专利名称：一种能够均匀施加轴向压缩和剪切载荷的试验装置的制作方法
技术领域：
本发明属于航空强度测试技术领域，特别是涉及到一种能够均匀施加轴向压缩和剪切载荷的试验装置。
背景技术：
平板和加筋平板是航空航天飞行器和水面舰艇等结构中典型的受力构件，它们大多处于压缩和剪切复合受力状态，这类结构件在压剪复合下的稳定性和强度是结构力学中非常重要的研究课题，特别对于现代飞行器大多采用的加筋薄壁结构在复杂载荷下的稳定性和强度的研究，所以急需在实验室中实现这种复合载荷的加载，以便对设计的结构件的稳定性和强度进行验证，也可以为以后进行结构优化和改进提供依据。以往对于这类结构件实现压剪复合加载比较困难，比较常用的方法是采用通过加筋壁板和纵墙等结构件组合而成的盒式结构(简称“盒段”)来实现，对盒段施加弯扭载荷从而使上下壁板受到“压剪”和“拉剪”复合载荷，但是这种方法的盒段制造成本和试验成本都很高，进行大量的试验将耗资巨大。为了节约成本从而可以对平板和加筋平板的稳定性和材料强度进行广泛的试验研究，已经开发了几个试验装置来进行这种“压剪”和“拉剪”复合载荷的施加。专利号为89102131的专利公开了一种在普通压力试验机上以单一轴向压力实现对矩形板压剪复合加载的方法及试验装置，这种装置通过普通压力试验机施加的轴向压缩载荷中心和剪切载荷中心是共面的，所以该装置只适用于平板，但是对于加筋平板，轴向压缩载荷中心和剪切载荷中心并不共面，以上试验装置则不再适用。而且以上装置采用的“侧加载块”存在“边框效应”，所谓“边框效应”是指加筋平板的四边在安装上“侧加载块”之后，在承受轴向压缩载荷时，“侧加载块”加强了试验件的边界，使得轴向压力的一部分被加载块平衡，严重影响轴压载荷的加载效果，实际试验中这种“边框效应”比较明显。另外当压缩载荷与剪切载荷的比例需要改变时，则必须更换部分夹具，试验安装技术要求非常高，安装使用不方便。专利号为200510038803. 7的专利公开了一种拉剪压剪复合加载试验装置，该装置与以上装置类似，也是通过普通试验机实现复合载荷的施加的，所以在进行压剪试验时同样不适用于加筋平板，而且该装置中采用的“剪切与拉压加载夹板”同样存在边框效应，并且其压剪加载的具体实施方式
也是有疑问的。
发明内容
发明目的本发明提供了一种能够均匀施加轴向压缩载荷和剪切载荷的试验装置，该装置既适用于平板，又适用于加筋平板。技术方案一种能够均匀施加轴向压缩载荷和剪切载荷的试验装置，包括剪切载荷施加组件1、轴向压缩载荷施加组件2、下平台组件3以及加筋平板组件4 ；所述剪切载荷施加组件I包括转动平台101、固定在转动平台101上的左立柱组合件102和右立柱组合件103、上横梁104、以及固定在转动平台101上的调平装置105，转动平台101与下平台组合件3通过大转轴301连接；所述左立柱组合件102和右立柱组合件103设置有数量相等的均载器102b，均载器102b在左立柱组件102和右立柱组件103上形成相反的力传递方向；所述左立柱组件102上还设置有剪切作动筒102g以及与其相连接的横向载荷传感器102h，与剪切作动筒102g相铰接的后置双耳102i固定在左立柱102a上，前置双耳102j与横向载荷传感器102h采用螺纹连接。所述轴向压缩载荷施加组件2包括轴压作动筒201、与轴压作动筒201连接的纵向载荷传感器202、与纵向载荷传感器202相连接的球形压头203、球形槽底座204、球形盖板205、以及压缩平台206，轴向压缩载荷施加组件2固定在剪切载荷施加组件I的上横梁104上；所述下平台组件3包括大转轴301、支持单耳302、支持平台303、支持角形件304、以及下平台305，支持单耳302与支持平台303都固定在下平台305上，支持角形件304的作用是将加筋平板组件4固定在支持平台303上，并传递剪切载荷；所述加筋平板组件4包括加筋平板401、加强片402布置在加筋平板401的左右两边，上下加强片402之间留有间隙，加载轴403与加强片402的中心孔益采用过渡配合以保证剪切载荷传递的均匀性，双拉板404与加筋平板401采用单排螺栓连接，双拉板404使得剪切载荷中心与加筋平板蒙皮厚度方向的中心面保持一致。所述均载器102b的后端与后双耳102c铰接，后双耳102c固定在左立柱102a和右立柱103a上，另一端与前双耳102d固定，前双耳与三角杠杆102e铰接，小转轴102f固定在左立柱102a和右立柱103a上，三角杠杆102e可以绕小转轴102f转动。有益效果本发明提供了一种能够均匀施加轴向压缩载荷和剪切载荷的试验装置。该装置所采用的压缩载荷与剪切载荷分开加载的技术使得该装置既适用于平板，又适用于加筋平板，而且该装置能够在加筋平板安装姿态不变的情况下实现单一轴向压缩载荷与单一剪切载荷的试验调试，从而可以为压剪载荷联合作用下壁板的应力状态分析提供参考。由此而知，该装置具备单独进行轴向压缩试验和单独进行纯剪切试验的能力，而且安装方便、一步到位。该装置应用整体框架的自平衡原理并且采用“均载器”来施加剪力，使剪力的施加更加均匀，在不需更换夹具的情况下只需调整纵向作动筒和横向作动筒的加载比例就可以实现任意压剪比例的加载，采用的分段式剪切加强块不会增加加筋平板的轴向刚度，不影响压缩载荷的施加效果，不存在“边框效应”。
图1为本发明整体结构示意图；图2为剪切载荷施加组件结构示意图；图3左立柱组件内部结构图；图4右立柱组件内部结构图；图5为轴向压缩载荷施加组件结构示意图；图6为下平台组件结构示意图；图7为加筋平板组件结构示意图；图8为剪切载荷施加组件受力状态示意图；图9为加筋平板受力状态示意图10均载器受力状态示意图；图11加筋平板剪切角变形示意图；图12为剪切载荷施加组件转动方式示意图；图13为压缩载荷中心与剪切载荷中心位置示意图；图14为剪切载荷中心与下平台中心俯视图。图15为上横梁移动方向示意图。其中，1-剪切载荷施加组件2-轴向压缩载荷施加组件3-下平台组件4-加筋平板组件101-转动平台102-左立柱组件102a-左立柱102b-均载器102c_后双耳102d-前双耳102e-三角杠杆102f-小转轴102g-剪切作动筒102h_横向载荷传感器1021-后置双耳，102j-前置双耳103右立柱组件103a-右立柱104-上横梁105-调平装置201-轴压作动筒202-纵向载荷传感器203-球形压头204-球形槽底座205-球形盖板206-压缩平台301-大转轴302-支持单耳303-支持平台，304-支持角形件305-下平台401-加筋平板402-加强片403-加载轴404-双拉板
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步详细描述，请参阅图1至图15。一种能够均匀施加轴向压缩载荷和剪切载荷的试验装置，如图1所示，包括剪切载荷施加组件1、轴向压缩载荷施加组件2、下平台组件3以及加筋平板组件4。如图2所示,所述剪切载荷施加组件I包括转动平台101、固定在转动平台101上的左立柱组合件102和右立柱组合件103、上横梁104、以及固定在转动平台101上的调平装置105，转动平台101与下平台组合件3通过大转轴301连接；如图3、图4所示，为了使内部结构的布置清晰可见，隐藏了左102a与右立柱103a的部分结构。所述左立柱组合件102和右立柱组合件103设置有数量相等的均载器102b，均载器102b的后端与后双耳102c铰接，后双耳102c固定在左立柱102a和右立柱103a上，另一端与前双耳102d固定，前双耳102d与三角杠杆102e铰接，小转轴102f固定在左立柱102a/右立柱103a上，三角杠杆102e可以绕小转轴102f转动，均载器102b在左立柱组件102和右立柱组件103上形成相反的力传递方向；所述左立柱组件102上还设置有剪切作动筒102g以及与其相连接的横向载荷传感器102h，与剪切作动筒102g相铰接的后置双耳102i固定在左立柱102a上，前置双耳102 j与横向载荷传感器102h采用螺纹连接。剪力的施加应用了框架的自平衡原理来实现，如图8、图9所示，剪切载荷施加组件I与加筋平板组件4采用销钉连接。加载时，左立柱组件102中的剪切作动筒102g通过双拉板404将拉力F1施加在加筋平板401的上端头，由于力的作用是相互的，剪切载荷施加组件I也受到与拉力F1大小相等、方向相反的拉力F/,剪切载荷施加组件I可以绕大转轴301转动，拉力F/所产生的转矩使剪切载荷施加组件I产生向右侧转动的趋势，左/右立柱组件102/103中的三角杠杆102e与加筋平板组件4中的加载轴403之间是接触配合，剪切载荷施加组件I产生转动趋势后三角杠杆102e压紧加载轴403，为了平衡由于力F/所产生的转矩，左/右立柱组件102/103将会受到一对力偶F/的作用来平衡力F/所产生的转矩，由力的反作用原理可知加筋平板401的左右两个边将分别受到大小相等方向相反的力F2的作用，由于加筋平板401底边固定在下平台组件3上，根据力的平衡原理可知，必然有与拉力F1大小相等，方向相反的力通过加筋平板401的底边。如图8所示，剪切载荷施加组件I可以绕大转轴301转动，大转轴301的中心与加筋平板401底边剪力中心线相重合。假设加筋平板401所受拉力F1的力臂为L1，左右两边所受F2的力臂为L2,由力矩的平衡原理可得到以下等式=F1XL1=F2XLy对于加筋平板401而言，上下两个剪切边的剪流为F1Zl2,左右两个剪切边的剪流为F2Zl1，根据以上等式可推出F1Zl2=F2Zl1,即加筋平板401的四个剪切边的剪流都相等。如图9、图10所示，剪切载荷施加的另一方面是均载器102b的使用，图9中为了使内部结构清晰可见，略去了左立柱102a、右立柱103a、以及转动平台101。如图10，三角杠杆102e可以绕小转轴102f转动，将加载轴403的竖直方向反力转换为均载器102a活塞杆运动方向压力，均载器102b是多个并联，所有均载器102b的后油腔分别并联在一个油路上，当活塞杆受压油腔内产生压力时，并联的作用是可以使每个均载器102b后油腔内的压力一致，使各个均载器102b的加载点载荷相对误差减小，从而可以使剪切载荷的施加更加均匀。左立柱102a和右立柱103a的侧面都需开孔用以满足均载器102b与剪切作动筒102g的油管接入预留空间的要求。施加剪切载荷也可以用均载器102b主动加载，原理与以上相同。只需要将左立柱组件102上的剪切作动筒102g换成足够强度的螺杆即可。如图5所示,所述轴向压缩载荷施加组件2包括轴压作动筒201、与轴压作动筒201连接的纵向载荷传感器202、与载荷传感器202相连接的球形压头203、球形槽底座204、球形盖板205、以及压缩平台206，轴向压缩载荷施加组件2固定在剪切载荷施加组件I的上横梁104上；轴压载荷的施加实施方式见图5，轴压作动筒201提供的轴向压力通过纵向载荷传感器3及球形压头203作用到与之相配合的球形槽底座204上，球形槽底座204固定在压缩平台206上，压缩平台204要有足够的厚度才能将轴压作动筒201施加的集中载荷扩散均匀，作用在加筋平板401上。球形槽底座204内是一个半球形凹槽，它与球形压头203构成了一个球面副，具有三个方向的自由度。球形槽底座204与压缩平台206的重量由球形盖板205上的四个螺钉支撑，球形盖板205内部也是一个局部球形凹槽，为了保证球形压头203与球形盖板205和球形槽底座204之间紧密接触且活动自如，其较高的加工精度是必不可少的，并需要在球形槽底座204的内部灌注润滑油脂。球形压头203与球形槽底座204的另外一个作用是当加筋平板401受到剪切载荷的作用而产生角变形时(见图11)，剪切载荷施加组件I绕大转轴301转动，由于轴压作动筒201固定于上横梁104中心位置，上横梁104的中心又与转动中心重合，所以不论剪切载荷施加组件I转了多少角度，轴向载荷P的加载中心始终指向转动中心，如图12。球形压头203与球形槽底座204是球面接触，受压剪复合载荷状态下的加筋平板401的受压上端面始终保持水平姿态，当加筋平板401产生角变形时，压缩平台206将继续保持水平姿态，不受剪切载荷施加组件I转动的影响，球形压头203将随剪切载荷施加组件I 一并绕大转轴301转动相同的角度。如图6所示，所述下平台组件3包括大转轴301、支持单耳302、支持平台303、支持角形件304、以及下平台305，支持单耳302与支持平台303都固定在下平台305上，支持角形件304的作用是将加筋矩形平板组件4固定在支持平台303上，并传递剪切载荷。如图7所示，所述加筋矩形平板组件4包括加筋矩形平板401、加强片402固定在加筋矩形平板401的左右两边，加载轴403与加强片402的中心孔益采用过渡配合、以保证剪切载荷传递的均匀性，双拉板404与加筋矩形平板采用单排螺栓连接，双拉板404的设计应使得剪切载荷中心与加筋矩形平板蒙皮厚度方向的中心面保持一致。加筋矩形平板401的轴向压缩载荷加载中心在蒙皮/长桁压心位置，剪切载荷加载中心位于蒙皮厚度方向中心面位置，两者不共面，如图13。本装置将左立柱组合件102上的剪切作动筒102g的加载中心、左/右立柱组合件102/103上的均载器102b的加载中心与支持平台303的中心面重合，如图14所示。安装时，将加筋平板的蒙皮中心准确的安装到支持平台中心上，必须确保剪切载荷通过蒙皮中心。如前所述，加筋平板401的压心与剪心不共面，在确定剪心位置后，需要针对加筋平板401筋条(也可称为“长桁”)高度的不同对轴向压缩载荷加载中心做出调整，调整通过移动轴压作动筒201来实现，如图13，由于轴压作动筒201固定在上横梁104上，上横梁104连接在左/右立柱102a/103a上，故可以利用上横梁104上的槽型孔调整上横梁104与立柱的相对位置，从而实现加载中心的调整，如图15。在进行含有剪切载荷工况的试验时，需要调平剪切载荷施加组件I，调平工作利用调平装置105进行，摇动调平装置105上的手轮来实现剪切载荷施加组件I的正时针或逆时针旋转，待调整至水平状态后需要给左立柱组合件102和右立柱组合件103进行配重，使其重量相等，配重后旋起调平装置105，使横向载荷传感器102h上没有初始载荷，剪切载荷施加组件I只受大转轴301的支撑而保持平衡。因为本装置产用了轴压和剪切载荷分开加载的方式进行，因此本装置既可以实现单独施加轴压或剪切载荷，又可以联合施加轴压/剪切载荷，采用加强片402等间距分开布置在加筋平板401上，轴向压缩载荷的施加不受影响，使加载不存在边框效应，可以实现任意压剪比例载荷的加载，适用于任何长桁高度的加筋平板。
权利要求
1.一种能够均匀施加轴向压缩载荷和剪切载荷的试验装置，其特征在于，包括剪切载荷施加组件[I]、轴向压缩载荷施加组件[2]、下平台组件[3]以及加筋平板组件[4]； 所述剪切载荷施加组件[I]包括转动平台[101]、固定在转动平台[101]上的左立柱组合件[102]和右立柱组合件[103]、上横梁[104]、以及固定在转动平台[101]上的调平装置[105]，转动平台[101]与下平台组合件[3]通过大转轴[301]连接；所述左立柱组合件[102]和右立柱组合件[103]设置有数量相等的均载器[102b]，均载器[102b]在左立柱组件[102]和右立柱组件[103]上形成相反的力传递方向；所述左立柱组件[102]上还设置有剪切作动筒[102g]以及与其相连接的横向载荷传感器[102h]，与剪切作动筒[102g]相铰接的后置双耳[102i]固定在左立柱[102a]上，前置双耳[102j]与横向载荷传感器[102h]采用螺纹连接； 所述轴向压缩载荷施加组件[2]包括轴压作动筒[201]、与轴压作动筒[201]连接的纵向载荷传感器[202]、与纵向载荷传感器[202]相连接的球形压头[203]、球形槽底座[204]、球形盖板[205]、以及压缩平台[206]，轴向压缩载荷施加组件[2]固定在剪切载荷施加组件[I]的上横梁[104]上； 所述下平台组件[3]包括大转轴[301]、支持单耳[302]、支持平台[303]、支持角形件[304]、以及下平台[305]，支持单耳[302]与支持平台[303]都固定在下平台[305]上，支持角形件[304]的作用是将加筋平板组件[4]固定在支持平台[303]上，并传递剪切载荷；所述加筋平板组件[4]包括加筋平板[401]、加强片[402]布置在加筋平板[401]的左右两边，上下加强片[402]之间留有间隙，加载轴[403]与加强片[402]的中心孔益采用过渡配合以保证剪切载荷传递的均匀性，双拉板[404]与加筋平板[401]采用单排螺栓连接，双拉板[404]使得剪切载荷中心与加筋平板蒙皮厚度方向的中心面保持一致。
2.根据权利要求1所述的一种能够均匀施加轴向压缩和剪切载荷的试验装置，其特征在于，所述均载器[102b]的后端与后双耳[102c]绞接，后双耳[102c]固定在左立柱[102a]和右立柱[103a]上，另一端与前双耳[102d]固定，前双耳与三角杠杆[102e]铰接，小转轴[102f]固定在左立柱[102a]和右立柱[103a]上，三角杠杆[102e]可以绕小转轴[102f]转动。
全文摘要
本发明属于航空强度测试技术领域，特别是涉及一种能够均匀施加轴向压缩和剪切载荷的试验装置，包括剪切载荷施加组件1、轴向压缩载荷施加组件2、下平台组件3以及加筋平板组件4。本装置所采用的压缩载荷与剪切载荷分开加载的技术使得该装置既适用于平板，又适用于加筋平板，而且该装置能够在加筋平板安装姿态不变的情况下实现单一轴向压缩载荷与单一剪切载荷的试验调试，从而可以为压剪载荷联合作用下壁板的应力状态分析提供参考。该装置应用整体框架的自平衡原理并且采用“均载器”来施加剪力，使剪力的施加更加均匀，采用的分段式剪切加强块不会增加加筋平板的轴向刚度，不影响压缩载荷的施加效果，不存在“边框效应”。
文档编号G01N3/24GK103033418SQ20121052861
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月10日 优先权日2012年12月10日
发明者柴亚南, 李崇, 王力立, 刘国强 申请人:中国飞机强度研究所