CN103543061B - 一种跨尺度原位力学动态捕捉测试平台 - Google Patents
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Abstract
一种跨尺度原位力学动态捕捉测试平台，包括由计算机组成的控制***、隔振实验台、力学测试仪，隔振实验台台面上有点阵式分布的定位螺孔，力学测试仪通过数据线与计算机组成的控制***连接，其特征在于一个弧形轨道横跨隔振实验台台面的两侧安装于隔振实验台台面上方，一个成像仪器安装于弧形轨道上，成像仪器通过数据线与控制***连接。本测试平台装配灵活，功能多样，为机械、材料等学科的力学性能研究与检测提供了科学、有效的手段和方法，检测结果对于揭示材料或试件在多尺度下的力学行为和破坏机制具有重要意义，可被广泛应用于航空航天、汽车工业、生物医学、微机电等不同工程领域。
Description
技术领域
本发明涉及材料的力学性能试验和检测仪器，具体涉及一种原位力学动态信息捕捉测试平台。
背景技术
通常，材料的力学性能主要通过拉压、扭转、压痕、弯曲等各种试验机来测定。传统上，无论是动、静载荷，还是环境条件、变动载荷下的力学性能测试，其测试结果均以实施载荷后的变化量作为测试依据，而不能实时监测载荷实施中材料微变、损伤直至破坏的动态过程。随着航空、航天技术和材料科学与军事科学的发展，经典的宏观材料力学性能试验仪器设备所测试的材料参数和性能己经不能完全表征材料在更小尺度和极限条件服役的性能特性，需要引入更加直观、精确的测试、观察和分析手段，以此对材料的力学行为和破坏机制进行有效分析和深入研究。
为探索和揭示固态材料在拉-压-弯-扭等载荷下宏-微观跨尺度的动态变形行为，国内外少数机构正致力于开发和研制结合电子显微学技术、激光共聚焦显微成像技术、X射线衍射技术等微观成像手段，用于在接近服役条件下测定固态材料动态、微观力学性能的原位测试技术。该测试技术不仅能测定材料的各种力学参数，并且可以对材料在实验过程中的微观变形和损伤过程进行实时、在线观测，将图像学定性分析与数据定量分析相结合，以更新的视野和测试角度揭示出外界载荷作用下材料变形损伤的过程，发现更为新颖的现象和规律。
目前相关领域的研究工作仅将原位力学测试仪器与静态图像处理设备进行了配套研究与开发，还未考虑原位力学测试仪器与能够全程监测动态图像与测试过程的视频捕捉与采集设备的配套问题，特别缺乏一套与能够拍摄常规或高速动态过程设备集成的测试平台，并解决相关技术问题，这无疑会错过大量有用的试验点，影响对动态力学实验数据的全面分析。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现高精度力学测试，跨尺度、多频率动态图像捕捉，并能有效避免测试振动造成器件间相互干扰的跨尺度原位力学动态捕捉测试平台。
本发明的技术方案参阅附图说明如下：
一种跨尺度原位力学动态捕捉测试平台，包括由计算机组成的控制***1、隔振实验台3和力学测试仪2，隔振实验台3台面上设有点阵式分布的定位螺孔，力学测试仪2通过固定螺栓安装于隔振实验台3台面的定位螺孔处，力学测试仪2通过数据线与计算机组成的控制***1连接，一个弧形轨道4横跨隔振实验台3台面的两侧并安装于隔振实验台3台面上方，一个成像仪器5通过成像仪器安装支架6安装于弧形轨道4上，一个光源8由柔性支架7固定于弧形轨道4上，成像仪器5通过数据线与控制***1连接。
所述隔振实验台3台面上安装一个透明罩9；所述的隔振实验台3基础支撑内部采用蜂窝结构。
所述弧形轨道4中间有导槽14，成像仪器5通过一个仪器支架安装在弧形轨道4上，所述仪器支架由横支架10、纵支架紧固螺栓11、纵支架12、成像仪器安装螺栓13组成，摄像机通过成像仪器安装螺栓13固定在纵支架12上，纵支架12穿过横支架10前端的套管与横支架10套接，并由纵支架紧固螺栓11固定，横支架10后端通过紧固螺母安装在导槽14中。
所述成像仪器安装支架6通过紧固螺母安装在弧形轨道4上的导槽14中，并通过紧固螺母调节成像仪器安装支架6的位置，从而进行不同角度的原位观测，所述成像仪器安装支架6由纵横支架组成，纵支架12通过成像仪器安装螺栓13与成像仪器5固定，纵支架12与横支架10之间通过纵支架紧固螺栓11固定、调节。
所述的柔性支架7通过紧固螺母安装在导槽14的任意位置，通过移动或弯曲任意调节外用光源8的照射位置。
所述的力学测试仪2是拉伸/压缩精密力学测试仪。
所述的力学测试仪2是扭转精密力学测试仪。
所述的力学测试仪3是压痕精密力学测试仪。
所述的力学测试仪2是弯曲精密力学测试仪。
本发明的有益效果在于，针对高精度力学测试的不同需求，在实现对小型试件常规力学性能数据进行获取的同时，可通过测试平台内拍摄器件与力学测试仪的合理选配，可实现不同放大倍数和不同运动速度动态图像的实时拍摄；通过拍摄器件在弧形轨道的自由定位，可实现多角度视场的任意选择；通过自由选换力学测试仪，可实现包括拉伸/压缩、扭转、压痕、弯曲及各种疲劳等多种力学性能的原位测试。同时，各器件分别在隔振实验台上独立安装，可缓冲并降低因试件变形、断裂等造成的冲击振动，从而提高了图像捕捉质量与测试数据精度。本测试平台瞄准力学研究前沿，装配灵活，功能多样，创新性强，为机械、材料等学科的力学性能研究与检测提供了科学、有效的手段和方法，检测结果对于揭示材料或试件在多尺度下的力学行为和破坏机制具有重要意义。同时，本测试平台还可被广泛应用于航空航天、汽车工业、生物医学、微机电等不同工程领域，具有较高的科研价值和良好的商业化前景。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
附图说明
图1为本发明的整体外观结构示意图；
图2为本发明的成像仪器调节机构的结构示意图；
图3为本发明的成像仪器与台面呈0度角时的结构示意图；
图4为本发明使用的拉伸/压缩精密力学测试仪结构示意图；
图5为本发明使用的扭转精密力学测试仪结构示意图；
图6为本发明使用的压痕精密力学测试仪结构示意图；
图7为本发明的弯曲精密力学测试仪结构示意图。
图中：1、控制***；2、力学测试仪；3、隔振实验台；4、弧形轨道；5、成像仪器；6、成像仪器安装支架；7、柔性支架；8、光源；9、透明罩；10、横支架；11、纵支架紧固螺栓；12、纵支架；13、成像仪器安装螺栓；14、导槽。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例进一步说明本发明的具体内容及其实施方式。
一种跨尺度原位力学动态捕捉测试平台，包括由计算机组成的控制***1、隔振实验台3和力学测试仪2，隔振实验台3台面上有点阵式分布的定位螺孔，力学测试仪2通过固定螺栓安装于隔振实验台3台面的适当定位螺孔处，力学测试仪2通过数据线与计算机组成的控制***1连接，一个弧形轨道4横跨隔振实验台3台面的两侧并安装于隔振实验台3台面上方，一个成像仪器5安装于弧形轨道4上，一个光源8由柔性支架7固定于弧形轨道4上，成像仪器5通过数据线与控制***1连接。
参见图1至图6，本发明的跨尺度原位力学动态捕捉测试平台，包括控制***1、精密力学测试仪2、隔振实验台3、弧形轨道4、成像仪器5、成像仪器安装支架6、柔性支架7、外用光源8、透明罩9及附属零件等部分。
所述的控制***1经数据线与力学测试仪2和成像仪器5连接，通过软件实现对上述二种器件的控制，并实时获取由此二器件工作形成的信号或数据。
所述的原位力学测试仪2由固定螺栓安装于隔振实验台3的适当定位螺孔处，可以根据实验的需要安装为不同类型的原位力学测试仪，如图 4中的拉伸/压缩原位力学测试仪、图 5中的扭转原位力学测试仪、图 6中的压痕原位力学测试仪、图 7中的弯曲原位力学测试仪等，还可以安装各种测试疲劳的实验仪器，能够分别实现材料的拉伸/压缩、扭转、压痕、弯曲及各种疲劳的原位力学测试实验，以此来测定材料的不同力学性能参数。
所述的隔振实验台3基础支撑采用复合材料固体阻尼隔振，内心采用蜂窝结构，台面分布有不变形M6安装螺孔，呈间距25X25或50X50mm点阵式分布，固有频率不大于6Hz，振幅不大于5um，结构稳固可靠，能够有效减轻各种原位力学测试仪器及其所测试件在测试过程中的机械振动，从而使得被测试件在整个测试过程中都能够被成像仪器清晰捕捉，使得测试实验的原位观测质量提升，便于观测分析材料的微观变形、损伤和断裂过程，从而更加深入的揭示材料的力学特性和损伤机制。
所述的弧形轨道4通过紧固螺栓安装在隔振实验台3的适当定位螺孔处，上面有一个半圆形的弧形轨道14，通过调节紧固螺母，可以使成像仪器安装支架6在稻草14上无级移动，以此实现成像仪器5从不同角度的监测。
所述的成像仪器5由成像仪器安装支架6通过紧固螺母固定于弧形轨道4上，松动紧固螺母可实现成像仪器5以任意位置在弧形轨道4上定位。成像仪器5可以实现对力学测试仪2上试件的动态、实时拍摄，其参数范围为，拍摄频率：30桢—10000桢/秒；视场：0.01×0.01—20×20mm；分辨率：512×512—1920×1080像素；放大倍率：1:1—1:1000。
所述的成像仪器安装支架6由横支架10、纵支架紧固螺栓11、纵支架12、成像仪器安装螺栓13等部分组成。如图2所示，成像仪器安装支架6通过紧固螺母安装在弧形轨道4上的稻草14中，根据实验具体需要和力学测试仪2的安装状况，可以通过紧固螺母调节成像仪器安装支架6的位置，从而进行不同角度的原位观测。通过纵支架紧固螺栓11还可以调节成像仪器5与被测试件的距离。
所述的外用光源8由柔性支架7通过紧固螺母固定于弧形轨道4上，为成像仪器5提供足够的光线，通过移动或弯曲柔性支架7可以任意调节外用光源8的照射位置，以实现拍摄效果达到最佳。
所述的透明罩9通过合页安装于隔振实验台3上，能够有效减轻外界因素对测试实验的干扰，通过透明罩9一侧的把手可以将其掀起放到隔振实验台3的一侧。
本发明在具体的测试过程中，首先，要根据测试实验的需要选取不同类型的力学测试仪2，打开透明罩9，用专用的固定螺栓将所选取的力学测试仪2安装在隔振实验台3的适当位置；其次，按所选取的力学测试仪2的要求将所要测试的材料加工成标准尺寸的试验样件，并利用小型抛光机对试件进行抛光处理得到可用于高分辨率显微成像监测的较好表面光洁度；然后，将加工好的实验样件安装于力学测试仪2的夹具上，定位夹紧待测；再次，调节***，分别打开控制***1和成像仪器5，通过调整成像仪器安装支架6使成像仪器5的镜头以合适的角度和距离正对被测试件的适当位置，通过调节柔性支架7使外用光源8处于合适的位置，打开外用光源8，再次调节成像仪器5的位置和镜头的焦距及光圈大小以及外用光源8的位置，使被测试件能够呈现出清晰完整的图像，关闭外用光源8，关闭透明罩9，准备测试；最后，开始测试：再次打开外用光源8，开始成像仪器监测，打开给定载荷测试的变形或载荷控制方式，以脉冲输出的方式驱动开始测试过程，即通过测试算法程序设定测试条件和参数，在时序脉冲控制信号作用下精密直流伺服电机输出精确角位移，最终实现对标准试件的超低速准静态加载，测试过程中力学测试仪2上的精密传感器对载荷F进行检测，并通过算法程序作必要的修正处理；同时试件的变形量h由力学测试仪2上的精密位移传感器同步拾取，两路信号通过模数转换并进行必要的信号调理后送入计算机。在测试的整个过程中，被测标准试件在载荷作用下材料的变形损伤情况由成像仪器5进行动态监测，同时对此进行录像并保存，通过上位机调试软件亦可实时获取表征材料力学性能的弹性模量、屈服强度、切变模量及破坏强度等重要力学参数。通过对材料组织的微观变形及其破坏、损伤状况视频图像的分析，配合表征材料力学性能的各种参数，便可对材料在载荷作用下的变形损伤机制及其力学服役行为进行深入研究，从而更加透彻的了解材料的性能。
Claims (5)
1.一种跨尺度原位力学动态捕捉测试平台，包括由计算机组成的控制***(1)、隔振实验台(3)和力学测试仪(2)，隔振实验台(3)台面上设有点阵式分布的定位螺孔，力学测试仪(2)通过固定螺栓安装于隔振实验台(3)台面的定位螺孔处，力学测试仪(2)通过数据线与计算机组成的控制***(1)连接，一个弧形轨道(4)横跨隔振实验台(3)台面的两侧并安装于隔振实验台(3)台面上方，一个成像仪器(5)通过成像仪器安装支架(6)安装于弧形轨道(4)上，一个光源(8)由柔性支架(7)固定于弧形轨道(4)上，成像仪器(5)通过数据线与控制***(1)连接，其特征在于：
所述弧形轨道(4)中间有导槽(14)，成像仪器(5)通过一个仪器支架安装在弧形轨道(4)上，所述仪器支架由横支架(10)、纵支架紧固螺栓(11)、纵支架(12)、成像仪器安装螺栓(13)组成，摄像机通过成像仪器安装螺栓(13)固定在纵支架(12)上，纵支架(12)穿过横支架(10)前端的套管与横支架(10)套接，并由纵支架紧固螺栓(11)固定，横支架(10)后端通过紧固螺母安装在导槽(14)中。
2.根据权利要求1所述的跨尺度原位力学动态捕捉测试平台，其特征在于：
所述隔振实验台(3)台面上安装一个透明罩(9)；所述的隔振实验台(3)基础支撑内部采用蜂窝结构。
3.根据权利要求1所述的跨尺度原位力学动态捕捉测试平台，其特征在于：
所述成像仪器安装支架(6)通过紧固螺母安装在弧形轨道(4)上的导槽(14)中，并通过紧固螺母调节成像仪器安装支架(6)的位置，从而进行不同角度的原位观测，所述成像仪器安装支架(6)由纵横支架组成，纵支架(12)通过成像***安装螺栓(13)与成像仪器(5)固定，纵支架(12)与横支架(10)之间通过纵支架紧固螺栓(11)固定、调节。
4.根据权利要求1所述的跨尺度原位力学动态捕捉测试平台，其特征在于：所述的柔性支架(7)通过紧固螺母安装在导槽(14)的任意位置，通过移动或弯曲任意调节外用光源(8)的照射位置。
5.根据权利要求1所述的跨尺度原位力学动态捕捉测试平台，其特征在于：
所述的力学测试仪(2)是拉伸/压缩精密力学测试仪、扭转精密力学测试仪、压痕精密力学测试仪或弯曲精密力学测试仪。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zhang Zhihui Inventor after: Wang Shupeng Inventor after: Ren Luquan Inventor after: Zhao Hongwei Inventor after: Liang Yunhong Inventor after: Yuan Xuejing Inventor after: Zhu Bing Inventor after: Li Ling Inventor after: Yu Xuan Inventor before: Zhang Zhihui Inventor before: Wang Shupeng Inventor before: Ren Luquan Inventor before: Zhao Hongwei Inventor before: Liang Yunhong Inventor before: Zhu Bing Inventor before: Li Ling Inventor before: Yu Xuan |
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| COR | Change of bibliographic data | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20230524 Address after: 130012 No. 2699 Qianjin Street, Jilin, Changchun Patentee after: Jilin University Patentee after: Zhang Zhihui Address before: 130012 No. 2699 Qianjin Street, Jilin, Changchun Patentee before: Jilin University |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20231101 Address after: Room 7062, Building 2, No. 2098 Hezhuang South Road, Hangzhou Airport Economic Zone, Xiaoshan District, Hangzhou City, Zhejiang Province, 311200 Patentee after: Ruiji Biomimetic Intelligent Manufacturing Technology (Hangzhou) Co.,Ltd. Address before: 130012 No. 2699 Qianjin Street, Jilin, Changchun Patentee before: Jilin University Patentee before: Zhang Zhihui |
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| TR01 | Transfer of patent right |