拉伸试验装置和方法与流程

本发明涉及材料抗拉强度技术领域，尤其涉及一种拉伸试验装置和方法。

背景技术：

近年来在矿山、地质、水利及建筑领域，随着挖掘工程深度的逐渐增加，深部洞室围岩中出现了明显的非线性破坏现象，传统的理论方法和数值分析在处理这些非线性变形破坏问题时，遇到了极大的困难。地质力学模型试验以其直观、真实的特性，成为研究这些问题的重要手段。其中利用相似材料代替原型材料作为模拟试验的对象。

现有的地质力学模型的试验方法中，单向拉伸法最为常用。其是利用夹件固定试样两端，逐渐施加拉力，直至被测试样断裂，从而测定被测试样的抗拉应力与抗拉应变。

然而在现有的试验方法中，由于试验器材限制，夹件不能牢固稳定的与试样连接，无法直接对试样施加精准的拉力，并且施加的拉力常常存在偏心，造成试验结果存在较大误差，导致地质力学模型试验失真。

技术实现要素：

基于上述技术问题，本发明提供一种拉伸试验装置和方法，其能够为待测试样施加均匀拉力，消除拉力偏心角，提高检测精度。

本发明提供一种拉伸试验装置和方法，其中，拉伸试验装置用于岩石相似材料的拉伸试验，包括动力组件、传动组件、检测组件以及模具组件。

模具组件开设有用于放置待测试样的槽体，槽体包括沿长度方向依次连接的固定段和滑动段，固定段与滑动段的相互靠近的一端的形状相互吻合，以共同拼成槽体，槽体的截面宽度由固定段和滑动段的吻合处向两端逐渐增加。

动力组件通过传动组件与滑动段连接，以带动滑动段沿待测试样的拉伸方向远离固定段移动直至待测试样断裂。

检测组件包括拉力检测装置和位移检测装置，拉力检测装置连接在传动组件和滑动段之间，用于测定动力组件带动滑动段移动的作用力；位移检测装置固定在滑动段上，用于检测滑动段的移动距离，以根据作用力、移动距离、待测试样中段的截面面积、待测试样拉伸前的长度以及待测试样拉伸后的长度获得待测试样的拉伸试验参数。

在上述的拉伸试验装置中，优选的，动力组件包括伺服电机。

在上述的拉伸试验装置中，优选的，传动组件包括减速齿轮组、连接丝杠和移动拉头。

减速齿轮组包括相互啮合的第一齿轮和第二齿轮，第一齿轮固定在伺服电机的输出轴上，第二齿轮固定在连接丝杠的一端，第一齿轮的齿数小于第二齿轮的齿数。

连接丝杠的另一端与移动拉头连接，移动拉头与拉力检测装置连接。

在上述的拉伸试验装置中，优选的，槽体为哑铃形槽体，哑铃形槽体的两端分别位于固定段和滑动段中。

在上述的拉伸试验装置中，优选的，还包括滑动导轨和固定支座，模具组件设置在滑动导轨上，固定段通过固定支座固定，滑动段在动力组件的带动下沿滑动导轨移动。

在上述的拉伸试验装置中，优选的，还包括控制装置，控制装置与伺服电机电连接，用于控制伺服电机的输出转速。

控制装置分别与拉力检测装置和位移检测装置电连接，用于收集拉力检测装置检测的作用力和位移检测装置检测的移动距离，以根据作用力、移动距离、待测试样中段的截面面积、待测试样拉伸前的长度以及待测试样拉伸后的长度获得待测试样的拉伸试验参数。

在上述的拉伸试验装置中，优选的，拉力检测装置为拉力传感器。

在上述的拉伸试验装置中，优选的，位移检测装置为光栅尺。

在上述的拉伸试验装置中，优选的，拉力传感器的两端通过球型铰链与移动拉头以及滑动段连接。

本发明还提供一种拉伸试验方法，应用于如上述的拉伸试验装置中，包括：

步骤S1：将可塑态的待测试样放置于模具组件中的槽体中，以使可塑态的待测试样固化为和槽体形状相吻合的固态的待测试样；

步骤S2：沿待测试样的拉伸方向向远离固定段的一侧移动滑动段，直至待测试样断裂，并根据动力组件带动滑动段移动的作用力、滑动段的移动距离、待测试样中段的截面面积、待测试样拉伸前的长度以及待测试样拉伸后的长度获得待测试样的拉伸试验参数。

本发明提供的拉伸试验装置和方法，通过将待测试样放置在模具组件的哑铃形槽体中，便于待测试样的固定并为其提供均匀拉力；通过在拉力传感器两端设置球型铰链，消除由于试验装置活动过程中产生的拉力偏心角，提高试验检测的精准度；通过控制系统自动采集和分析试验数据，提高试验装置的可操作性和适用度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的拉伸试验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的拉伸试验装置的球型铰链的结构示意图；

图3为本发明实施例一提供的拉伸试验装置的模具组件的结构示意图。

附图标记说明：

10-动力组件；20-传动组件；30-检测组件；

40-模具组件；50-滑动导轨；60-固定支座；

70-控制装置；80-球型铰链；21-减速齿轮组；

22-连接丝杠；23-移动拉头；31-拉力检测装置；

32-位移检测装置；41-槽体；42-固定段；

43-滑动段；211-第一齿轮；212-第二齿轮。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例一提供的拉伸试验装置的结构示意图，图2为本发明实施例一提供的拉伸试验装置的球型铰链的结构示意图，图3为本发明实施例一提供的拉伸试验装置的模具组件的结构示意图。

如图1-图3所示，本发明实施例一提供一种拉伸试验装置，用于岩石相似材料的拉伸试验，包括动力组件10、传动组件20、检测组件30以及模具组件40。

模具组件40开设有用于放置待测试样的槽体41，槽体41包括沿长度方向依次连接的固定段42和滑动段43，固定段42与滑动段43的相互靠近的一端的形状相互吻合，以共同拼成槽体41，槽体41的截面宽度由固定段42和滑动段43的吻合处向两端逐渐增加。

动力组件10通过传动组件20与滑动段43连接，以带动滑动段43沿待测试样的拉伸方向远离固定段42移动直至待测试样断裂。

检测组件30包括拉力检测装置31和位移检测装置32，拉力检测装置31连接在传动组件20和滑动段43之间，用于测定动力组件10带动滑动段43移动的作用力T；位移检测装置32固定在滑动段43上，用于检测滑动段43的移动距离L，以根据作用力T、移动距离L、待测试样中段的截面面积S、待测试样拉伸前的长度a₀以及待测试样拉伸后的长度a₁获得待测试样的拉伸试验参数。

需要说明的是，如图1所示，本发明实施例一提供的拉伸试验装置的待测试样是预先制备的相似材料，其制备过程是：将可塑态待测试样置入已涂抹脱模剂的模具组件40的槽体41中，待可塑态待测试样固化为与槽体41形状相吻合的固态的待测试样，而后脱模即可完成待测试样的制备，需要指出的是，该待测试样的固化时间与实际使用的试样固化时间相同，以保证两者具有相同的拉伸性能。此处的脱模剂是便于待测试样的脱模，防止模具组件40槽体41对待测试样拉伸过程产生影响。

拉伸试验开始后，先将已制备的待测试样重新置入模具组件40的槽体41中，槽体41包括沿长度方向依次连接的固定段42和滑动段43，固定段42和滑动段43相互靠近的一端的形状相互吻合，以共同拼成所述槽体41。模具组件40的槽体41的截面宽度由固定段42和滑动段43的吻合处向两端逐渐增加，使得待测试样在拉伸过程中两端能稳定的固定在固定段42和滑动段43中。

动力组件10通过传动组件20带动滑动段43移动，为其提供动力，使得滑动段43沿待测试样的拉伸方向远离固定段42移动直至待测试样断裂。

检测组件30中的拉力检测装置31连接在传动组件20和滑动段43之间，测定动力组件10带动滑动段43移动的作用力T。位移检测装置32固定在滑动段43上，检测滑动段43的移动距离L。根据作用力T、移动距离L、待测试样中段的截面面积S、待测试样拉伸前的长度a₀以及待测试样拉伸后的长度a₁获得待测试样的拉伸试验参数。

需要说明的是，该拉伸试验参数主要包括拉力-位移曲线，应力-应变曲线，抗拉强度δ_b以及拉伸弹性模量E。其中，拉力-位移曲线是拉伸试验得到的最主要和最基本的数据结果，在拉力-位移曲线上加以分析，可得出相关试验结果，而拉力-位移曲线是通过拉力检测装置31和位移检测装置32实时检测的作用力T和移动距离L数据绘制的曲线图谱。

应力-应变曲线是分别通过作用力T、待测试样中段的截面面积S、待测试样拉伸前的长度a₀以及待测试样拉伸后的长度a₁计算获得应力值ε和应变值δ，而后根据应力值ε和应变值δ绘制的曲线图谱。其中应力值ε和应变值δ的计算公式分别如公式(1)和公式(2)所示。

其中，ε为待测试样的应力值，单位为Pa；T为动力组件10带动滑动段43移动的作用力，单位为N；S为待测试样中段的截面面积，单位为m²。需要特别指出的是，S为待测试样的进行拉伸前的中段截面面积，即为中段原始截面面积。

其中，δ为待测试样的应变值；a₁为待测试样拉伸后的长度，单位为m；a₀为待测试样拉伸前的长度，单位为m。

抗拉强度δ_b表征脆性材料的断裂抗力，其计算公式如公式(3)所示。

其中，δ_b为待测试样的抗拉强度，单位为Pa；T_b为待测试样拉断时所施加的最大力，单位为N；S为待测试样中段拉伸前的截面面积，单位为m²。需要说明的是，该抗拉强度δ_b还可通过应力-应变曲线得到，即为应力-应变曲线最高点所对应的应力值。

拉伸弹性模量E表征待测试样的抗弹性变形的能力，其具体可通过计算公式(4)得到。

其中，E为待测试样的拉伸弹性模量，单位为Pa；ε为待测试样的应力值，单位为Pa；δ为待测试样的应变值。

需要特别说明的是，本实施例仅列举上述拉伸试验参数，而本试验所能测定的拉伸试验参数并不局限于上述示例，只要是能通过本实施例测定的数据直接或间接得到的试验参数均涵盖在本发明实施例技术方案的范围中。

具体的，动力组件10包括伺服电机。

需要说明的是，由于本发明实施例一提供的拉伸试验装置主要用于岩石相似材料的测试，岩石相似材料拉伸过程产生的形变较小，因此需要提供高精度的拉力值，保证试验结果的精度。伺服电机通过将电压信号转化为转矩和转速从而驱动控制对象，具有具有机电时间常数小、线性度高、始动电压的特性。

具体的，传动组件20包括减速齿轮组21、连接丝杠22和移动拉头23。

减速齿轮组21包括相互啮合的第一齿轮211和第二齿轮212，第一齿轮211固定在伺服电机的输出轴上，第二齿轮212固定在连接丝杠22的一端，第一齿轮211的齿数小于第二齿轮212的齿数。

连接丝杠22的另一端与移动拉头23连接，移动拉头23与拉力检测装置31连接。

需要说明的是，传动组件20是连接在动力组件10和滑动段43之间，为滑动段43传送动力。传动组件20包括减速齿轮组21、连接丝杠22和移动拉头23。其中，减速齿轮组21是减小伺服电机的输出转速值，通过齿数较小的第一齿轮211带动齿数较大的第二齿轮212运转，进一步提高带动滑动段43移动的作用力T精度。

连接丝杠22和移动拉头23配合使用，将伺服电机输出的围绕伺服电机输出轴的作用力T转变为沿待测试样拉伸方向的作用力T。

具体的，槽体41为哑铃形槽体，哑铃形槽体的两端分别位于固定段42和滑动段43中。

需要说明的是，如图1和图3所示，模具组件40中的槽体41为哑铃形槽体，该槽体41的两端分别位于固定段42和滑动段43中，使得位于固定段42和滑动段43中的部分能稳定的固定待测试样的两端。并且哑铃形槽体中段宽度较两端宽度小，可以保证其中的待测试样在拉伸过程中，在待测试样宽度较小的中段产生均匀的变形，进一步提高拉伸试验参数的精度。

特别的，该拉伸试验装置还包括滑动导轨50和固定支座60，模具组件40设置在滑动导轨50上，固定段42通过固定支座60固定，滑动段43在动力组件10的带动下沿滑动导轨50移动。

需要说明的是，为保证拉伸过程中模具组件40的稳定性，该拉伸试验装置还包括用于固定固定段42的固定支座60和供滑动段43滑动的滑动导轨50。该滑动导轨50还可进一步限定滑动段43移动的轨迹，防止其在移动过程中发生偏移，导致检测结果误差较大。

特别的，该拉伸试验装置还包括控制装置70，控制装置70与伺服电机电连接，用于控制伺服电机的输出转速。

控制装置70分别与拉力检测装置31和位移检测装置32电连接，用于收集拉力检测装置31检测的作用力T和位移检测装置32检测的移动距离L，以根据作用力T、移动距离L、待测试样中段的截面面积S、待测试样拉伸前的长度a₀以及待测试样拉伸后的长度a₁获得待测试样的拉伸试验参数。

需要说明的是，本发明实施例一提供的拉伸试验装置通过控制装置70进行拉伸过程的控制以及带动滑动段43移动的作用力T和移动距离L的检测结果收集分析，并根据检测结果获得拉伸试验参数。通过控制装置70可控制试验模式按照等应变或等应力进行，提高试验结果的精准度，使得该拉伸试验装置便于操作。

具体的，拉力检测装置31为拉力传感器。

需要说明的是，在本发明实施例一中，拉力检测装置31为拉力传感器，可选用S型拉力传感器，通过外力使其弹性体(弹性元件)会产生弹性变形，内部的电阻应变片发生形变，其阻值随之变化，相应的测量电路将电阻变化转换为电信号，从而完成了将外力变换为电信号的过程，实现拉力检测。该拉力传感器还可选用板环拉力传感器，可以检测动力组件10带动滑动段43移动的作用力T即可，本实施例对拉力传感器的种类并不加以限定。

具体的，位移检测装置32为光栅尺。

需要说明的是，在本发明实施例一中，位移检测装置32为光栅尺，其是利用光栅的光学原理测量位移的反馈装置，将位移变换转换为数字脉冲信号，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。该位移检测装置32还可选用电容式位移传感器、电涡流式位移传感器或霍尔式位移传感器，可以检测滑动段43移动距离L即可，本实施例对位移传感器的种类并不加以限定。

具体的，拉力传感器的两端通过球型铰链80与移动拉头23以及滑动段43连接。

需要说明的是，拉力传感器在检测过程中，如果其两端拉力产生偏心角，将会对检测结果影响较大，不能完全检测真实的拉力数值。而且在本实施例中，滑动段43移动过程带动待测试样拉伸，待测试样内部会产生滑移之类变形，也会进一步导致拉伸过程产生角度偏差。因此，如图1和图2所示，在拉力传感器的两端分别设置球型铰链80，通过球型铰链80的球头部位在球形凹槽中转动，以消除拉力传感器两端的拉力偏心角，提高检测结果的准确度。

本发明实施例一提供的拉伸试验装置，通过将待测试样放置在模具组件40的哑铃形槽体中，便于待测试样的固定并为其提供均匀拉力；通过在拉力传感器两端设置球型铰链80，消除由于试验装置活动过程中产生的拉力偏心角，提高试验检测的精准度；通过控制系统自动采集和分析试验数据，提高试验装置的可操作性和适用度。

本发明还提供一种拉伸试验方法，应用于如上述的拉伸试验装置中，包括：

步骤S1：将可塑态的待测试样放置于模具组件40中的槽体41中，以使可塑态的待测试样固化为和槽体41形状相吻合的固态的待测试样；

步骤S2：带动滑动段43沿待测试样的拉伸方向远离固定段42移动直至待测试样断裂；检测动力组件10带动滑动段43移动的作用力T和滑动段43的移动距离L；根据作用力T、移动距离L、待测试样中段的截面面积S、待测试样拉伸前的长度a₀以及待测试样拉伸后的长度a₁确定待测试样的拉伸试验参数。沿待测试样的拉伸方向向远离固定段42的一侧移动所述滑动段43，直至待测试样断裂，并根据动力组件10带动滑动段43移动的作用力T、滑动段43的移动距离L、待测试样中段的截面面积S、待测试样拉伸前的长度a₀以及待测试样拉伸后的长度a₁获得待测试样的拉伸试验参数。

需要说明的是，本发明实施例二还提供一种拉伸试验方法，具体操作步骤是：首先是制备待测试样，将可塑态的待测试样置入预先涂抹脱模剂的模具组件40槽体41中，待其固化形成与槽体41形状相吻合的固态待测试样后，将其脱模，防止在拉伸过程中，模具组件40对待测试样拉伸产生影响。

然后将待测试样重新放入模具组件40的槽体41中，利用动力组件10通过传动组件20带动滑动段43移动，其移动方向是沿待测试样拉伸方向远离固定段42直至待测试样断裂，即完成拉伸过程。

最后通过检测组件30检测动力组件10带动滑动段43移动的作用力T和滑动段43的移动距离L，根据作用力T、移动距离L、待测试样中段的截面面积S、待测试样拉伸前的长度a₀以及待测试样拉伸后的长度a₁获得待测试样的拉伸试验参数。拉伸试验参数主要包括拉力-位移曲线，应力-应变曲线，抗拉强度δ_b以及拉伸弹性模量E，具体计算过程与本发明实施例一中相同，此处不再赘述。

本发明实施例二提供的拉伸试验方法，通过将待测试样放置在模具组件40的哑铃形槽体中，便于待测试样的固定并为其提供均匀拉力；通过在拉力传感器两端设置球型铰链80，消除由于试验装置活动过程中产生的拉力偏心角，提高试验检测的精准度；通过控制系统自动采集和分析试验数据，提高试验装置的可操作性和适用度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。