CN102768149A - 夹具、具有夹具的超弹性材料力学性能测试装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超弹性材料力学特性测试装置及测试方法，该装置的主要构件是试件端部的加强件（4）和试件夹具，加强件（4）的横截面为梯形，夹具的夹持口为倾斜面，将试件端部粘贴加强件（4），置入夹具中，利用夹具的倾斜面卡紧加强件（4）的倾斜面进行固定，拉紧过程中实现自锁，不会出现局部变形。该装置适用于超弹性材料的单轴拉伸、等双轴拉伸、平面拉伸（纯剪切）等多种应力应变测试。应力数据通过电子万能测试机的数据采集***获取，应变数据通过CCD图像采集装置获取。通过该技术方案，试件在拉伸过程中，实现拉力越大夹紧力越大，使试件受力均匀，能够得到更准确的测试数据，据此得到的超弹性材料力学性能参数更可靠。

Description

夹具、具有夹具的超弹性材料力学性能测试装置与方法

技术领域

1.本发明涉及超弹性材料、特别是橡胶的力学性能测试装置的夹具、具有夹具的超弹性材料力学性能测试装置以及测试方法。 

背景技术

2.超弹性材料多用于减振降噪领域，目前有限元方法已成为此类产品设计开发的重要手段。超弹性材料参数的准确性对于有限元法预测产品静态特性具有决定性的作用。为准确表征超弹性材料性能，必须对超弹性材料进行单轴拉伸、等双轴拉伸和平面拉伸等基础实验。 

3.目前对于超弹性材料的复杂应力状态的测试，使用的夹具与试件是通过螺栓紧固的。由于螺栓的紧固力不均匀，造成试件在测试初始状态产生严重的局部变形，严重时会产生试件局部开裂滑脱，试件受力不在同一平面内，很难得到“纯”的单轴拉伸、等双轴拉伸或纯剪切的应力应变状态，严重影响测试结果的准确性。 

4.试件在拉伸时，只有试件中心较小区域内实现均匀拉伸，其他区域拉伸不均匀，而以往测试采集较大范围的应变数据，得到的测试结果精度不高。 

发明内容

5.为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种夹具、一种包括该夹具的力学性能测试装置以及相应的测试方法，从而有效地提高超弹性材料力学特性参数的识别精度，同时还可以实现快速的装夹、固定以及更换试样，在拉紧过程中实现自锁，并且防止试件产生严重的局部变形或开裂滑脱。 

6.在夹具方面本发明提出了一种用于超弹性材料力学性能测试装置的夹具。该夹具用于将待测试件夹紧并保持在所述测试装置中，所述夹具包括用于保持所述待测试件并且用于与测试装置连接的夹持装置。其中， 

7.所述夹持装置具有两个用于夹持试件的夹爪和一用于与测试装置的机械加载部分相连接的连接头，所述两个夹爪一起形成一夹持口； 

8.所述夹具还包括用于对试件进行加强的加强件，该加强件与试件相接触并且能被紧固地保持在所述夹持装置中。 

9.上述夹具通过夹爪与加强件的设计能够实现快速地拆装并且通过对试件的加强确保了试件在实验过程中的均匀变形，从而提高了实验精度。 

10.根据本发明的一种实施方案，所述加强件与所述试件相粘接或熔接。通过这种连接手段，可以在实现有效的紧固连接的同时防止由于连接影响试件中的应力分布。 

11.根据本发明的一种实施方案，所述夹持装置的两个夹爪是一体形成的，从而构成一凹字形的一体构件。这种构造方案确保了夹爪的强度。 

根据本发明的一种实施方案，所述夹持装置的两个夹爪的端部——即与加强件相接触的端部——的内侧各自具有一斜面，这两个斜面使得由这两个夹爪形成的夹持口的开口尺寸朝向夹爪的端部逐渐减小。通过所述斜面，在安装试件时能从侧面将已连接有试件的加强件***夹持装置的夹爪之间，再通过夹爪的斜面与加强件的倾斜表面的接触而将加强件连同试件保持在夹持装置中。由于斜面与倾斜表面之间的摩擦而将试件紧固地保持在所述夹持装置中。由此，通过简单的安装实现了试件的自锁。 

12.根据本发明的一种实施方案，所述夹持装置不与所述待测试件直接接触。该方案有利于使试件产生均匀的应变。 

13.根据本发明的一种实施方案，所述加强件的与所述试件相接触的表面被加工出不是平面的表面结构，以提高在二者之间的连接强度。例如，所述加强件与所述试件相接触的表面上被加工出多个凹槽，所述凹槽与加强件轴线的夹角不超过30 °；和/或所述加强件与所述试件相接触的表面上被加工出多个凹孔。 

14.根据本发明的一种实施方案，所述加强件的与所述夹持装置相接触的表面被加工出不是平面的表面结构，以增强加强件与夹持装置间的摩擦力。例如，所述加强件与所述试件相接触的表面上被加工出多个凹槽，所述凹槽与加强件轴线的夹角不超过30 °；和/或所述加强件与所述试件相接触的表面上被加工出多个凹孔。 

15.根据本发明的一种实施方案，所述加强件构造成具有梯形横截面的棒件。优选地，所述棒件具有一倾斜表面，该倾斜表面与夹持装置的夹爪的倾面相匹配。这样的加强件易于制造并且具有一定的强度。 

16.本发明还涉及一种包含根据本发明的夹具的超弹性材料力学性能测试装置。 

17.另外，本发明还涉及一种用于对超弹性材料、特别是橡胶进行力学性能试验的方法，包括以下步骤： 

18.a. 清洗试件与加强件，以保证粘贴强度； 

19.b. 在试件中心区域设置基准标记； 

20.c. 将试件的装夹区连接、特别是粘贴加强件；将加强件置入夹具的夹持口中，然后将夹具固定在试验机上； 

21.d. 将CCD图像采集设备对准试件上的基准标记； 

22.e. 根据试验要求设置试件的加载方式，并设置CCD图像采集装置的自动捕捉时间； 

23.f. 拉伸试件并记录应力，同时采集CCD图像，特别是仅采集试件的中央测量区内的图像，同时记录时间，通过时间对应关系得到应力应变曲线数据。 

24.由于该方法中仅对中央测量区内进行测量，所以能够得到更加均匀的变形，因而能够提高测量精度。 

25.中央测量区域应选择尽量小以保证变形均匀，但同时应选择得足够大以保证可测量性。根据该方法的一种实施方案，所述中央测量区是面积为5~50mm²居中的、试件区域。例如，所述中央测量区是面积为10mm²、20 mm²或15 mm²。 

26.为便于应变分析，所述中央测量区应具有规则形状，例如是矩形或圆形的。 

27.根据该方法的一种实施方案，所述中央测量区是长度和宽度均为3~6mm矩形区域或者是半径为3~6mm的圆形区域。 

28.本发明采用上述技术方案，可以更有效地完成超弹性材料的单轴拉伸、等双轴拉伸和平面拉伸测试，并得到更准确的超弹性材料力学性能测试数据，据此得到的超弹性材料力学性能参数更可靠，同时能够简化试样装夹固定和更换操作程序，具有操作简单、方便等优点。 

附图说明

图1是本发明的超弹性力学性能测试装置的示意图。 

图2是本发明的夹具的示意图。 

图3是夹持装置的示意图。 

图4是试件加强件的示意图。 

图5是单轴拉伸测试试样的示意图。 

图6是等双轴拉伸测试试样的示意图。 

图7是平面拉伸测试试样的示意图。 

具体实施方式

本发明所涉及的超弹性力学性能测试装置用于对薄壁测试试件进行力学性能测试，如单轴拉伸、等双轴拉伸和平面拉伸测试等。 

该测试装置例如是已知的电子万能材料试验机，如图1所示。这种试验机采用全数字化控制，配备载荷传感器、光电位移编码器等传感器对力和变形进行检测，机械加载部分采用直流伺服控制***控制预应力滚珠丝杠带动横梁移动，是电子技术与机械传动相结合的试验机。由于采用了传感技术、自动化检测和微机控制等先进的测控技术，它不仅可以完成拉伸、压缩、弯曲、剪切等常规实验，还能进行材料的断裂性能研究以及完成载荷或变形循环、恒加载速率、恒变形速率、蠕变松弛和应变疲劳等一系列 静、动态力学性能实验。控制信号可以是正弦波、三角波、方波等，也可以输入真实的随机波，能方便地对小型构件施加真实随机载荷，配用电子计算机也可以进行程序控制和数据处理，此外，还可进行恒载荷、恒变形、恒位移的自动控制。 

这种试验机主要由机械加载、控制***、测量显示组成。机械加载部分为试验机主机，它由活动横梁、滚珠丝杠、齿轮箱以及电动机组成。在测试***通电后，微机按实验前设定的数值发出横梁移动指令，该指令通过伺服控制***控制主机内部的伺服电机转动，经过皮带、齿轮等减速机构后驱动左右丝杠转动，由活动横梁内与之啮合的螺母带动横梁上升或下降。装上试样后，试验机可通过载荷、应变、位移传感器获得相应的信号，该信号放大后通过A/D进行数据采集和转换，并将数据传递给微机。微机一方面对数据进行处理，以图形及数值形式在微机显示器上反映出来；另一方面将处理后的信号与初始设定值进行比较，调节横梁移动改变输出量，并将调整后的输出量传递给伺服控制***，从而达到恒速率、恒应变、恒应力等高要求的控制需要。 

图2示出本发明的夹具10，在该夹具10中装夹有单轴拉伸测试用的试件。该夹具10用于将待测试件夹紧并保持在所述测试装置中。所述夹具包括夹持装置2和试件加强件4，夹持装置2用于在测试时与测试装置连接并且将所述待测试件保持在测试装置中。 

图5具体示出了这种单轴拉伸试件3的示意图，该试件是哑铃薄片形的标准试件。标准的单轴拉伸试件总长115mm，端头宽度25mm，狭小平行部分长33mm，狭小平行部分宽6mm，过渡边外径14mm，过渡边内经25mm，厚度2mm。在单轴拉伸试件的两端分别预留装夹区31，中间为工作区32。在该待测试件的两端各用一根据本发明的夹具来夹紧和保持所述试件。 

图3具体示出了夹持装置2的一个实施例。夹持装置2具有两个夹爪和一与测试装置的机械加载部分相连接的连接头6。这两个夹爪可以是一体形成的，从而构成一凹字形的一体构件。当然，这两个夹爪也可以是通 过连接头6连接并紧固在一起的。所述夹持装置2的两个夹爪的端部，即与加强件4相接触的端部的内侧各自具有一斜面22。这两个斜面22使得由这两个夹爪形成的夹持口的开口尺寸朝向夹爪端部逐渐减小。 

图4具体示出了试件加强件4的一个实施例，其中，加强件4构造成具有梯形横截面的棒件。由此，所述梯形横截面的斜边形成一倾斜表面，该倾斜表面与夹持装置2的夹爪的斜面22相匹配。 

在测试时，首先使薄壁式的待测试件的两个壁表面与加强件4连接，例如粘接或熔接（焊接）。再将连接有试件的加强件4与夹持装置2相连接。例如，从侧面将加强件4***夹持装置2的夹爪之间，再通过夹爪的斜面22与加强件4的倾斜表面的接触而将加强件4连同试件保持在夹持装置2中。由于斜面22与倾斜表面之间的摩擦而将试件紧固地保持在所述夹持装置2中。在此，夹持装置2不与所述待测试件直接接触。

加强件4的与所述试件相接触的表面被加工出非平面的表面结构，以增加相接触的表面面积，从而增强连接强度。例如，在加强件4的与试件相接触的表面上加工、例如铣销出多个凹槽。在这种情况下，凹槽与加强件4轴线的夹角不超过30 °。但也可以在加强件4与试件相接触的表面上加工出多个凹孔。当然也可以设想出其它增加接触表面面积的结构，例如增加表面的粗糙度等等。 

加强件4的与所述夹持装置2相接触的表面也可以被加工出不是平面的表面结构，以增加相接触的表面面积，从而增强连接强度。例如，在加强件4的与试件相接触的表面上加工、例如铣销出多个凹槽。在这种情况下，凹槽与加强件4轴线的夹角不超过30 °。但也可以在加强件4与试件相接触的表面上加工出多个凹孔。当然也可以设想出其它增加接触表面面积的结构，例如增加表面的粗糙度等等。相应地，夹持装置2的与加强件4相接触的表面、即形成夹持口的表面也可以被加工出不是平面的表面结构。 

将已装夹有待测试件的夹具安装在测试装置、例如图1所示的电子万能材料试验机上便能进行测试了。利用数值采集设备、图像采集设备采集 数据和图像，通过数据处理软件及图像处理软件获得测试需要的应力应变数据。根据测试要求设置试件的加载方式，并设置CCD图像采集装置的自动捕捉时间，拉伸试件并记录应力，同时采集CCD图像并记录时间。CCD图像采集装置采集到与每一应力时刻相对应的试样的当前位置的图片，运用图像处理技术对每一试样的测试照片进行处理，得到与应力相对应的应变值，根据图像和时间的关系，拉力与时间的关系，得到应力应变曲线数据。测试时要注意消除Mullin效应和Payne效应。 

图6是等双轴拉伸试件4示意图，等双轴拉伸试件不是标准试件，一般截面为十字形。试件臂长与中间正方形的尺寸按圣维南原理选取，十字交叉处的倒角与中心正方形的边长相匹配以避免应力集中影响到中心区域的应变分布不均匀度，倒角半径主要通过有限元分析确定。例如选取如下的等双轴拉伸试件：总长250mm，狭长部分宽50mm，中间正方形尺寸为50mm×50mm，十字交叉处有倒圆角，倒圆角的半径为5mm，试件厚度为2mm。十字交叉处有倒圆角41，四个支臂的端部均设有装夹区42。等双轴拉伸测试使用两对夹具，保持两对夹具均在同一平面内，实验步骤与单轴拉伸测试相同。测试时同时在两个方向加载，两个方向同时采集应力和应变数据，然后取平均值得到等双轴拉伸测试的应力应变数据。 

图7是平面拉伸试件5示意图，平面拉伸试件也不是标准试件，平面拉伸试件长宽比应小于等于1:10，厚度应在0.8~2mm，才能使得试验时中央区域均匀变形。一般选取截面为矩形的平面拉伸试件，例如，长120mm，宽36mm，厚度2mm。两端部均设有装夹区51，在试件5的中心区域设置基准标记52。平面拉伸测试使用夹具设计与单轴拉伸和等双轴拉伸原理相同，只是增加了宽度方向的尺寸，实验步骤与单轴拉伸测试相同。 

利用本发明的夹具能得到更准确的超弹性材料单轴拉伸、等双轴拉伸和平面拉伸测试数据，据此得到的超弹性材料力学性能参数更可靠，同时能够简化试样装夹固定和更换操作程序，具有操作简单、方便等优点。 

采用上述超弹性材料力学性能测试装置，进行超弹性材料力学性能试验的方法包括以下步骤： 

a. 清洗试件与加强件，以保证粘贴强度； 

b. 在试件中心区域设置基准标记； 

c. 将试件的装夹区连接、特别是粘贴加强件；将加强件置入夹具的夹持口中，然后将夹具固定在试验机上； 

d. 将CCD图像采集设备对准试件上的基准标记； 

e. 根据试验要求设置试件的加载方式，并设置CCD图像采集装置的自动捕捉时间； 

f. 拉伸试件并记录应力，同时采集CCD图像，特别是仅采集试件中央的、部分区域内的图像，同时记录时间，通过时间对应关系得到应力应变曲线数据。 

 该方法不同于已知的方法（利用试验机来记录应变），利用CCD图像采集装置来记录应变，特别是仅记录试件中央的、部分区域内的应变，下文中将该区域称为中央测量区。中央测量区域应选择尽量小以保证变形均匀，但同时应选择得足够大以保证可测量性。例如，对于上文中提到的各测试试件，该中央测量区是面积为5~50mm²、例如10mm²、20mm²、优选15mm²的居中的试件区域。由于该中央测量区的面积小、居中，所以应变均匀、测试精度高。 

中央测量区可以具有任意形状，但一般采用规则的形状以便于应变分析。例如中央测量区可以是长度和宽度均为3~6mm矩形区域，或者是半径为3~6mm的圆形区域。 

附图标记表 

100主机 

200滚珠丝杠 

300活动横梁 

400上夹头 

500力传感器 

600下夹头 

700齿轮传动机构 

800伺服电动机 

900光电位移编码器 

2夹持装置 

4加强件 

6夹持头 

22斜面。 

Claims (17)

1.一种用于超弹性材料力学性能测试装置的夹具，该夹具用于将待测试件夹紧并保持在所述测试装置中，所述夹具包括用于保持所述待测试件并且用于与测试装置连接的夹持装置（2），其特征在于，

所述夹持装置（2）具有两个用于夹持试件的夹爪和一用于与测试装置的机械加载部分相连接的连接头（6），所述两个夹爪一起形成一夹持口；

所述夹具还包括用于对试件进行加强的加强件（4），该加强件（4）与试件相接触并且能被紧固地保持在所述夹持装置（2）中。

2.根据权利要求1所述的夹具，其特征在于，所述加强件（4）与所述试件相粘接或熔接。

3.根据权利要求1所述的夹具，其特征在于，所述夹持装置（2）的两个夹爪是一体形成的，从而构成一凹字形的一体构件。

4.根据权利要求1所述的夹具，其特征在于，所述夹持装置（2）的两个夹爪的端部——即与加强件（4）相接触的端部——的内侧各自具有一斜面（22），这两个斜面（22）使得由这两个夹爪形成的夹持口的开口尺寸朝向夹爪的端部逐渐减小。

5.根据权利要求1所述的夹具，其特征在于，所述夹持装置（2）不与所述待测试件直接接触。

6.根据权利要求1所述的夹具，其特征在于，所述加强件（4）的与所述试件相接触的表面被加工出不是平面的表面结构。

7.根据权利要求6所述的夹具，其特征在于，所述加强件（4）与所述试件相接触的表面上被加工出多个凹槽，所述凹槽与加强件（4）轴线的夹角不超过30 °；和/或所述加强件（4）与所述试件相接触的表面上被加工出多个凹孔。

8.根据权利要求1所述的夹具，其特征在于，所述加强件（4）的与所述夹持装置（2）相接触的表面被加工出不是平面的表面结构。

9.根据权利要求8所述的夹具，其特征在于，所述加强件（4）与所述试件相接触的表面上被加工出多个凹槽，所述凹槽与加强件（4）轴线的夹角不超过30 °；和/或所述加强件（4）与所述试件相接触的表面上被加工出多个凹孔。

10.根据权利要求1或2所述的夹具，其特征在于，所述加强件（4）构造成具有梯形横截面的棒件。

11.根据权利要求10所述的夹具，其特征在于，所述棒件具有一倾斜表面，该倾斜表面与夹持装置（2）的夹爪的倾面相匹配。

12.一种超弹性材料力学性能测试装置，其特征在于，所述测试装置包括根据权利要求1-11中任一项所述的夹具。

13.一种用于对超弹性材料、特别是橡胶进行力学性能试验的方法，包括以下步骤：

a. 清洗试件与加强件，以保证粘贴强度；

b. 在试件中心区域设置基准标记；

c. 将试件的装夹区连接、特别是粘贴加强件；将加强件置入夹具的夹持口中，然后将夹具固定在试验机上；

d. 将CCD图像采集设备对准试件上的基准标记；

e. 根据试验要求设置试件的加载方式，并设置CCD图像采集装置的自动捕捉时间；

f. 拉伸试件并记录应力，同时采集CCD图像，特别是仅采集试件的中央测量区内的图像，同时记录时间，通过时间对应关系得到应力应变曲线数据。

14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述中央测量区是面积为5~50mm²居中的、试件区域。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述中央测量区是面积为10mm²、20 mm²或15 mm²。

16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述中央测量区是矩形或圆形的。

17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述中央测量区是长度和宽度均为3~6mm矩形区域或者是半径为3~6mm的圆形区域。

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