專利名稱：一種在材料拉扭試驗(yàn)中測(cè)量雙軸應(yīng)變的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料力學(xué)性能測(cè)試手段，特別涉及一種在材料拉扭力學(xué)性能測(cè)試中，用于測(cè)量試樣的軸向應(yīng)變和扭轉(zhuǎn)應(yīng)變的裝置和方法。
背景技術(shù)：
單軸拉伸、壓縮、以及彎曲、扭轉(zhuǎn)等試驗(yàn)是固體材料力學(xué)性能測(cè)試中常用的幾種測(cè)試手段。而實(shí)際工程中，材料的服役環(huán)境往往是拉應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力耦合的狀態(tài)。早期的力學(xué)試驗(yàn)為簡(jiǎn)化力學(xué)分析，往往傾向于分別進(jìn)行單純的拉伸試驗(yàn)或者扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)。隨著力學(xué)基礎(chǔ)研究的進(jìn)展以及測(cè)試手段的改進(jìn)完善，拉、扭組合試驗(yàn)開始逐漸多起來。和單軸拉伸等試驗(yàn)一樣，拉扭組合試驗(yàn)的核心是獲得拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線以及扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力-切應(yīng)變關(guān)系曲線。對(duì)試驗(yàn)機(jī)來說，這涉及到4個(gè)物理量的測(cè)量:軸向拉力、拉伸變形以及扭矩、扭轉(zhuǎn)變形。對(duì)于宏觀尺度的拉扭試驗(yàn)來說，軸向拉力和扭轉(zhuǎn)的扭矩可以很方便地通過拉扭雙軸載荷傳感器直接測(cè)出，而拉伸變形和扭轉(zhuǎn)變形的測(cè)量則相對(duì)困難。因?yàn)橛?jì)算拉伸應(yīng)變所需要的是試樣標(biāo)距段的拉伸變形，計(jì)算扭轉(zhuǎn)切應(yīng)變所需要的是試樣標(biāo)距段的扭轉(zhuǎn)變形，而試驗(yàn)機(jī)本身的位移傳感器以及角度傳感器測(cè)出的位移和扭轉(zhuǎn)角包含了機(jī)架變形，不能直接用于計(jì)算拉伸應(yīng)變和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)變。為解決以上問題，試驗(yàn)機(jī)廠商仿照單軸拉伸試驗(yàn)，采用拉扭雙軸引伸計(jì)用于測(cè)量拉伸應(yīng)變和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)變。該種引伸計(jì)通過4根附著在試樣外表面的針探測(cè)試樣的扭轉(zhuǎn)變形。試樣扭轉(zhuǎn)過程中，4根針的相對(duì)位置發(fā)生變化，這些變化傳遞給引伸計(jì)內(nèi)部的應(yīng)變片，應(yīng)變片的變形被轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后通過嚴(yán)格的幾何參數(shù)換算成拉伸應(yīng)變和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)變。這種傳感器實(shí)際測(cè)量的是直線位移變化，計(jì)算過程對(duì)試樣尺寸和安裝尺寸有嚴(yán)格要求(甚至對(duì)加工誤差都做出了嚴(yán)格限定)，角度量程也很小，并且造價(jià)昂貴。而目前很多試樣在尺寸加工上很難滿足商業(yè)引伸計(jì)要求，并且所需的扭轉(zhuǎn)角也較大，試驗(yàn)過程中會(huì)因?yàn)樵嚇右馔鈹嗔讯鴵p壞引伸計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)便的在材料拉扭試驗(yàn)中測(cè)量雙軸應(yīng)變的裝置和方法，采用材料試驗(yàn)機(jī)上常用的COD位移傳感器(下文簡(jiǎn)稱C0D)測(cè)量試樣軸向變形和扭轉(zhuǎn)角，通過簡(jiǎn)單計(jì)算轉(zhuǎn)化成軸向應(yīng)變和扭轉(zhuǎn)應(yīng)變，不僅放寬了對(duì)試樣尺寸的限制，而且增大了角度量程，試驗(yàn)過程中即使出現(xiàn)意外也不會(huì)損壞傳感器。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的一種在材料拉扭試驗(yàn)中測(cè)量雙軸應(yīng)變的裝置:第一支架，固定在被測(cè)試樣上，用于安裝縱向C0D，所述縱向COD用于測(cè)量被測(cè)試樣在被拉伸過程中產(chǎn)生的軸向變形；第二支架，固定在所述被測(cè)試樣上，用于安裝橫向C0D，所述橫向COD用于測(cè)量被測(cè)試樣在被扭轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形。優(yōu)選地，所述第一支架包括:用于固定在所述被測(cè)試樣上的下支撐架，所述下支撐架上設(shè)置有用于固連所述縱向COD —個(gè)臂的縱向COD固定刀口和用于抵靠所述橫向COD —個(gè)臂的橫向COD活動(dòng)刀口。優(yōu)選地，所述第二支架包括:用于固定在所述被測(cè)試樣上的上支撐架，所述上支撐架上設(shè)置有用于固連所述橫向COD另一個(gè)臂的橫向COD固定刀口和用于抵靠所述縱向COD另一個(gè)臂的縱向COD活動(dòng)刀口。本發(fā)明提供的一種在材料拉扭試驗(yàn)中測(cè)量雙軸應(yīng)變的方法包括:I)在被測(cè)試樣上固定第一支架，用于安裝縱向C0D，該縱向COD測(cè)量被測(cè)試樣在被拉伸過程中產(chǎn)生的軸向變形；2)在被測(cè)試樣上固定第二支架，用于固定橫向C0D，所述橫向COD用于測(cè)量被測(cè)試樣在被扭轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形；3)根據(jù)縱向COD和橫向COD記錄的位移變化，換算成軸向拉伸應(yīng)變和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)變。優(yōu)選地，所述第一支架包括:用于固定在所述被測(cè)試樣上的下支撐架，所述下支撐架上設(shè)置有用于固連所述縱向COD —個(gè)臂的縱向COD固定刀口和用于抵靠所述橫向COD —個(gè)臂的橫向COD活動(dòng)刀口。優(yōu)選地，所述第二支架包括:用于固定在所述被測(cè)試樣上的上支撐架，所述上支撐架上設(shè)置有用于固連所述橫向COD另一個(gè)臂的橫向COD固定刀口和用于抵靠所述縱向COD另一個(gè)臂的縱向COD活動(dòng)刀口。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)如下:1.該裝置可適用于多種直徑的試樣，對(duì)試樣直徑?jīng)]有嚴(yán)格限制。例如本實(shí)施例中試樣直徑IOmm至15mm均可。2.由于COD測(cè)量的是傳感器支架刀口的位移，和使用直接安裝在試樣圓周上的拉扭雙軸引伸計(jì)相比，在傳感器測(cè)量的位移變化量相同的情況下，對(duì)應(yīng)的角度要小很多，即角度分辨率明顯提升；3.由于COD的量程遠(yuǎn)大于拉扭雙軸引伸計(jì)，因此本發(fā)明提供的測(cè)量方法擴(kuò)大了角度量程。例如，實(shí)施例中COD量程5_，可測(cè)扭轉(zhuǎn)角大于10度。4.扭轉(zhuǎn)過程中如試樣扭轉(zhuǎn)角過大或試樣中途意外斷裂，COD傳感器不會(huì)受損。


圖1為本發(fā)明提供的雙軸應(yīng)變測(cè)量裝置安裝結(jié)構(gòu)圖；圖2為軸向拉伸應(yīng)變計(jì)算原理圖；圖3為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)變計(jì)算原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明:圖1所示的是本發(fā)明提供的雙軸應(yīng)變測(cè)量裝置安裝結(jié)構(gòu)圖，包括:被測(cè)試樣1，下支撐架9，上支撐架5，縱向COD固定刀口 2，縱向COD活動(dòng)刀口 4，縱向C0D3，橫向C0D7，橫向COD固定刀口 8，橫向COD活動(dòng)刀口 6。上支撐架5和下支撐架9采用螺紋緊固方式被安裝在被測(cè)試樣I上。下支撐架9的一端固連有縱向COD固定刀口 2，縱向C0D3的一個(gè)臂固定在縱向C0D3固定刀口 2上，另一個(gè)臂和縱向COD活動(dòng)刀口 4接觸，縱向COD活動(dòng)刀口 4固連在上支撐架5上。下支撐架9的另一端固連有橫向COD固定刀口 8，橫向C0D7的一個(gè)臂和橫向COD固定刀口 8固連，另一個(gè)臂和橫向COD活動(dòng)刀口 6接觸，橫向COD活動(dòng)刀口 6固連在上支撐架5上。當(dāng)被測(cè)試樣I發(fā)生拉伸和扭轉(zhuǎn)變形時(shí)，上、下支撐架之間的距離隨著試樣拉伸而變長(zhǎng)，同時(shí)隨著試樣扭轉(zhuǎn)變形而造成上下支撐架圍繞試樣軸線發(fā)生旋轉(zhuǎn)。拉伸產(chǎn)生的軸向伸長(zhǎng)被轉(zhuǎn)化為縱向COD固定刀口 2和縱向COD活動(dòng)刀口 4之間的位移變化，被縱向C0D3記錄下來，進(jìn)而可換算成軸向拉伸應(yīng)變。扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角變化被轉(zhuǎn)化成橫向COD活動(dòng)刀口 6和橫向COD固定刀口 8之間的位移變化，被橫向C0D7記錄下來，進(jìn)而可換算成扭轉(zhuǎn)切應(yīng)變。根據(jù)縱向C0D3和橫向C0D7記錄的位移變化，可以換算出軸向拉伸應(yīng)變和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)變，具體步驟如下:(I)用縱向C0D3的位移信號(hào)換算成軸向應(yīng)變:
權(quán)利要求
1.一種在材料拉扭試驗(yàn)中測(cè)量雙軸應(yīng)變的裝置，其特征在于，包括: 第一支架，固定在被測(cè)試樣上，用于安裝縱向COD，所述縱向COD用于測(cè)量被測(cè)試樣在被拉伸過程中產(chǎn)生的軸向變形； 第二支架，固定在所述被測(cè)試樣上，用于安裝橫向C0D，所述橫向COD用于測(cè)量被測(cè)試樣在被扭轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一支架包括:用于固定在所述被測(cè)試樣上的下支撐架，所述下支撐架上設(shè)置有用于固連所述縱向COD—個(gè)臂的縱向COD固定刀口和用于抵靠所述橫向COD —個(gè)臂的橫向COD活動(dòng)刀口。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第二支架包括:用于固定在所述被測(cè)試樣上的上支撐架，所述上支撐架上設(shè)置有用于固連所述橫向COD另一個(gè)臂的橫向COD固定刀口和用于抵靠所述縱向COD另一個(gè)臂的縱向COD活動(dòng)刀口。
4.一種在材料拉扭試驗(yàn)中測(cè)量雙軸應(yīng)變的方法，其特征在于，包括: 1)在被測(cè)試樣上固定第一支架，用于安裝縱向C0D，該縱向COD測(cè)量被測(cè)試樣在被拉伸過程中產(chǎn)生的軸向變形； 2)在被測(cè)試樣上固定第二支架，用于固定橫向C0D，所述橫向COD用于測(cè)量被測(cè)試樣在被扭轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形； 3)根據(jù)縱向COD和橫向COD記錄的位移變化，換算成軸向拉伸應(yīng)變和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)變。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一支架包括:用于固定在所述被測(cè)試樣上的下支撐架，所述下支撐架上設(shè)置有用于固連所述縱向COD —個(gè)臂的縱向COD固定刀口和用于抵靠所述橫向COD —個(gè)臂的橫向COD活動(dòng)刀口。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二支架包括:用于固定在所述被測(cè)試樣上的上支撐架，所述上支撐架上設(shè)置有用于固連所述橫向COD另一個(gè)臂的橫向COD固定刀口和用于抵靠所述縱向COD另一個(gè)臂的縱向COD活動(dòng)刀口。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在材料拉扭試驗(yàn)中測(cè)量雙軸應(yīng)變的裝置和方法，裝置包括第一支架，固定在被測(cè)試樣上，用于安裝縱向COD，所述縱向COD用于測(cè)量被測(cè)試樣在被拉伸過程中產(chǎn)生的軸向變形；第二支架，固定在所述被測(cè)試樣上，用于安裝橫向COD，所述橫向COD用于測(cè)量被測(cè)試樣在被扭轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形。本發(fā)明不僅放寬了對(duì)試樣尺寸的限制，而且增大了角度量程，試驗(yàn)過程中即使出現(xiàn)意外也不會(huì)損壞傳感器。
文檔編號(hào)G01B21/32GK103115603SQ201310027450
公開日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月24日
發(fā)明者郇勇, 代玉靜, 邵亞琪, 張?zhí)┤A 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所