弯曲疲劳测试仪器及测试系统的制作方法

本实用新型涉及力学性能测试技术领域，具体而言，涉及一种弯曲疲劳测试仪器及测试系统。

背景技术：

材料疲劳测试是利用金属试样或模拟机件在各种环境下，经受交变载荷循环作用而测定其疲劳性能判据，并研究其断裂过程、评定材料、零部件或整机的疲劳强度及疲劳寿命的试验。金属疲劳试验种类很多，通常可分为高周疲劳、低周疲劳、热疲劳、冲击疲劳、腐蚀疲劳、接触疲劳、真空疲劳、高温疲劳、常温疲劳、低温疲劳、旋转弯曲疲劳、平面弯曲疲劳、轴向加载疲劳、扭转疲劳、复合应力疲劳等。应根据金属制件的工作条件来选择适宜的疲劳试验方法。目前，可测试弯曲疲劳测试的装置较少。

在测试的动态过程中，不能借助于扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、激光共聚焦显微镜、超景深显微镜等显微成像组件对被测试件弯曲加载工况下，开展原位实时的动态监测，缺少对宏观尺寸的跨尺度原位纳米力学测试的深入研究，从而严重阻碍了微小结构材料的微观力学行为和损伤机制新现象、新规律的发现。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种弯曲疲劳测试仪器，通过对弯曲疲劳测试仪器结构的改进，采用压电叠堆、柔性铰链对材料进行抗疲劳测试，实现了同时对材料进行弯曲测试及抗疲劳测试，解决了以往不同性能用不同仪器测试，使操作复杂的问题。

本实用新型的另一目的在于提供一种测试系统，该系统通过弯曲疲劳测试仪器、数据处理与性能表征仪器配合使用，实现了实时调控测试数据，全程动态监测力学测试过程，深入的揭示各类材料及其制品的微观力学行为、损伤机理及载荷作用与材料性能间的相关规律。

本实用新型的实施例是这样实现的：

一种弯曲疲劳测试仪器，用于对被测试样进行疲劳性能测试，包括底座、测试装置、用于夹持被测试样的夹持装置、与夹持装置匹配的第一驱动组件。夹持装置、测试装置、第一驱动组件分别固定于底座；测试装置包括依次连接的第二驱动组件、检测元件、测试元件。第一驱动组件驱动夹持装置使被测试样在第一方向运动，第二驱动组件驱动检测元件和测试元件在第一方向同步进行往复运动，使测试元件以预设的频率和振幅挤压被测试样。

优选地，第二驱动组件包括第二驱动元件、固定元件，固定元件固定于底座，并在第一方向面向夹持装置延伸，固定元件具有与检测元件连接的运动部，第二驱动元件设置于固定元件并驱动运动部在第一方向进行往复运动。

优选地，第二驱动元件为压电叠堆。

优选地，固定元件为柔性铰链。

优选地，第一驱动组件包括分别固定于底座的伺服电机和传动机构，传动机构与底座连接，伺服电机通过传动机构驱动夹持装置在第一方向运动。

优选地，传动机构包括相互配合的第一蜗杆和第一蜗轮、相互配合的第二蜗杆和第二蜗轮、转轴、丝杠以及与丝杠配合的连接板。第一蜗杆与伺服电机的输出轴连接且同步转动，并与第一蜗轮配合转动，第一蜗轮带动套设于转轴的第二蜗杆转动，第二蜗杆与套设于丝杠的第二蜗轮配合转动，使连接板推动夹持装置在第一方向运动。

优选地，传动机构还包括第一支撑结构和第二支撑结构；第一支撑结构包括相对设置且分别与底座连接的第一固定部和第二固定部，转轴的两端分别转动设置于第一固定部和第二固定部。第二支撑结构包括相对设置且分别与底座连接的第一连接件和第二连接件，丝杠的两端分别转动设置于第一连接件和第二连接件。

优选地，夹持装置包括相对设置的第一夹具和第二夹具、与底座滑动连接的基座，第一夹具和第二夹具与基座固定连接，第一夹具包括相互配合连接的第一支连接部和第一夹头，第二夹具包括相互配合连接的第二连接部和第二夹头，被测试样的两端分别被夹持于第一夹头和第二夹头。

优选地，第一夹头具有与第一方向垂直的第二方向，第一夹头在第二方向相对第一连接部滑动，第二夹头在第二方向相对第二连接部滑动。

一种测试系统，包括数据处理器、表征仪器、弯曲疲劳测试仪器，数据处理器与检测元件数据通信连接；表征仪器与弯曲疲劳测试仪器配合工作，在被测试样受到预设的频率和振幅挤压时，对被测试样进行性能表征及形貌监测。

本实用新型实施例的有益效果：

本实用新型提供一种弯曲疲劳测试仪器，通过对弯曲疲劳测试仪器结构的改进，采用压电叠堆、柔性铰链对材料进行抗疲劳测试，实现了同时对材料进行弯曲测试及抗疲劳测试，解决了以往不同性能用不同仪器测试，使操作复杂的问题。本实用新型的另一目的在于提供一种测试系统，该系统通过弯曲疲劳测试仪器、数据处理与性能表征仪器配合使用，实现了实时调控测试数据，全程动态监测力学测试过程，深入的揭示各类材料及其制品的微观力学行为、损伤机理及载荷作用与材料性能间的相关规律。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例1提供的弯曲疲劳测试仪器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1提供的弯曲疲劳测试仪器的结构示意图；

图3为本实用新型实施例1提供的弯曲疲劳测试仪器的结构示意图；

图4为本实用新型实施例1提供的弯曲疲劳测试仪器的结构示意图；

图5为本实用新型实施例1提供的测试元件的结构示意图；

图6为本实用新型实施例1提供的测试元件的结构示意图。

图标：100-弯曲疲劳测试仪器；110-底座；111-底板；113-侧板；120-测试装置；121-第二驱动组件；123-检测元件；125-测试元件；1251-单锥体；1253-双锥体；127-第二驱动元件；129-固定元件；1291-固定部；1293-运动部；1295-第二凹槽；1297-第一通孔；1299-第二通孔；130-夹持装置；131-第一夹具；1311-第一连接部；1313-第一夹头；132-第一凹槽；133-第二夹具；1331-第二连接部；1333-第二夹头；135-基座；137-滑块；139-导轨；140-第一驱动组件；141-伺服电机；143-支座；150-传动机构；151-第一蜗杆；152-第一蜗轮；153-第二蜗杆；154-第二蜗轮；155-转轴；156-丝杠；157-连接板；161-第一支撑结构；162-第一固定部；163-第二固定部；164-第二支撑结构；165-第一连接件；166-第二连接件。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面结合附图，对本实用新型的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

请参照图1，本实施例提供一种弯曲疲劳测试仪器100，包括底座110、测试装置120、用于夹持被测试样的夹持装置130、与夹持装置130匹配的第一驱动组件140，夹持装置130、测试装置120、第一驱动组件140分别固定于底座110。

在本实施例中，底座110为L形结构，包括底板111和侧板113。在本实用新型的其他实施例中，底座110可以为其他形状，本实用新型对其不做限定。

第一驱动组件140包括分别固定于底座110的伺服电机141和传动机构150，传动机构150与底座110连接，伺服电机141通过传动机构150驱动夹持装置130在第一方向X运动。

请参照图2，传动机构150包括相互配合的第一蜗杆151和第一蜗轮152、相互配合的第二蜗杆153和第二蜗轮154、转轴155、丝杠156以及与丝杠156配合的连接板157。伺服电机141通过支座143安装在底板111远离测试装置120的一侧，第一蜗杆151与伺服电机141远离测试装置120的一端连接，第一蜗杆151与伺服电机141的输出轴同步转动。第一蜗杆151与第一蜗轮152配合转动，第一蜗轮152与转轴155的一端连接，第一蜗轮152带动套设于转轴155的第二蜗杆153转动。第二蜗杆153与第二蜗轮154配合转动，第二蜗轮154与丝杠156的一端连接，第二蜗轮154驱动套设于丝杠156的连接板157在第一方向X运动。

传动机构150还包括第一支撑结构161和第二支撑结构164。第一支撑结构161包括相对设置的第一固定部162和第二固定部163。第一固定部162和第二固定部163分别设置在底板111远离测试装置120的端面的两端，转轴155远离第一蜗轮152的一端穿过第二固定部163与第一固定部162连接，转轴155在第一支撑结构161中转动。第二支撑结构164包括相对设置的第一连接件165和第二连接件166。第一连接件165与底板111的上表面远离测试装置120的一端固定连接，第二连接件166安装于第一连接件165与侧板113之间。丝杠156远离第二蜗轮154的一端穿过第一连接件165与第二连接件166活动连接，丝杠156可在第二支撑结构164中转动。在本实施例中，第一支撑结构161与第二支撑结构164为方形结构，在本实用新型的其他实施例中，第一支撑结构161与第二支撑结构164可以为其他形状，本实用新型对其形状不做限定。

请参照图2和图3，夹持装置130与第一驱动组件140连接，第一驱动组件140驱动夹持装置130在第一方向X运动。夹持装置130包括相对设置的第一夹具131和第二夹具133、基座135。基座135设置于第一连接件165与第二连接件166之间，与连接板157固定连接。基座135的两端分别固定连接滑块137，底板111的上表面设有与基座135两端的滑块137相配合的导轨139，滑块137带动基座135随连接板157在第一方向X运动。基座135远离滑块137的两端分别与第一夹具131和第二夹具133固定连接。第一夹具131包括相互配合连接的第一连接部1311和第一夹头1313，第二夹具133包括相互配合连接的第二连接部1331和第二夹头1333。第一连接部1311、第二连接部1331与基座135螺栓连接，在本实施例中，第一连接部1311、第二连接部1331为长方体，在本实用新型的其他实施例中，第一连接部1311、第二连接部1331可以为棱柱体，本实用新型对其不做限定。第一夹头1313、第二夹头1333设有第一凹槽132，第一夹头1313、第二夹头1333通过第一凹槽132与第一连接部1311、第二连接部1331卡接，再通过螺栓与第一连接部1311、第二连接部1331紧固，实现可拆卸连接，第一夹头1313、第二夹头1333在第二方向Y分别相对第一连接部1311、第二连接部1331滑动，调节第一夹头1313、第二夹头1333间的距离，第二方向Y与第一方向X相互垂直。

请参照图4，测试装置120包括依次连接的第二驱动组件121、检测元件123、测试元件125，第二驱动组件121包括第二驱动元件127、固定元件129，第二驱动元件127为压电叠堆，固定元件129为柔性铰链，柔性铰链利用了弹性材料微小变形及其自回复的特性，消除了传动过程中的空程和机械摩擦，能获得超高的位移分辨率。

在本实施例中，柔性铰链为长方体，本实用新型对其形状不做限定。柔性铰链具有固定部1291与运动部1293，固定部1291通过螺栓固定连接于底座110的侧板113端面，柔性铰链的运动部1293依次与检测元件123、测试元件125固定连接。运动部1293远离测试元件125的一侧设有第二凹槽1295，第二凹槽1295的尺寸大小与压电叠堆的尺寸大小相匹配，压电叠堆紧固于第二凹槽1295中，压电叠堆在第一方向X带动运动部1293运动。压电叠堆与运动部1293之间设有以柔性铰链中心轴线相互对称的第一通孔1297，本实用新型对第一通孔1297的形状不做限定，例如，第一通孔1297为圆形或多边形。在压电叠堆的两侧，设有以柔性铰链中心轴线相互对称的第二通孔1299，本实用新型对第二通孔1299的形状不做限定，例如，第二通孔1299为矩形。第二通孔1299与第二凹槽1295连通。压电叠堆以预设的频率振动时，带动运动部1293在第一方向X做往复运动，第一通孔1297与第二通孔1299起到柔性加载的作用，使得柔性铰链在伸缩的过程中，不会产生过大的冲击，并且还起到储能的作用。第一通孔1297与第二通孔1299为对称设计，是为了确保运动部1293受力均匀，无偏转地沿第一方向X运动。

在本实施例中，压电叠堆的位移范围在15μm以内，频率可达到1000Hz，柔性铰链运动部1293的位移范围与压电叠堆一致。测试元件125为压头，如图5，在本实施例中，压头为单锥体1251，与被测试样相互作用时，产生一个作用力，弯曲疲劳测试仪器100在工作时，被测试样产生三点弯曲。在本实用新型的其他实施例中，压头可以为双锥体1253，如图6，与被测试样相互作用时，产生两个作用力，弯曲疲劳测试仪器100在工作时，被测试样产生四点弯曲；即可以通过更换压头对被测试样进行三点或四点弯曲测试。检测元件123为传感器，传感器接收并传输测试元件125受到的被测式样的作用力。压电叠堆、传感器均为本领域通用设备，本实用新型对其结构不做限定。

调节第一夹头1313与第二夹头1333间的距离，将被测试样夹持于夹持装置130。通过伺服电机141的驱动，调节被测试样与压头间的距离，当被测试样与压头间距缩小、相接触后，继续驱动夹持装置130，被测试样受到压头的作用力并产生形变。压电叠堆通电后产生振动，作用于柔性铰链，通过柔性铰链带动压头运动，使压头沿第一方向X在小于15μm的范围内发生往复运动，压头远离柔性铰链的一端作用于被测试样，对被测试样进行疲劳测试。

实施例2

本实施例提供一种测试系统，包括数据处理器、表征仪器、弯曲疲劳测试仪器100。数据处理器与弯曲疲劳测试仪器100连接，传感器接收压头受到的作用力，将该数据传输给数据处理器，数据处理器根据弯曲强度理论公式及挠曲线方程进行数据处理。

弯曲强度理论公式：

挠曲线方程：

弯曲强度理论公式与挠曲线方程均为材料力学基本公式。

表征仪器与弯曲疲劳测试仪器100相互配合，在弯曲疲劳测试仪器100工作时，可利用表征仪器对被测试样进行微观形貌分析及性能表征，表征仪器如电子显微镜、金相显微镜、光谱仪，本实用新型对其不做限定。

为简化表示，本实施例中未提及处，请参阅实施例1中相应内容。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，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。凡在本实用新型的精神和原则之内，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。