对试样进行中等应变速率压缩的实验装置的制作方法

本发明涉及实验装置设计生产技术领域，尤其涉及一种对试样进行中等应变速率压缩的实验装置。

背景技术：

应变速率是材料相对于时间的应变的变化，在物理学中，应变速率通常被定义为应变相对于时间的导数，应变速率是表征材料变形速度的一种度量。

以混凝土为例，对混凝土的应变速率进行研究可以为后续的工程设计提供指导数据，以在节省成本的前提下保证建筑具有可靠的安全性。

受限于中等应变速率实验具有加载难以实现、数据不易准确测量等原因，目前的材料加载试验主要集中在低应变速率范围(10^-2/s以下)和高应变速率范围(10²～10³/s)，然而，中等应变速率范围是混凝土材料从高应变速率下的波动效应向低应变速率下的准平衡状态过渡的关键区域，并且在实际工程应用中，混凝土材料也往往处于中等应变速率(10⁰～10²/s)的变形状态下。

因此，开发一种对材料进行中等应变速率加载的实验装置，以满足对材料的中等应变速率的研究需求是目前本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种对试样进行中等应变速率压缩的实验装置，以便能够对实验材料进行加载，并使实验材料处于中等应变速率的变形状态下，从而对材料在中等应变速率范围内的特性进行研究。

为达到上述目的，本发明提供的对试样进行中等应变速率压缩的实验装置包括：

伺服电机；

与所述伺服电机的输出端传动连接的第二蓄能飞轮；

穿过所述第二蓄能飞轮并与所述第二蓄能飞轮同心设置的凸轮轴；

设置在所述凸轮轴上，以将所述凸轮轴与所述第二蓄能飞轮接合和分离的离合器；

固定于所述凸轮轴上的加载凸轮，所述加载凸轮的外边缘包括对应圆心角为θ1的圆弧节段，和与所述圆弧节段相接且对应圆心角为θ2的螺旋线节段，其中，θ1+θ2＝2π，所述圆弧节段的半径为r1，所述螺旋线节段的半径由所述r1逐渐增大到r2；

第一端与所述凸轮的外边缘接触并能沿自身轴线移动的加载杆；

轴线与所述加载杆的轴线正对的透射杆，所述透射杆的第一端固定在支撑体上，第二端与所述加载杆的第二端正对，所述透射杆的第二端与所述加载杆的第二端之间预留有放置试样的试样放置空间。

优选的，其特征在于，还包括第一蓄能飞轮，并且，

所述第一蓄能飞轮的输入端通过第一传动系统与所述伺服电机的输出端相连；

所述第一蓄能飞轮的输出端通过第二传动系统与所述第二蓄能飞轮相连。

优选的，所述第一传动系统为皮带传动系统或链条传动系统，所述第二传动系统为齿轮传动系统。

优选的，还包括加载杆导向装置，所述加载杆导向装置内开设有与所述加载杆的直径适配的导向孔，以使所述加载杆沿自身轴向运动。

优选的，还包括第一应变片和第二应变片，其中，所述第一应变片设置在所述加载杆上，所述第二应变片设置在所述透射杆上，所述第一应变片用于记录加载应变历程和反射应变历程，所述第二应变片用于记录透射应变历程。

优选的，还包括激光位移探测器，所述激光位移探测器用于检测所述透射杆的第二端与所述加载杆的第二端之间的相对位移。

优选的，还包括相位传感器，所述相位传感器设置在所述凸轮轴上并用于检测所述加载凸轮的相位角。

优选的，0°＜θ1≤60°。

第二蓄能飞轮与伺服电机的输出端具有确定的传动关系，因此第二蓄能飞轮与私服电机输出端的转速具有确定的比例关系，而凸轮轴通过离合器与第二蓄能飞轮接合时，凸轮轴与第二蓄能飞轮之间的转速相等，因此凸轮轴和设置在其上的加载凸轮的转速与伺服电机的输出端转速之间也就具有确定的比例关系；同时由于凸轮的螺旋线节段在θ2的范围内半径从r1逐渐增大到r2，因此，加载杆沿自身轴向的位移(即加载位移)与凸轮轴的相位角(转动角度)之间具有对应的关系。

因此本发明中所公开的实验装置，可以通过控制伺服电机的转速和相位角，使加载杆与透射杆之间的试样处于中等应变速率的变形范围内，从而实现在中等应变速率范围内对实验材料的特性进行研究，并对后续的工程实践提供指导的目的。

附图说明

图1为本发明实施例中所公开的实验装置的结构示意图；

图2为图1中的加载凸轮的结构示意图；

其中，1为伺服电机，2为第一蓄能飞轮，3为离合器，4为第二蓄能飞轮，5为加载凸轮，6为相位传感器，7为加载杆导向装置，8为加载杆，9为透射杆，10为试样。

具体实施方式

本发明的核心是供一种对试样进行中等应变速率压缩的实验装置，以便能够对实验材料进行加载，并使实验材料处于中等应变速率的变形状态下，从而对材料在中等应变速率范围内的特性进行研究。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请同时参考图1和图2，在一种实施例中，本发明中所公开的对试样进行中等应变速率压缩的实验装置中，包括伺服电机、第二蓄能飞轮、凸轮轴、离合器、加载凸轮、加载杆以及透射杆，伺服电机用于为整个实验装置提供动力，第二蓄能飞轮应当可转动固定在合适位置，第二蓄能飞轮与伺服电机的输出端传动连接，其作用在于通过传动蓄积伺服电机所输出的能量，凸轮轴穿过第二蓄能飞轮的中心位置，离合器设置在凸轮轴的底部靠近第二蓄能飞轮的位置，离合器的作用在于将凸轮轴与第二蓄能飞轮接合或者分离，加载凸轮固定设置在凸轮轴上，并且加载凸轮与凸轮轴同步转动，加载凸轮的外边缘包括对应圆心角为θ1的圆弧节段，和与圆弧节段相接且对应圆心角为θ2的螺旋线节段，其中，θ1+θ2＝2π，圆弧节段的半径为r1，螺旋线节段的半径由r1逐渐增大到r2；加载杆的第一端与加载凸轮的外边缘接触并且加载杆能够沿自身轴线移动，透射杆的轴线与加载杆的轴线正对，并且透射杆的第一端固定在支撑体上，第二端与加载杆的第二端正对，透射杆的第二端与加载杆的第二端之间预留有放置材料试样的试样放置空间。

需要进行说明的是，螺旋线节段的半径由r1逐渐增大到r2，具体是指在θ2的角度范围内，螺旋线节段的半径由r1等速的均匀逐渐增大到r2。

优选的，加载杆和透射杆的横截面面积相等，θ1为大于0°但不大于60°为宜。

该试样可以为混凝土试样，在进行实验时，需要将待研究的材料试样放置在试样放置空间内，然后启动伺服电机，伺服电机带动第二蓄能飞轮转动，当离合器处于接合状态时，第二蓄能飞轮带动凸轮轴转动，加载凸轮随着凸轮轴同步转动，在加载凸轮的挤压作用下，加载杆的第二端朝向透射杆的第二端移动，从而实现对试样的压缩加载，并使试样处于期望的应变速率中。

能够理解的是，第二蓄能飞轮与伺服电机的输出端具有确定的传动关系，因此第二蓄能飞轮与私服电机输出端的转速具有确定的比例关系，而凸轮轴通过离合器与第二蓄能飞轮接合时，凸轮轴与第二蓄能飞轮之间的转速相等，因此凸轮轴和设置在其上的加载凸轮的转速与伺服电机的输出端转速之间也就具有确定的比例关系；同时由于凸轮的螺旋线节段在θ2的范围内半径从r1逐渐增大到r2，因此，加载杆沿自身轴向的位移(即加载位移)与凸轮轴的相位角(转动角度)之间具有对应的关系，同时，由于蓄能飞轮的动能很大，因此在加载过程中第二蓄能飞轮的转速可以认为不变，因此，通过控制伺服电机的转速和相位角，就能够使加载杆与透射杆之间的试样处于中等应变速率的变形范围内，从而实现在中等应变速率范围内对试样的特性进行研究，并对后续的工程实践提供指导的目的

若选用的伺服电机本身的转速较高，就需要进行多级减速设计，在本实施例中，进一步还包括第一蓄能飞轮，第一蓄能飞轮设置在合适位置，并且第一蓄能飞轮的输入端通过第一传动系统与伺服电机的输出端相连，第一蓄能飞轮的输出端通过第二传动系统与第二蓄能飞轮相连，经过第一传动系统和第二传动系统的逐级减速可以将加载凸轮的转速控制在合适范围内。

第一传动系统和第二传动系统的具体形式不受限制，在本实施例中，第一传动系统为皮带传动系统或者链条传动系统，第二传动系统为齿轮传动系统，如图1中所示，第一蓄能飞轮与伺服电机的输出端通过皮带传动连接，第二蓄能飞轮与第一蓄能飞轮的输出端通过齿轮啮合传动连接。

为了进一步优化方案，保证加载杆能够沿直线正对试样运动，本实施例中还增设了加载杆导向装置，加载杆导向装置内开设有与加载杆的直径适配的导向孔，以便使加载杆沿自身轴向运动，如图1中所示。

考虑到设定值与实际值之间可能存在偏差，为了进一步提高实验结果的准确性，本实施例中还设置了第一应变片和第二应变片，第一应变片设置在加载杆上，第二应变片设置在透射杆上，第一应变片用于记录加载应变历程和反射应变历程，第二应变片用于记录透射应变历程，加载应变历程、反射应变历程以及透射应变历程均为应力波，应变片通过应变仪连接示波器之后可以完整记录这些应力波。

若加载应变历程为εi(t)、反射应变历程为εr(t)、透射应变历程为εt(t)，则通过公式：可计算出试样的轴向应力σs，其中，e0为加载杆或透射杆弹性模量(加载杆和透射杆的弹性模量相等)，不同的材料具有不同的弹性模量，可以通过查表的方式获得，a0为加载杆或者透射杆横截面面积(加载杆和透射杆的横截面面积相等)，as为试样的横截面面积，试样应当为标准圆柱状试样。

为了实际计算试样的轴向应变，本实施例中还设置了激光位移探测器，激光位移探测器用于检测透射杆的第二端与加载杆的第二端之间的相对位移ds，通过公式εs＝ds/ls即可计算出试样的轴向应变εs，其中ls为试样的长度。

为了计算试样真实的应变速率，本实施例中还设置了相位传感器，相位传感器设置在凸轮轴向，以便检测加载凸轮的转速以及相位角，通过公式：或即可计算得出试样真实的应变速率其中，ω2为第二蓄能飞轮或者加载凸轮的转速，ξ为变形传递系数，与加载凸轮、加载杆、透射杆的材料参数有关，可通激光位移探测器标定的方式进行标定，由于通过激光位移探测器对变形传递系数进行标定已经是本领域的公知技术，因此本文中对此不再进行赘述。

同时，通过相位传感器可实时观测到加载凸轮的相位，从而通过操纵离合器精确控制加载时间。

以上对本发明所提供的对试样进行中等应变速率压缩的实验装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。