CN204718887U - 便携式拉-弯-扭复合载荷材料力学性能试验机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种便携式拉-弯-扭复合载荷材料力学性能试验机，属于机械领域。直流电机Ⅰ通过电机法兰Ⅰ与底板Ⅰ固定连接，一级蜗轮蜗杆传动副与二级蜗杆轴Ⅰ连接，再通过二级蜗轮蜗杆传动副连接，然后与精密滚珠丝杠Ⅰ相连，并进一步通过精密滚珠丝杠螺母副Ⅰ、螺钉与拉伸支撑板Ⅰ连接；拉伸支撑板Ⅰ、力传感器Ⅰ、拉伸支撑板Ⅱ与夹头Ⅰ组成拉伸***；位移传感器通过位移传感器支撑座与底板Ⅰ连接，位移传感器的一端紧靠在拉伸支撑板Ⅱ的一端面处。优点在于：体积小、重量轻、刚度高、结构紧凑、测试精度高、测试模式多样化，可提供的测试内容丰富，可以与各种电子显微镜真空腔体的载物平台相互兼容，实用性强。

Description

便携式拉-弯-扭复合载荷材料力学性能试验机

技术领域

    本实用新型涉及微观环境下多载荷下预载荷加载测试领域、微观环境下复合加载测试领域，弯曲载荷加载模式还涉及到原位力学性能测试领域。特别涉及一种便携式拉-弯-扭复合载荷材料力学性能试验机。可以对样品进行拉伸、弯曲、扭转单一载荷加载的同时，用电镜等显微成像仪器（如扫描电子显微镜SEM等）对加载过程中样品的微观变形，损伤以及断裂过程实施微观环境下的静、动态监测。此外，还可以对样品进行多种载荷下的预载荷加载和多种载荷复合加载，加载过程中用电镜等显微成像仪器对样品进行在线观测。本实用新型还可实现对载荷/位移信号的采集、控制及转换，为精确测定样品在微观环境下的力学特性和揭示样品在拉伸、弯曲、扭转等作用下的微观变形，损伤断裂机制及多载荷作用下的耦合、解耦机制提供新的测试方式。

背景技术

    多种载荷下的预载荷加载是指试件在受到拉伸、弯曲、扭转等不同形式的预加载后，对试件实施拉伸、弯曲或扭转实验。加载过程中，通过对并行信号的采集、控制及转换，配合以多种微观成像设备，可观察和对比分析试件在单一载荷加载模式下和多种载荷下的预载荷加载模式下不同的变形损伤机制。

多种载荷复合加载是指试件同时受到拉伸和弯曲载荷、拉伸和扭转载荷、弯曲和扭转载荷或拉伸、弯曲、扭转载荷的作用。加载过程中，通过对各路并行信号的采集、控制及转换，并配合以多种微观成像设备，可建立拉、弯、扭等复合载荷加载的载荷空间耦合模型，并结合试验数据，对复合载荷进行解耦，研究材料及制品服役状态下的真实力学行为与变形损伤机制。同时软件方面需要对载荷进行并行控制及对信号进行并行采集与处理，以保证耦合和解耦的准确性。

    原位力学性能测试是指在微/纳米尺度下对试件材料进行力学性能测试的过程中，通过光学显微镜、电子显微镜以及原子力显微镜等仪器对各种载荷作用下材料及其制品发生的微观变形，损伤进行全程动态在线监测的一种力学测试手段。该技术从微观层面揭示了各类材料及其制品的力学行为、损伤机理以及载荷的大小、种类与材料性能间的相关性规律。在诸多微纳米力学性能测试的范畴中，弹性模量、切变模量、弯曲模量、硬度、断裂极限等参数是微构件力学特性测试中的最主要的测试对象，针对这些力学量产生了很多种测试方法，如纳米压痕/划痕、拉伸/压缩法、剪切法、弯曲法和鼓膜法等，其中原位三点弯曲测试方法能较全面的反应材料或制品在弯曲条件下的力学特性，并能较直观的测量材料弯曲模量、屈服极限和断裂强度等重要力学参数。

当前对于原位三点弯曲测试的研究尚处于初级阶段，具体表现如下：（1）扫描电子显微镜、原子力显微镜和透射电子显微镜等的腔体空间非常有限，以至于目前的多数研究都集中在以微/纳米尺度材料和结构为基础，对纳米管、纳米线以及薄膜材料等极微小结构进行单纯原位纳米拉伸测试上，缺少对宏观尺寸（薄膜材料或三维试件）的跨尺度原位微/纳米力学性能测试的深入研究，从而严重束缚了学术界对较大尺寸元件的微观力学行为以及损伤断裂机制的深入研究；（2）从测量仪器上来说，主要借助于商业化的扫描电子显微镜（SEM）配带弯曲加载装置对材料及其制品进行原位微/纳米力学性能测试，这种方法存在设备费用昂贵，测试范围有限，测试内容陈旧等特点，对结构紧凑，测量范围可调，测试内容多样的原位三点弯曲测试装置少有提及，极大制约了研究的深入与发展；

    在原位三点弯曲力学性能测试技术应用之前，弯曲试验一般是用大型弯曲试验机对材料及其制品进行离位测试。试验机按照相关标准以均匀速率对样品进行加载，由试验机绘出载荷-挠度曲线，进而得到载荷作用下应力-应变曲线图，因此，最初的弯曲试验机是将材料弯到规定的角度或者断裂后，得出材料的弹性模量、屈服极限、断裂极限等力学参数。传统弯曲试验机针对的大都是大尺度宏材尺度试件，未涉及样品微纳米尺度范畴的力学性能研究，也未涉及到高分辨率显微成像***下的原位在线观测。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种便携式拉-弯-扭复合载荷材料力学性能试验机，解决了现有技术存在的上述问题。本实用新型集拉伸、弯曲、扭转三种单一载荷加载模式、多载荷预加载模式与多载荷复合加载模式于一体，建立了复合载荷加载的载荷空间耦合模型，并结合试验数据，对复合载荷进行解耦，可模拟并研究材料及制品服役状态下的真实力学行为与变形损伤机制，解决了现在技术存在的费用昂贵、体积大、结构复杂、重量重、测试精度低及兼容性差等问题。本实用新型具有体积小、重量轻、刚度高、结构紧凑、测试精度高、测试模式多样化，并且能够利用电子显微镜等成像***在线监测宏观试件在载荷作用下的微观变形以及损伤断裂过程，可提供的测试内容丰富等特点，对材料的微观变形、损伤及断裂过程实施微观或原位在线监测，为建立材料在接近真实状态下的复合载荷空间耦合模型，解释材料在微观环境下的力学特性和损伤断裂机制提供了一种新的测试装置。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

    便携式拉-弯-扭复合载荷材料力学性能试验机，直流电机Ⅰ1通过电机法兰Ⅰ2与底板Ⅰ28固定连接，一级蜗杆Ⅰ55、一级蜗轮Ⅰ3组成的一级蜗轮蜗杆传动副与二级蜗杆轴Ⅰ4连接，再通过二级蜗杆Ⅰ5与二级蜗轮Ⅰ7组成的二级蜗轮蜗杆传动副连接，然后与精密滚珠丝杠Ⅰ42相连，并进一步通过精密滚珠丝杠螺母副Ⅰ43、螺钉与拉伸支撑板Ⅰ9连接；拉伸支撑板Ⅰ9、力传感器Ⅰ10、拉伸支撑板Ⅱ11与夹头Ⅰ14组成拉伸***，其中拉伸支撑板Ⅰ9通过一对导轨滑块Ⅰ12与底板Ⅰ28连接，拉伸支撑板Ⅰ9通过交叉滚子导轨13与拉伸支撑板Ⅱ11连接，拉伸支撑板Ⅱ11与夹头Ⅰ通过螺钉连接；位移传感器32通过位移传感器支撑座33与底板Ⅰ28连接，位移传感器32的一端紧靠在拉伸支撑板Ⅱ11的一端面处。

直流电机Ⅱ54通过电机法兰Ⅱ49与底板Ⅱ23固定连接，一级蜗杆Ⅱ56与一级蜗轮Ⅱ48组成的一级蜗轮蜗杆传动副与二级蜗杆轴Ⅱ45连接，再通过二级蜗杆Ⅱ46与二级蜗轮Ⅱ47组成的二级蜗轮蜗杆传动副连接，然后与精密滚珠丝杠Ⅱ52相连，并进一步通过精密滚珠丝杠螺母副Ⅱ51与弯曲连接件Ⅲ20相连，弯曲连接件Ⅱ19与弯曲连接件Ⅲ20、弯曲连接件Ⅱ19与弯曲连接件Ⅰ18通过螺钉连接；弯曲连接件Ⅰ18通过螺钉与力传感器Ⅱ17相连，进而通过内螺纹与弯曲压头16相连；弯曲连接件Ⅲ20通过一对导轨滑块Ⅱ22与底板Ⅱ23连接，直线电位器21通过螺钉与导轨滑块Ⅱ22中的一个滑块连接。

直流电机Ⅲ31通过电机法兰Ⅲ30与底板Ⅰ28固定连接，一级蜗杆Ⅲ57与一级蜗轮Ⅲ29组成的一级蜗轮蜗杆传动副与二级蜗杆轴Ⅲ26连接，再通过二级蜗杆Ⅲ27与二级蜗轮Ⅲ24组成的二级蜗轮蜗杆传动副连接，然后与扭矩传感器法兰Ⅱ34通过轴承座***Ⅱ37、轴承盖Ⅱ36连接，扭矩传感器法兰Ⅱ34与扭矩传感器35后端相连；扭矩传感器35前端则通过扭矩传感器法兰Ⅰ38相连，然后通过轴承座***Ⅰ39、轴承盖Ⅰ40与夹头组41连接；轴承座***Ⅰ、Ⅱ37、39与轴承座Ⅰ、Ⅱ36、40以及其与底板Ⅰ28均通过螺钉连接。

所述的底板Ⅰ28与底板Ⅱ23通过螺钉连接。

本实用新型的有益效果在于：与现有技术相比，本实用新型体积小、重量轻、刚度高、结构紧凑、测试精度高、测试模式多样化，可提供的测试内容丰富，可以与各种电子显微镜真空腔体的载物平台相互兼容，亦可与原子力显微镜、光学显微镜等成像设备兼容使用，应用范围广泛，可以对各种材料及制品的宏观试件进行微观环境下的力学测试与原位力学测试，并可实现三种单一载荷加载、多载荷下预载荷加载和多载荷下复合载荷加载等多种加载方式，对材料及其制品在不同加载模式下的微观变形进行动态在线观测，以揭示材料在微纳环境下的力学行为和损伤断裂机制。通过载荷/位移信号的同步检测，结合相关软件算法，可自动拟合生成弯曲载荷作用下的应力应变曲线，建立复合载荷下的耦合模型，并对其进行解耦，实用性强。

综上所述，本实用新型对丰富微观环境下多载荷下预载荷加载测试、微观环境下复合加载测试内容和促进材料力学性能测试技术及装备的发展，具有重要的理论指导意义和良好的应用开发前景。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型的立体结构示意图；

图2为本实用新型的左视示意图；

图3为本实用新型的俯视示意图；

图4为本实用新型的主视示意图；

图5为本实用新型的后视示意图；

图6为本实用新型的另一立体结构示意图；

图7为本实用新型的另一俯视示意图。

图中：1、直流电机Ⅰ；2、电机法兰Ⅰ；3、一级蜗轮Ⅰ；4、二级蜗杆轴Ⅰ；5、二级蜗杆Ⅰ；6、蜗轮蜗杆支座Ⅰ；7、二级蜗轮Ⅰ；8、精密滚珠丝杠支撑座Ⅰ；9、拉伸支撑板Ⅰ；10、力传感器Ⅰ；11、拉伸支撑板Ⅱ；12、导轨滑块Ⅰ；13、交叉滚子导轨；14、夹头Ⅰ；15、试件；16、弯曲压头；17、力传感器Ⅱ；18、弯曲连接件Ⅰ；19、弯曲连接件Ⅱ；20、弯曲连接件Ⅲ；21、直线电位器；22、导轨滑块Ⅱ；23、底板Ⅱ；24、二级蜗轮Ⅲ；25、蜗轮蜗杆支座Ⅲ；26、二级蜗杆轴Ⅲ；27、二级蜗杆Ⅲ；28、底板Ⅰ；29、一级蜗轮Ⅲ；30、电机法兰Ⅲ；31、直流电机Ⅲ；32、位移传感器；33、位移传感器支撑座；34、扭矩传感器法兰Ⅰ；35、扭矩传感器；36、轴承盖Ⅰ；37、轴承座***Ⅰ；38、扭矩传感器法兰Ⅱ；39、轴承座***Ⅱ；40、轴承盖Ⅱ；41、夹头组；42、精密滚珠丝杠Ⅰ；43、精密滚珠丝杠螺母副Ⅰ；44、蜗轮蜗杆支座Ⅱ；45、二级蜗杆轴Ⅱ；46、二级蜗杆Ⅱ；47、二级蜗轮Ⅱ；48、一级蜗轮Ⅱ；49、电机法兰Ⅱ；50、精密滚珠丝杠螺母支撑座Ⅱa；51、精密滚珠丝杠螺母副Ⅱ；52、精密滚珠丝杠Ⅱ；53、精密滚珠丝杠螺母支撑座Ⅱb；54、直流电机Ⅱ；55、一级蜗杆Ⅰ；56、一级蜗杆Ⅱ；57、一级蜗杆Ⅲ。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图7所示，本实用新型的便携式拉-弯-扭复合载荷材料力学性能试验机，包括精密驱动单元、传动及执行单元、信号控制及检测单元，所述的精密驱动单元、传动及执行单元是：直流电机Ⅰ1提供动力输出，然后由一级蜗杆Ⅰ55与一级蜗轮Ⅰ2所组成的一级蜗轮蜗杆传动副与二级蜗杆轴Ⅰ4连接，将动力传至二级蜗杆轴Ⅰ4上，再通过二级蜗杆Ⅰ5与二级蜗轮Ⅰ7组成的二级蜗轮蜗杆传动副连接，将动力传至精密滚珠丝杠Ⅰ42处，并进一步通过精密滚珠丝杠Ⅰ43带动拉伸支撑板Ⅰ9、力传感器Ⅰ10、拉伸支撑板Ⅱ11和夹头Ⅰ14输出精密的直线往复运动。其中，直流电机Ⅰ1通过电机紧固螺钉与电机法兰Ⅰ2紧固连接，电机法兰Ⅰ2通过紧定螺钉直接与底板Ⅰ28固定连接；二级蜗杆轴Ⅰ4通过一对蜗轮蜗杆支座Ⅰ6与底板Ⅰ28固定连接；精密滚珠丝杠支撑座Ⅰ8与精密滚珠丝杠Ⅰ42通过轴承连接，精密滚珠丝杠支撑座Ⅰ8与底板Ⅰ28通过螺钉连接；拉伸支撑板Ⅰ9通过一对导轨滑块Ⅰ12与底板Ⅰ28连接，拉伸支撑板Ⅰ9通过交叉滚子导轨13与拉伸支撑板Ⅱ11连接，拉伸支撑板Ⅱ11与夹头Ⅰ通过螺钉连接。位移传感器32通过位移传感器支撑座33与底板Ⅰ28连接，位移传感器32的一端紧靠在拉伸支撑板Ⅱ11的一端面处。

由直流电机Ⅱ54提供动力输出，然后由一级蜗杆Ⅱ56与一级蜗轮Ⅱ48所组成的一级蜗轮蜗杆传动副与二级蜗杆轴Ⅱ45连接，将动力传至二级蜗杆轴Ⅱ45上，再通过二级蜗杆Ⅱ46与二级蜗轮Ⅱ47所组成的二级蜗轮蜗杆传动副连接，将动力传至精密滚珠丝杠Ⅱ52处，并进一步通过精密滚珠丝杠螺母副Ⅱ51带动弯曲连接件Ⅲ20、弯曲连接件Ⅱ19、弯曲连接件Ⅰ18、力传感器Ⅱ17和弯曲压头16输出精密的直线往复运动。其中，直流电机Ⅱ54通过电机紧固螺钉与电机法兰49紧固连接，电机法兰Ⅱ49通过紧定螺钉直接与底板Ⅱ23固定连接；二级蜗杆轴Ⅱ45通过一对蜗轮蜗杆支座Ⅱ44与底板Ⅱ23固定连接；精密滚珠丝杠支撑座Ⅱa50、精密滚珠丝杠支撑座Ⅱb53分别与精密滚珠丝杠螺母副Ⅱ51中的丝杠两端通过轴承连接，精密滚珠丝杠支撑座Ⅱa50与底板Ⅱ23通过螺钉连接，精密滚珠丝杠支撑座Ⅱb53与底板Ⅱ23通过螺钉连接；弯曲连接件Ⅲ20与弯曲连接件Ⅱ19与弯曲连接件Ⅰ18均通过螺钉连接。弯曲连接件Ⅰ18通过螺钉与力传感器Ⅱ17相连，弯曲压头16与力传感器Ⅱ17通过内螺纹相连。此外，弯曲连接件Ⅲ通过一对导轨滑块Ⅱ22与底板Ⅱ23连接，直线电位器21通过螺钉与导轨滑块Ⅱ22中的一个滑块连接。

由直流电机Ⅲ31提供动力输出，然后由一级蜗杆Ⅲ57与一级蜗轮Ⅲ29所组成的一级蜗轮蜗杆传动副与二级蜗杆轴Ⅲ26连接，将动力传至二级蜗杆轴Ⅲ26上，再通过二级蜗杆Ⅲ27与二级蜗轮Ⅲ24所组成的二级蜗轮蜗杆传动副连接，将动力传至扭矩传感器法兰Ⅱ34处，并进一步带动扭矩传感器35、夹头组41输出精密的旋转运动。其中，直流电机Ⅲ31通过电机紧固螺钉与电机法兰Ⅲ30紧固连接，电机法兰Ⅲ30通过紧定螺钉直接与底板Ⅰ28固定连接；二级蜗杆轴Ⅲ26通过一对蜗轮蜗杆支座Ⅲ25与底板Ⅰ28固定连接；扭矩传感器法兰Ⅱ34通过轴承座***Ⅱ37、轴承盖Ⅱ36连接，扭矩传感器法兰Ⅱ34与扭矩传感器35后端相连。扭矩传感器35前端则通过扭矩传感器法兰Ⅰ38相连，然后通过轴承座***Ⅰ39、轴承盖Ⅰ40与夹头组41连接。轴承座***Ⅰ、Ⅱ37、39与轴承座Ⅰ、Ⅱ36、40以及其与底板Ⅰ28均通过螺钉连接。

所述的信号控制及检测单元包括信号控制及检测单元包括力传感器Ⅰ10与位移传感器32、力传感器Ⅱ17与直线电位器21以及扭矩传感器35。可以针对直流电机Ⅰ1的脉冲/方向控制模式提供包括位移速率控制、力速率控制、变形速率控制在内的三种数字/模拟反馈信号源；可以针对直流电机Ⅱ54的脉冲/方向控制模式提供包括位移速率控制、力速率控制、变形速率控制在内的三种数字/模拟反馈信号源；可以针对直流电机Ⅲ31的脉冲/方向控制模式提供包括转角速率控制、扭矩速率控制、变形速率控制在内的三种数字/模拟反馈信号源。

所述的底板Ⅰ28与底板Ⅱ23通过螺钉连接。所述的试件15一端置于夹头Ⅰ14与拉伸支撑板Ⅱ11之间，三者上均有统一型号的螺纹孔，通过螺钉固定，而另一端置于夹头组41之间，夹头组上、下两部分与试件15三者上均有同一型号的螺纹孔，通过螺钉固定。

以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡对本实用新型所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种便携式拉-弯-扭复合载荷材料力学性能试验机，其特征在于：直流电机Ⅰ（1）通过电机法兰Ⅰ（2）与底板Ⅰ（28）固定连接，一级蜗杆Ⅰ（55）、一级蜗轮Ⅰ（3）组成的一级蜗轮蜗杆传动副与二级蜗杆轴Ⅰ（4）连接，再通过二级蜗杆Ⅰ（5）与二级蜗轮Ⅰ（7）组成的二级蜗轮蜗杆传动副连接，然后与精密滚珠丝杠Ⅰ（42）相连，并进一步通过精密滚珠丝杠螺母副Ⅰ（43）、螺钉与拉伸支撑板Ⅰ（9）连接；拉伸支撑板Ⅰ（9）、力传感器Ⅰ（10）、拉伸支撑板Ⅱ（11）与夹头Ⅰ（14）组成拉伸***，其中拉伸支撑板Ⅰ（9）通过一对导轨滑块Ⅰ（12）与底板Ⅰ（28）连接，拉伸支撑板Ⅰ（9）通过交叉滚子导轨（13）与拉伸支撑板Ⅱ（11）连接，拉伸支撑板Ⅱ（11）与夹头Ⅰ通过螺钉连接；位移传感器（32）通过位移传感器支撑座（33）与底板Ⅰ（28）连接，位移传感器（32）的一端紧靠在拉伸支撑板Ⅱ（11）的一端面处；

直流电机Ⅱ（54）通过电机法兰Ⅱ（49）与底板Ⅱ（23）固定连接，一级蜗杆Ⅱ（56）与一级蜗轮Ⅱ（48）组成的一级蜗轮蜗杆传动副与二级蜗杆轴Ⅱ（45）连接，再通过二级蜗杆Ⅱ（46）与二级蜗轮Ⅱ（47）组成的二级蜗轮蜗杆传动副连接，然后与精密滚珠丝杠Ⅱ（52）相连，并进一步通过精密滚珠丝杠螺母副Ⅱ（51）与弯曲连接件Ⅲ（20）相连，弯曲连接件Ⅱ（19）与弯曲连接件Ⅲ（20）、弯曲连接件Ⅱ（19）与弯曲连接件Ⅰ（18）通过螺钉连接；弯曲连接件Ⅰ（18）通过螺钉与力传感器Ⅱ（17）相连，进而通过内螺纹与弯曲压头（16）相连；弯曲连接件Ⅲ（20）通过一对导轨滑块Ⅱ（22）与底板Ⅱ（23）连接，直线电位器（21）通过螺钉与导轨滑块Ⅱ（22）中的一个滑块连接；

直流电机Ⅲ（31）通过电机法兰Ⅲ（30）与底板Ⅰ（28）固定连接，一级蜗杆Ⅲ（57）与一级蜗轮Ⅲ（29）组成的一级蜗轮蜗杆传动副与二级蜗杆轴Ⅲ（26）连接，再通过二级蜗杆Ⅲ（27）与二级蜗轮Ⅲ（24）组成的二级蜗轮蜗杆传动副连接，然后与扭矩传感器法兰Ⅱ（34）通过轴承座***Ⅱ（37）、轴承盖Ⅱ（36）连接，扭矩传感器法兰Ⅱ（34）与扭矩传感器（35）后端相连；扭矩传感器（35）前端则通过扭矩传感器法兰Ⅰ（38）相连，然后通过轴承座***Ⅰ（39）、轴承盖Ⅰ（40）与夹头组（41）连接；轴承座***Ⅰ、Ⅱ（37、39）与轴承座Ⅰ、Ⅱ（36、40）以及其与底板Ⅰ（28）均通过螺钉连接。

2.根据权利要求1所述的便携式拉-弯-扭复合载荷材料力学性能试验机，其特征在于：所述的底板Ⅰ（28）与底板Ⅱ（23）通过螺钉连接。