。拉伸压电驱动器可为试件25提供较大运动行程的单轴拉伸载荷的预加载，试验中可向拉伸封装式压电叠堆29施加120V的直流电压。根据被测试件25实际工况下的受载形式，可对三个多载荷封装式压电叠堆9施加不同幅值的交变正弦电压，但施加电压的频率需一致，使其输出不同幅值的交变位移。如可向其中一个多载荷封装式压电叠堆9施加幅值为50V、频率为10Hz的交变电压，向对侧另两个多载荷封装式压电叠堆9施加幅值为100V、频率为10Hz的交变电压，即可实现同频拉伸-弯曲复合载荷疲劳测试。
[0038]以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，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。凡对本实用新型所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种复合应力下微构件高温疲劳性能测试装置，其特征在于:包括压电式三自由度加载单元、高温加载及水冷单元、压电式拉伸加载单元、检测单元及支撑单元，其中压电式三自由度加载单元中的多载荷柔性铰链(10)与支撑单元中的转动副(11)为一体，球面副移动端(6)与支撑单元中的球面副固定支架(3)以及球面副活动支架(4)的球形凹面保持球面接触；高温加载及水冷单元中的氮化硅加热片(24)嵌入式安装于压电式拉伸加载单元中的下夹具体(23)和上夹具体(26)的矩形卡槽中，压电式拉伸加载单元中的铰链支撑架(20)通过螺纹连接方式与支撑单元中的固定平台(15)刚性连接；检测单元为三向力传感器(27)，其分别通过螺纹连接方式与支撑单元中的传感器法兰(I)以及压电式拉伸加载单元中的上夹具体(26)刚性连接； 所述压电式三自由度加载单元包括三个球面副移动端(6)和三个多载荷压电驱动器，每个多载荷压电驱动器由预紧楔形块(7)、预紧螺钉(8)、多载荷封装式压电叠堆(9)和多载荷柔性铰链(10)组成，圆柱形多载荷封装式压电叠堆(9)具有输出位移自检测功能；所述高温加载及水冷单元包括外层水冷管(22)、氮化硅加热片(24)、水冷板(30)、隔热板(31)和导热板(32)，其中水冷板(30)、隔热板(31)和导热板(32)固定安装在上夹具体(26)和下夹具体(23)内，氮化硅加热片(24)嵌入式安装在两夹具体的矩形卡槽中，对被测试件(25)进行均布高温加热； 所述压电式拉伸加载单元包括拉伸压电驱动器、耐高温隔热棉(16)、平垫片(18)、膨胀螺栓(19)、铰链支撑架(20)、下夹具法兰(21)、下夹具体(23)、试件(25)和上夹具体(26)，其中拉伸压电驱动器由拉伸柔性铰链(17)和拉伸封装式压电叠堆(29)组成，拉伸压电驱动器、下夹具法兰(21)、下夹具体(23)和上夹具体(26)采用串联式安装方式，其安装轴线为竖直方向的几何对称轴线； 所述检测单元包括传感器法兰(1)、三向力传感器(27)和传感器法兰安装螺钉(28)，移动平台(2 )的倾覆运动通过三向力传感器(27 )和上夹具体(26 )传递至被测试件(25 )，三向力传感器(27)用于检测试件(25)所受的拉伸及弯曲载荷； 所述支撑单元包括球面副移动部分和转动副固定部分，其中球面副移动部分由移动平台(2)、球面副固定支架(3)、球面副活动支架(4)和球面副紧固螺钉(5)组成，转动副固定部分由圆锥滚子轴承(12)、转动副螺母(13)、转动轴(14)和固定平台(15)组成，通过球面副活动支架(4)、球面副紧固螺钉(5)和球面副移动端(6)组成的球面副实现移动平台(2)的三自由度运动。
2.根据权利要求1所述的复合应力下微构件高温疲劳性能测试装置，其特征在于:所述的三个多载荷压电驱动器呈等边三角形拓扑安装形式，其输出的高频交变位移通过由球面副移动端(6)、球面副固定支架(3)以及球面副活动支架(4)组成的球面副传递至移动平台(2)，基于多模式的时序驱动电压，三个多载荷封装式压电叠堆(9)实现多样的轴向伸长运动的组合形式，即驱动移动平台(2)实现三自由度高频交变运动；进而，被测微尺度试件(25)实现不同模式的高频拉伸-弯曲复合受载形式。
3.根据权利要求1所述的复合应力下微构件高温疲劳性能测试装置，其特征在于:所述的氮化硅加热片(24)具有不同的温度测量行程，其两两对称安装于上夹具体(26)和下夹具体(23)的矩形卡槽中，氮化硅加热片(24)根据测试温度的需求进行插拔更换，其产生的热量经上夹具体(26)和下夹具体(23)传导至试件(25)上；当向四个氮化硅加热片(24)施加不同幅值的交流电压时，试件(25)的受热环境实为具有可控温度梯度的服役温度场；隔热板(31)和导热板(32)均固定安装在上夹具体(26)和下夹具体(23)中，其材料分别为耐高温隔热棉和紫铜；外层水冷管(22)中的循环水介质用于隔热板(31)的实时降温，导热板(32)用于将氮化硅加热片(24)产生的热量传递至被测试件(25)。
4.根据权利要求1所述的复合应力下微构件高温疲劳性能测试装置，其特征在于:所述的拉伸柔性铰链(17)的刚性部分通过平垫片(18)和膨胀螺栓(19)与铰链支撑架(20)刚性连接，其柔性变形部分加工有规则沟槽结构，该沟槽结构确保拉伸封装式压电叠堆(29)承受压缩载荷，且对拉伸封装式压电叠堆(29)输出的直线位移进行恒比率的线性放大；膨胀螺栓(19)确保拉伸柔性铰链(17)的柔性变形部分不与铰链支撑架(20)发生摩擦。
5.根据权利要求1所述的复合应力下微构件高温疲劳性能测试装置，其特征在于:所述的耐高温隔热棉(16)与多载荷柔性铰链(10)的刚性部分紧固连接，三个耐高温隔热棉(16)的相对位置为等边三角形拓扑形式，且均面向被测试件(25)安装，用于隔绝氮化硅加热片(24)对多载荷封装式压电叠堆(9)的直接热辐射，削弱高温辐射对多载荷封装式压电叠堆(9)输出位移的影响；铰链支撑架(20)的侧壁上加工有规则的镂空栅格，用于拉伸封装式压电叠堆(29)的散热。
6.根据权利要求1所述的复合应力下微构件高温疲劳性能测试装置，其特征在于:所述的多载荷封装式压电叠堆(9)和拉伸封装式压电叠堆(29)均为叠堆式压电陶瓷促动器，具有输出位移自检测功能，响应时间为亚毫秒级；结合多载荷柔性铰链(10)和拉伸柔性铰链(17)柔性变形机构的恒定位移放大比率，分别获取四个压电驱动器输出端亚纳米分辨率的实时位移。
【专利摘要】本实用新型涉及一种复合应力下微构件高温疲劳性能测试装置，属于精密驱动领域。三个内置封装型压电叠堆的多载荷压电驱动器呈等边三角形拓扑安装形式，通过球面副和转动副的运动传递，其在不同时序电压下的轴向伸长运动对应于被测微尺度构件不同模式的拉伸-弯曲复合受载形式，即可实现试件其中一夹持端的三自由度高频交变运动。带有规则沟槽结构的拉伸压电驱动器亦可实现较大运动行程的单轴拉伸载荷的预加载。此外，氮化硅加热片嵌入式安装于夹具体的矩形卡槽中，可构建出具有可控温度梯度的服役温度场。本实用新型结构紧凑，测试内容丰富，可对航空发动机材料等在高温服役环境下的多应力疲劳失效行为进行研究。
【IPC分类】G01N3-18, G01N3-20
【公开号】CN204536132
【申请号】CN201520070031
【发明人】马志超, 赵宏伟, 任露泉, 刘长宜, 钟月曦, 刘先华
【申请人】吉林大学
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年2月2日