激光辐照圆柱壳试验加载装置及实验方法
【专利摘要】本发明涉及一种激光辐照圆柱壳试验加载装置及实验方法，其通过在激光辐照圆柱壳试验加载装置弹簧盖板下安装有弹簧，弹簧盖板在承受上压力或弹簧弹力作用下可沿弹簧盖板固定杆上下移动，保持试件在激光辐照过程中始终存在载荷作用，能够完整的进行圆柱壳在激光辐照及机械载荷作用下的坍塌破坏过程；本发明不仅保证压头在加载过程中竖直下压，且始终作用于同一点上不发生移动，从而有效避免因压头倾斜而导致轴压施加不均匀；保证试件在加载过程中中轴线与加载力作用线重合，不发生偏斜，保证受压均匀，从而避免了因试件偏心受压而导致试验结果产生偏差，提高了试验结果的准确性。
【专利说明】激光辐照圆柱壳试验加载装置及实验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种试样加载装置及实验方法，属于宏观力学性能测试【技术领域】。
技术背景
[0002]圆柱壳结构激光辐照失效试验是一种测定该种材料结构在机械载荷及激光辐照联合作用破坏时间的试验，也是机械性能测试的一个重要方面，对于结构的抗激光设计具有参考价值，且对激光防护材料的研究和防护结构的设计有重要工程应用价值。目前常用的力学试验机能够实现加载的功用，但是对于预加载激光辐照试验而言无法进行载荷保持，且现有夹具及设备在进行圆柱壳试验时容易出现试件偏心受压、轴压施加不均匀等问题。本发明的技术背景如下:
[0003]第一、由于强激光从开始作用到结构失效经过的时间非常短，不利于常规试验机所施加的变化机械载荷进行实验研究，故只能采用预加载的方式进行试验
[0004]第二、常规力学试验机采用的是上压头竖直下压的方式施加载荷，若进行激光辐照破坏试验，圆柱壳试件底端平放在试验机无弹簧的固定平台上，施加一定载荷后进行激光辐照，由于无法进行载荷保持，只能出现烧蚀破坏，无法出现两者同时作用时坍塌破坏的现象
[0005]第三、常规试验机对圆柱壳进行加载时采用的是两端平压的方式，压头靠丝杠连接，且作用于平面上，在压缩过程中无法保证压头完全水平及压头作用点不变。此外，若对非均匀生物材料的试件进行加压时，压头容易倾斜，这使得轴压施加不均匀，从而影响试验结果。
[0006]第四、在以往试验中并没有一种明确的方法来调整试件的中心线与载荷施加轴线对齐，偏心受压影响试验结果。由于试件为铝合金圆柱壳结构，偏心受压会导致预加载后试件偏斜，造成试件在激光辐照过程中提早坍塌，对试验结果影响为明显。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于在激光辐照圆柱壳试验加载装置弹簧盖板下安装有弹簧，弹簧盖板在承受上压力或弹簧弹力作用下可沿弹簧盖板固定杆上下移动，保持试件在激光辐照过程中始终存在载荷作用，能够完整的进行圆柱壳在激光辐照及机械载荷作用下的坍塌破坏过程；采用压杆的球形压头穿过导向板上的中心通孔后伸到试样压板上与之相匹配的球形凹槽中并竖直下压的方式对圆柱壳进行加载，保证压头在加载过程中竖直下压，且始终作用于同一点上不发生移动，从而有效避免因压头倾斜而导致轴压施加不均匀；试样压板及弹簧盖板采用带有凸台的形式，且凸台直径与试件内径相同，凸台分别卡入试件上下两端，试件上下边界线与平面接触，保证试件在加载过程中中轴线与加载力作用线重合，不发生偏斜，保证受压均匀，从而避免了因试件偏心受压而导致试验结果产生偏差，提高了试验结果的准确性。
[0008]为了解决激光辐照试验中预加载试样载荷保持的问题及压缩圆柱壳试样时容易出现的偏心受压、轴压施加不均匀等问题，使试验结果更准确，减小试验偏差，本发明提出了激光辐照圆柱壳试验加载装置及其相关试验方法。
[0009]一种激光辐照圆柱壳试验的加载装置，该装置包括压杆、导向板、试样压板、弹簧盖板、弹簧、弹簧底板、弹簧中心拉杆、底座板；所述导向板上设有四个通孔a和一个通孔b，通孔b位于导向板的中心位置，且与压杆配合；所述底座板上设有四个螺纹孔、四个通孔a、一个通孔d，各螺纹孔分别通过螺纹配合与弹簧盖板固定杆固定，所述四个螺纹孔采用周向对称方式布置；所述各通孔a分别通过螺栓配合与导向板固定杆固定，且在同一部件上采用周向对称方式布置；所述弹簧盖板上设有四个通孔c和一个通孔d，各通孔c分别通过螺栓配合与弹簧盖板固定杆固定，所述四个通孔c采用周向对称方式布置；所述弹簧底板中心设有一个通孔d ;所述弹簧中心拉杆一端与弹簧盖板上的通孔d相配合并用螺栓固定，另一端穿过弹簧中心、弹簧底板上的通孔d及底座板上的通孔d并用螺栓固定；所述弹簧底板平放于底座板上并保证中心一致，所述弹簧底端与弹簧底板相配合，顶端支撑弹簧盖板。
[0010]所述试样压板及弹簧盖板呈凸台型且凸台直径与圆柱壳试样内径相匹配，所述弹簧底板呈凸台型与弹簧相配合。
[0011]所述弹簧盖板、弹簧底板及底座板上的通孔d皆位于构件的中心位置。
[0012]所述试样压板大平面中心位置开有球形凹槽，所述压杆的一端为球面端，所述压杆的球面端与所述试样压板上的凹槽相匹配，所述压杆的平面端与力学试验机的压头相匹配。
[0013]所述弹簧盖板上的四个通孔c直径大于与弹簧盖板固定杆的螺纹端直径，保证所述弹簧盖板可沿弹簧盖板固定杆滑动。
[0014]利用该加载装置进行圆柱壳激光辐照破坏试验的方法，其具体步骤如下，
[0015]SI将激光辐照圆柱壳试验的加载装置平放在力学试验机或者可移动加载车上；
[0016]S2将圆柱壳试件的底端卡在弹簧盖板的凸台上，将试样压板的凸台嵌入圆柱壳试件的顶端内，将力学实验机压头压在压杆的平面端，将压杆的球形端穿过导向板上的通孔b放入试样盖板上的凹槽内，保证加载力作用线始终与试件中轴线重合，力学试验机的压头透过压杆对试件进行加载，得到位移-载荷曲线；
[0017]S3重复S2，重新装入圆柱壳试件操作，将该装置接入计算机系统测定试件破坏时间并配合高速摄像仪进行记录跟踪，采用上述加载系统对试件进行加载至一定载荷后停止;
[0018]S4在S3的基础上，配合激光器对圆柱壳试件的中心局部区域进行激光辐照，测定在该预加载荷下从开始辐照直至试件破坏的时间；
[0019]S5重复S3及S4操作，改变预加载的载荷大小，计入各预加载大小下试件的破坏时间，得到载荷-破坏时间曲线。
[0020]本发明取得如下有益效果:本发明在弹簧盖板下安置弹簧，弹簧盖板可在压力或者弹簧的弹性力作用下沿弹簧盖板固定杆上下移动，保证试件预加载后进行激光辐照过程中始终有载荷的作用，能够完整的进行圆柱壳在激光辐照及机械载荷作用下的坍塌破坏过程；常规试验机试验底座下没有弹簧作用，实现激光辐照试件过程中始终存在载荷作用。本发明采用压杆的球形压头穿过导向板上的中心通孔后伸到试样压板上与之相匹配的球形凹槽中并竖直下压的方式对圆柱壳进行加载，保证压头在加载过程中竖直下压，且始终作用于同一点上不发生移动，从而有效避免因压头倾斜而导致轴压施加不均匀；以往压缩试验中由于压头只靠丝杠连接，在压缩过程中无法保证压头完全水平。此外，由于生物材料的非均匀性，在对此类材料进行压缩试验时压头容易倾斜，这使得轴压施加不均匀，从而影响试验结果。本发明中试样压板及弹簧盖板采用带有凸台的形式，且凸台直径与试件内径相同，凸台分别卡入试件上下两端，试件上下边界线与平面接触，保证试件中轴线在加载过程中与加载力作用线始终重合，从而避免了因试件偏心受压而导致试验结果产生偏差，提高了试验结果的准确性；以往圆柱壳压缩试验中并没有一种明确的方法来调整试件的中心线与载荷施加轴线对齐，如果不对齐将导致试件偏心受压，影响试验结果。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1根据本发明的激光辐照圆柱壳试验加载装置的装配示意图。
[0022]图2根据本发明的激光辐照圆柱壳试验加载装置的压杆示意图。
[0023]图3根据本发明的激光辐照圆柱壳试验加载装置的试样压板示意图。
[0024]图4根据本发明的激光辐照圆柱壳试验加载装置的弹簧盖板示意图。
[0025]图5根据本发明的激光辐照圆柱壳试验加载装置的底座板示意图。
[0026]图6根据本发明的激光辐照圆柱壳试验加载装置的弹簧底板示意图。
[0027]图7圆柱壳常温屈曲性能测试试验结果。
[0028]图8预加载圆柱壳激光辐照破坏测试试验结果。
[0029]图中:1、压杆，2.1、通孔a, 2.2、通孔b，2.3、通孔c，2.4、通孔d，3、导向板，4、试样压板，5、导向板固定杆,6、弹簧盖板,7、弹簧盖板固定杆，8、弹簧中心拉杆,9、弹簧，IO、弹簧底板，11、底座板，12、螺纹孔。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图对本发明的激光辐照圆柱壳试验加载装置及利用该加载装置进行预加载圆柱壳激光福照破坏试验的试验方法进行介绍。
[0031]如图1-6所示，一种激光辐照圆柱壳试验的加载装置，该装置包括压杆1、导向板
3、试样压板4、弹簧盖板6、弹簧9、弹簧底板10、弹簧中心拉杆8、底座板11 ;所述导向板3上设有四个通孔a2.1和一个通孔b2.2，通孔b2.2位于导向板3的中心位置，且与压杆I配合；所述底座板11上设有四个螺纹孔12、四个通孔a2.1、一个通孔d2.4，各螺纹孔12分别通过螺纹配合与弹簧盖板固定杆7固定，所述四个螺纹孔12采用周向对称方式布置；所述各通孔a2.1分别通过螺栓配合与导向板固定杆5固定，且在同一部件上采用周向对称方式布置；所述弹簧盖板6上设有四个通孔c2.3和一个通孔d2.4，各通孔c2.3分别通过螺栓配合与弹簧盖板固定杆7固定，所述四个通孔c2.3采用周向对称方式布置；所述弹簧底板10中心设有一个通孔d2.4 ;所述弹簧中心拉杆8 一端与弹簧盖板6上的通孔d2.4相配合并用螺栓固定，另一端穿过弹簧9中心、弹簧底板10上的通孔d2.4及底座板11上的通孔d2.4并用螺栓固定；所述弹簧底板10平放于底座板11上并保证中心一致，所述弹簧9底端与弹簧底板10相配合，顶端支撑弹簧盖板6。
[0032]所述试样压板4及弹簧盖板6呈凸台型且凸台直径与圆柱壳试样内径相匹配，所述弹簧底板10呈凸台型与弹簧9相配合。[0033]所述弹簧盖板6、弹簧底板10及底座板11上的通孔d2.4皆位于构件的中心位置。
[0034]所述试样压板4大平面中心位置开有球形凹槽，所述压杆I的一端为球面端，所述压杆I的球面端与所述试样压板4上的凹槽相匹配，所述压杆I的平面端与力学试验机的压头相匹配。
[0035]所述弹簧盖板6上的四个通孔c2.3直径大于与弹簧盖板固定杆7的螺纹端直径，保证所述弹簧盖板6可沿弹簧盖板固定杆7滑动。
[0036]利用该加载装置进行圆柱壳激光辐照破坏试验的方法，其具体步骤如下，
[0037]SI将激光辐照圆柱壳试验的加载装置平放在力学试验机或者可移动加载车上；
[0038]S2将圆柱壳试件的底端卡在弹簧盖板6的凸台上，将试样压板4的凸台嵌入圆柱壳试件5的顶端内，将力学实验机压头压在压杆I的平面端，将压杆I的球形端穿过导向板3上的通孔b2.2放入试样盖板4上的凹槽内，保证加载力作用线始终与试件中轴线重合，力学试验机的压头透过压杆I对试件进行加载，得到位移-载荷曲线；
[0039]S3重复S2，重新装入圆柱壳试件操作，将该装置接入计算机系统测定试件破坏时间并配合高速摄像仪进行记录跟踪，采用上述加载系统对试件进行加载至一定载荷后停止;
[0040]S4在S3的基础上，配合激光器对圆柱壳试件的中心局部区域进行激光辐照，测定在该预加载荷下从开始辐照直至试件破坏的时间；
[0041]S5重复S3及S4操作，改变预加载的载荷大小，计入各预加载大小下试件的破坏时间，得到载荷-破坏时间曲线。
[0042]实施例
[0043]利用力学试验机配合激光辐照圆柱壳试验加载装置进行预加载圆柱壳激光辐照破坏试验:
[0044]第一步、组装加载装置，加载装置组装完成后可保持不动，重复性进行试验操作。将底座板平放在力学试验机的试验架上，将四个导向板固定杆的螺纹端分别装入底座板上的四个通孔并用螺母固定，另一端分别装入导向板上的四个通孔中并用螺母固定；将弹簧底板的大平面端平放在底座板上，将弹簧一端嵌在弹簧底板的凸台上，另一端支撑弹簧盖板，并保证底座板上通孔中心、弹簧底板上通孔中心、弹簧中轴线、弹簧盖板上通孔中心在同一轴线上，将四个弹簧盖板固定杆的短螺纹端分别分别与底座板上的四个螺纹孔配合固定，长螺纹端穿过弹簧盖板上的通孔并用螺母固定，将弹簧中心压杆的长螺纹端穿过弹簧盖板上的通孔并用螺母固定，另一端穿过弹簧中心、弹簧底板上的通孔、底座板上的通孔并用螺母固定，将压杆导套装入导向板上的通孔。
[0045]第二步、进行试验操作，将直径200毫米，高150毫米，壁厚0.4毫米，为方便装卡和加载，两端加厚3mm的5052-0材质的圆柱壳试件底端卡在弹簧盖板的凸台上,将试样压板的凸台嵌入圆柱壳试件顶端内，将压杆的球形端穿过导向板中心通孔放入试样盖板上的凹槽内，控制试验机压头以50毫米/分钟的速度下降到距离压杆的平面端上方大约5毫米位置，然后以5毫米/分钟的速度继续缓慢下降直至接触压杆平面端，并观察载荷值，载荷值一上升就停止下降，将载荷和位移归零，设定试验速度为0.1毫米/分钟，开始加载，得到位移-载荷曲线如图7所示。
[0046]第三步、重复第二部操作装入同样尺寸大小的圆柱壳，控制试验机压头以50毫米/分钟的速度下降到距离压杆的平面端上方大约5毫米位置，然后以5毫米/分钟的速度继续缓慢下降直至接触压杆平面端，并观察载荷值，载荷值一上升就停止下降，将载荷和位移归零，设定试验速度为0.1毫米/分钟，开始加载，加载到一定值时，停止加载并保持，然后对圆柱壳中心局部区域进行激光辐照，测定其破坏时间，重复该步操作，设定不同的载荷值，测定对应破坏时间，得载荷-破坏时间曲线如图8所示。
[0047]上述仅对本发明中的几种具体实施例加以说明，但并不能作为本发明的保护范围，凡是依据本发明中的设计精神所做出的等效变化或修饰或等比例放大或缩小等，均应认为落入本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种激光辐照圆柱壳试验的加载装置，其特征在于:该装置包括压杆(I)、导向板(3)、试样压板(4)、弹簧盖板(6)、弹簧(9)、弹簧底板(10)、弹簧中心拉杆(8)、底座板(11)；所述导向板(3)上设有四个通孔a (2.1)和一个通孔b (2.2)，通孔b (2.2)位于导向板(3)的中心位置，且与压杆(I)配合；所述底座板(11)上设有四个螺纹孔(12)、四个通孔a(2.1)、一个通孔d (2.4)，各螺纹孔(12)分别通过螺纹配合与弹簧盖板固定杆(7)固定，所述四个螺纹孔(12)采用周向对称方式布置；所述各通孔a (2.1)分别通过螺栓配合与导向板固定杆(5)固定，且在同一部件上采用周向对称方式布置；所述弹簧盖板(6)上设有四个通孔c (2.3)和一个通孔d (2.4)，各通孔c (2.3)分别通过螺栓配合与弹簧盖板固定杆(7)固定，所述四个通孔c (2.3)采用周向对称方式布置；所述弹簧底板(10)中心设有一个通孔d (2.4);所述弹簧中心拉杆(8) —端与弹簧盖板(6)上的通孔d (2.4)相配合并用螺栓固定，另一端穿过弹簧(9)中心、弹簧底板(10)上的通孔d (2.4)及底座板(11)上的通孔d (2.4)并用螺栓固定；所述弹簧底板(10)平放于底座板(11)上并保证中心一致，所述弹簧(9)底端与弹簧底板(10)相配合，顶端支撑弹簧盖板(6)。
2.依权利要求1所述的激光辐照圆柱壳试验的加载装置，该装置的试验的方法，其特征在于:具体步骤如下， SI将激光辐照圆柱壳试验的加载装置平放在力学试验机或者可移动加载车上； S2将圆柱壳试件的底端卡在弹簧盖板(6)的凸台上，将试样压板(4)的凸台嵌入圆柱壳试件(5)的顶端内，将力学实验机压头压在压杆(I)的平面端，将压杆(I)的球形端穿过导向板(3)上的通孔b (2.2)放入试样盖板(4)上的凹槽内，保证加载力作用线始终与试件中轴线重合，力学试验机的压头透过压杆(I)对试件进行加载，得到位移-载荷曲线； S3重复S2，重新装入圆柱壳试件操作，将该装置接入计算机系统测定试件破坏时间并配合高速摄像仪进行记录跟踪，采用上述加载系统对试件进行加载至一定载荷后停止； S4在S3的基础上，配合激光器对圆柱壳试件的中心局部区域进行激光辐照，测定在该预加载荷下从开始辐照直至试件破坏的时间； S5重复S3及S4操作，改变预加载的载荷大小，计入各预加载大小下试件的破坏时间，得到载荷_破坏时间曲线。
3.根据权利要求1所述的一种激光辐照圆柱壳试验的加载装置，其特征在于:所述试样压板(4)及弹簧盖板(6)呈凸台型且凸台直径与圆柱壳试样内径相匹配；所述弹簧底板(10)呈凸台型与弹簧(9)相配合； 所述弹簧盖板(6)、弹簧底板(10)及底座板(11)上的通孔d (2.4)皆位于构件的中心位置； 所述试样压板(4)大平面中心位置开有球形凹槽，所述压杆(I)的一端为球面端；所述压杆(I)的球面端与所述试样压板(4)上的凹槽相匹配；所述压杆(I)的平面端与力学试验机的压头相匹配； 所述弹簧盖板(6)上的四个通孔c (2.3)直径大于与弹簧盖板固定杆(7)的螺纹端直径，保证所述弹簧盖板(6)可沿弹簧盖板固定杆(7)滑动。
【文档编号】G01N3/08GK103760026SQ201410050406
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年2月13日 优先权日:2014年2月13日
【发明者】龙连春, 王亭亭, 黄尧 申请人:北京工业大学