVDT傳感器；30、支座b ;31、柔性鉸鏈與壓電陶瓷單元；32、懸臂梁支座；33、 懸臂梁；34、擋蓋；35、壓頭；36、銷軸；37、可調(diào)支撐臺(tái)；38、調(diào)節(jié)螺栓；39、壓簧；40、蝶形螺 母；41、稱重傳感器；42、內(nèi)六角螺釘a ;43、內(nèi)六角螺釘b ;44、螺母a ;45、氮化硅陶瓷加熱 片；46、內(nèi)六角螺釘c ;47、內(nèi)六角螺釘d ;48、內(nèi)六角螺釘e ;49、滑塊；50、螺母b。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本實(shí)用新型的詳細(xì)內(nèi)容及其【具體實(shí)施方式】。
[0033] 參見圖1至圖13所示，本實(shí)用新型的多場(chǎng)耦合下原位三軸拉伸疲勞測(cè)試裝置，包 括三軸拉伸、疲勞加載與測(cè)量子系統(tǒng)、熱場(chǎng)加載子系統(tǒng)、懸臂壓痕加載與測(cè)量子系統(tǒng)；
[0034] 所述三軸拉伸、疲勞加載與測(cè)量子系統(tǒng)包括：主平臺(tái)1、三軸拉伸的電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元 2、軸向移動(dòng)單元3、疲勞及夾具單元4、可調(diào)節(jié)減震腳杯8、連接平臺(tái)20、拉力傳感器23,所 述主平臺(tái)1通過六個(gè)可調(diào)節(jié)減震腳杯8進(jìn)行支撐，整體放置于隔震平臺(tái)上，主平臺(tái)1的高度 通過可調(diào)節(jié)減震腳杯8的調(diào)整來保證；三軸拉伸的電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元2通過連接平臺(tái)20與軸向 移動(dòng)單元3連接；疲勞及夾具單元4通過三顆內(nèi)六角螺釘a42固定在軸向移動(dòng)單元3上，試 件7與壓板26通過兩顆內(nèi)六角螺釘b43固定在疲勞及夾具單元4上，拉力傳感器23 -端 通過螺母a44固定在擋板22上，另一端栓接在疲勞及夾具單元4上；
[0035] 所述熱場(chǎng)加載子系統(tǒng)包括：加熱臺(tái)6、氮化硅陶瓷加熱片45,所述加熱臺(tái)6通過內(nèi) 六角螺釘c46與主平臺(tái)1相連，氮化硅陶瓷加熱片45插在加熱臺(tái)6的插槽中；
[0036] 所述懸臂壓痕加載與測(cè)量子系統(tǒng)包括：柔性鉸鏈與壓電陶瓷單元31、懸臂梁支座 32、懸臂梁33、擋蓋34、壓頭35、銷軸36、可調(diào)支撐臺(tái)37、調(diào)節(jié)螺釘38、壓簧39、蝶形螺母40、 稱重傳感器41，所述支座32通過蝶形螺母40與主平臺(tái)