一种组合卧式试验台及其材料性能测试方法和系统与流程

本发明涉及材料性能测试及实验教学技术领域，尤其涉及一种组合卧式试验台及基于该组合卧式试验台的材料性能测试方法和系统。

背景技术：

目前，承受拉扭、压扭载荷的构件在工程中有着广泛的应用，如石油工程中的钻柱、套管柱、油管柱和抽油杆柱在水平井筒中工作时除受压外，两端还受沿轴线作用的力偶，从而形成力螺旋作用，杆将发生压扭变形。航空发动机的机匣同样受到轴压、扭转组合载荷的作用，机匣的屈曲破坏将导致发动机的进气流场的流动特性，并使发动机产生振动，严重时会使整个发动机抖动及至结构发生屈曲破坏。因此为了解材料在复杂应力状态下的应力与应变对应关系，以及复杂应力变化对材料应力对应变曲线变化速率的影响规律，建立复杂应力综合试验台，并开设相关实验研究具有重要意义。

然而，现有的实验加载平台的加载方式单一，往往只能单独向试样施加拉压载荷或者扭转载荷，因此无法有效地测量出材料在承受拉扭或者压扭情况下的准确受力情况。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中实验加载平台加载方式单一的问题，提供了一种能够同时施加拉压载荷和扭转载荷的组合卧式试验台及其材料性能测试方法和系统。

根据本发明第一方面，提供了一种组合卧式试验台，包括底座，以及安装于所述底座上沿同一水平线依次设置的加载装置、夹具、数据采集装置和支撑台；所述夹具用于轴向固定试样；所述加载装置包括拉压组件和扭转组件；所述拉压组件用于产生轴向的拉压载荷；所述扭转组件用于产生轴向的扭转载荷，并与所述拉压载荷联动加载至所述夹具上；所述数据采集装置连接在所述支撑台和夹具之间，用于对加载荷载后试样的拉压载荷和/或扭矩的数据进行采集。

优选地，所述数据采集装置至少包括：第一承载台、第一转筒、力臂杆和第一力传感器；所述第一承载台固定安装于所述底座上，所述第一承载台中部安装有所述第一转筒且仅在径向约束所述第一转筒；所述第一转筒一端与所述支撑台连接，所述第一转筒另一端固定所述夹具；所述第一转筒侧面固定连接有所述力臂杆，所述力臂杆的端部与固定在所述底座上的第一力传感器接触，所述第一力传感器用于检测所述力臂杆端部对第一力传感器产生的压力，以进行扭矩的测量。

优选地，所述数据采集装置还包括连接在所述第一转筒和支撑台之间的第二力传感器，用于检测所述试样的拉压载荷。

优选地，所述拉压组件至少包括减速器、第一摇杆、螺旋推杆、第二承载台和轴向力转换筒；所述减速器和第二承载台固定安装在所述底座上，所述螺旋推杆贯穿所述减速器的中部，所述第一摇杆安装在所述减速器上，用于带动减速器调节所述螺旋推杆产生轴向位移；所述轴向力转换筒安装在所述第二承载台中部，且所述第二承载台仅在径向约束轴向力转换筒；所述轴向力转换筒内设有隔板，所述螺旋推杆的端部伸入所述轴向力转换筒内并与所述隔板连接，以带动所述轴向力转换筒产生轴向位移。

优选地，所述扭转组件包括旋转机构、第二转筒、第二摇杆、转轴和止推轴承；所述旋转机构固定在所述底座上，所述第二转筒安装在所述旋转机构的中部，所述第二摇杆安装在所述旋转机构上，用于通过所述旋转机构带动所述第二转筒旋转；所述第二转筒一端固定有所述转轴，所述转轴贯穿所述轴向力转换筒，并通过止推轴承与所述轴向力转换筒实现轴向的同步位移；所述第二转筒另一端固定所述夹具，用于带动所述夹具旋转和/或产生轴向位移。所述加载装置中的拉压组件中的减速器，在第一摇杆的作用下带动螺旋推杆实现轴向的移动加载，中间通过轴向力转换筒将荷载传递到固定试样的夹具上，夹具与旋转机构相连，以实现对试件的扭矩加载。

优选地，所述数据采集装置还包括安装于所述转轴的自由旋转端头的轴角编码器，所述轴角编码器用于采集试样的扭转角数据。

本发明第二方面，提供一种基于组合卧式试验台的材料性能测试系统，包括上述的组合卧式试验台和数据处理装置；所述数据处理装置与所述组合卧式试验台的数据采集装置连接，用于对所述数据采集装置采集的拉压载荷和/或扭矩的数据进行处理。

优选地，所述数据处理装置在基于所述数据采集装置采集的扭矩的数据进行处理时，通过以下公式计算扭矩m：

m＝l×f；

优选地，l为力臂杆上与第一力传感器的着力点到第一转筒中心轴的距离矢量；f为第一力传感器采集的矢量力。

优选地，所述数据处理装置通过计算机虚拟仪器技术实时测量、记录试样中多种载荷的变化，并通过分析界面进行实时显示，以得出最终实验结果。

优选地，数据处理装置从组合卧式试验台的数据采集装置中接收的是模拟信号，经数字转换后传送到计算机中并将数据记录并分析，所述采集数据通过com口传送至计算机中，并在操作界面中进行显示。

本发明第三方面，提供一种基于如上所述的组合卧式试验台的材料性能测量方法，包括：加载载荷步骤，通过加载装置对试件施加拉压载荷和/或扭转载荷；以及数据采集步骤，通过数据采集装置采集试样的拉压载荷和/或扭矩的数据。

本发明的组合卧式试验台及其材料测试系统及方法，具有以下有益效果：本发明通过在加载装置中同时设置拉压组件和扭转组件，解决了传统实验加载平台加载方式单一的技术问题，能够同时对试样施加拉压和扭转载荷，并可对该复杂受力情况下的拉压载荷和/或扭矩的数据进行测量，使整体系统测量精度高，稳定性能好，材料性能评价可靠；进一步地，本发明通过采用力臂集合矢量力的检测方式，可以避免传统扭矩传感器在承受拉压载荷时易损坏的问题；进一步地，本发明的装置可以单独或者同时加载，提高整体测量时的灵活性。

附图说明

图1是本发明优选实施例提供的组合卧式试验台的结构示意图；

图2是本发明优选实施例提供的组合卧式试验台的扭矩测量部分结构的截面示意图；

图3是本发明优选实施例提供的基于组合卧式试验台的材料性能测试系统模块框图；

图4是本发明优选实施例的基于组合卧式试验台的材料性能测试方法流程图；

图中：1：底座；2：减速器；3：第二承载台；4：旋转机构；5：第一承载台；6：支撑台；7：螺旋推杆；8：轴向力转换筒；81：隔板；9：第二转筒；10：第一转筒；11：第二力传感器；12：轴角编码器；13：转轴；14：止推轴承；15：力臂杆；16：第一力传感器；17：第一摇杆；18：第二摇杆；19：夹具；20：试样；100：组合卧式试验台；110：数据采集装置；200：数据处理装置。

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的一部分实施例，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做出创造性劳动的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。

在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“一端”、“另一端”、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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。

请参阅图1，为本发明优选实施例提供的组合卧式试验台的结构示意图。如图1所示，该组合卧式试验台包括底座1，以及依次安装于底座1上的加载装置、夹具19、数据采集装置和支撑台6。例如，图1中从右至左侧沿同一水平线依次设置加载装置、夹具19、数据采集装置和支撑台6。其中，夹具9安装在加载装置和数据采集装置之间，用于轴向固定试样20。本发明中提及的“轴向”是指试样20沿水平摆放时中心轴所在方向，“周向”是指试样20垂直于中心轴的横截面上的圆周方向。加载装置安装在夹具19的右侧，可以为夹具19联动加载拉压载荷和扭转载荷。该加载装置包括拉压组件和扭转组件，其中拉压组件用于产生轴向上的拉压载荷，扭转组件则用于产生周向的扭转载荷，并与所述拉压载荷联动加载至夹具19上。支撑台6固定于底座1的最左侧，用于在轴向上间接为夹具19提供左侧的支撑力。该支撑台6可以采用挡块或挡板等止档件实现。数据采集装置连接在支撑台6和夹具19之间，用于对加载荷载后试样20的拉压载荷和/或扭矩的数据进行采集。

在本发明优选的实施方式中，拉压组件至少包括减速器2、第一摇杆17、螺旋推杆7、第二承载台3和轴向力转换筒8。其中，减速器2和第二承载台3固定安装在底座1上，螺旋推杆7贯穿该减速器2的中部。第一摇杆17安装在减速器2上，通过旋转第一摇杆17可以带动减速器2内部的齿轮齿条，调节螺旋推杆7产生轴向位移。轴向力转换筒8沿水平轴向安装在第二承载台3的中部，且第二承载台3仅在径向上约束轴向力转换筒8。轴向力转换筒8内设有隔板81，该隔板81将轴向力转换筒8分隔成左右两部分腔室。螺旋推杆7的端部伸入轴向力转换筒8的右侧腔室内并与隔板81连接，以带动轴向力转换筒8产生同步的轴向位移。该隔板81与螺旋推杆7不完全固定连接，隔板81仅在轴向上约束螺旋推杆7产生轴向位移，当螺旋推杆7旋转向左推进时，轴向力转换筒8不随之旋转。轴向力转换筒8的左侧用于连接扭转组件。

在本发明优选的实施方式中，扭转组件包括旋转机构4、第二转筒9、第二摇杆18、转轴13和止推轴承14。其中旋转机构4固定安装在底座1上。第二转筒9沿水平轴向安装在旋转机构4的中部，旋转机构4仅为第二转筒9提供径向约束。第二摇杆18安装在旋转机构4上，通过旋转第二摇杆18可以带动旋转机构4内部的蜗轮蜗杆机构，为第二转筒9的旋转提供扭矩。第二转筒9一端固定转轴13，另一端固定夹具19。转轴13贯穿轴向力转换筒8的左侧腔室，并通过两个止推轴承14与轴向力转换筒8实现轴向的同步位移。这两个止推轴承14安装在转轴13上且分别位于轴向力转换筒8内部和外部，以防止转轴13与轴向力转换筒8的连接处，因轴向间隙过大而造成轴向窜动。第二转筒9可以带动夹具19旋转和/或产生轴向位移，以单独加载拉压或扭转载荷，或者联动加载拉压和扭转载荷。

优选地，数据采集装置至少具有对扭矩数据的测量功能。现有技术中通常采用扭矩传感器来测量扭矩数据，但是这种扭矩传感器不能承受轴向的拉压载荷，并不适用于本发明复杂应力情况下的试验平台。因此，本发明优选采用力臂结合力传感器的方式来测量扭矩数据，通过侧面设置的力臂和力传感器有效地避免了轴向受力的问题。请结合参阅图2，为本发明优选实施例提供的组合卧式试验台的扭矩测量部分结构的截面示意图。该数据采集装置至少包括：第一承载台5、第一转筒10、力臂杆15和第一力传感器16。如图1所示，第一承载台5固定安装于底座1上。第一转筒10贯穿该第一承载台5。第一转筒10仅在径向受第一承载台5的约束，并可在该第一承载台5内做旋转运动。第一转筒10的左侧直接或者间接连接至支撑台6，并且支撑台6为第一转筒10提供左侧的支撑力。第一转筒10右端固定夹具19。第一转筒10侧面固定连接有力臂杆15。第一力传感器16固定安装在底座1上，且置于力臂杆15的端部下方，与力臂杆15的端部接触。第一力传感器16用于检测力臂杆15端部对第一力传感器16产生的压力，以进行扭矩的测量。优选地，力臂杆15的端部可以通过向下凸起的探针与第一力传感器16上的检测面接触。更优选地，第一力传感器16位于力臂杆15端部的正下方，且沿垂直方向安装在底座1上，力臂杆15与第一力传感器16呈直角接触，以保证力沿垂直方向传导，从而使得第一力传感器16检测到的是力臂杆15端部对第一力传感器16产生的垂直方向的压力。力传感器是将力的量值转换为相关电信号的器件检测张力、拉力、压力、重量、扭矩、内应力和应变等力学量。该第一力传感器16为能检测压力的力传感器。优选地，该第一力传感器16采用无锡世敖科技有限公司生产的型号为cl-yb-2/50kb的压力传感器。因此，在进行扭矩测量时，由于第一转筒10与力臂杆15连接并与第一力传感器16接触所以不会转动，只有力臂杆15的端部会在第一转筒10的扭转力作用下对第一力传感器16产生垂直向下的压力，第一力传感器16用于检测该压力以进行扭矩的测量。例如，测量出力臂杆15上与第一力传感器16的着力点到第一转筒10中心轴的距离矢量l，再测量出第一力传感器16采集的矢量力f，并通过以下公式计算扭矩m：m＝l×f。

在本发明更优选的实施例中，数据采集装置还具有对拉压载荷的测量功能。优选地，数据采集装置还包括连接在第一转筒10和支撑台6之间的第二力传感器11，用于检测所述试样20的拉压载荷。该第二力传感器11为用于检测水平轴向上拉力或压力的拉压传感器。优选地，第一转筒10与第二力传感器11之间还设有止推轴承，以保证第二力传感器11不转动。

在本发明更优选的实施例中，所述数据采集装置还优选包括安装于所述转轴13的自由旋转端头的轴角编码器12，该轴角编码器12用于采集试样的扭转角数据。

本发明提供的组合卧式试验台有三种实施方式，可以分别测量三种不同应力状态下的材料性能。第一种实施方式是对试样20进行单独的拉压载荷加载。试验员可以摇动第一摇杆17，该第一摇杆17带动减速器2内部的齿轮齿条结构运动，从而带动螺旋推杆7做螺旋运动并产生轴向位移。螺旋推杆7驱动轴向力转换筒8产生同步的轴向位移。轴向力转换筒8将受到的拉压载荷传递给其左端连接的转轴13。转轴13将拉压载荷传递给第二转筒9。第二转筒9再将拉压载荷加载至夹具19上。最终夹具19将拉压载荷传递给试样20，从而完成拉压组件对试件20的拉伸载荷或压缩载荷的加载。数据采集装置可以通过第二力传感器11对试样20承受的拉伸载荷或者压缩载荷进行测量。

第二种实施方式是对试样20进行单独的扭转载荷加载。试验员可以摇动第二摇杆18。第二摇杆18带动旋转机构4内部的蜗轮蜗杆机构运动，进而带动第二转筒9旋转，产生周向的扭转载荷。第二转筒9将该扭转载荷加载给其左端固定的夹具19上。最终，夹具19将扭转载荷传递给试样20，从而完成扭转组件对试样20扭转载荷的加载。数据采集装置可以通过第二力传感器11对试样20的扭矩进行测量。同时，通过轴角编码器12对试样20的扭转角进行测量。

第三种实施方式是对试样20同时施加拉压载荷和扭转载荷。试验员可以同时摇动第一摇杆17和第二摇杆18，第一摇杆17带动减速器2内部的齿轮齿条结构运动，进而带动螺旋推杆7做螺旋运动且产生轴向位移。螺旋推杆7驱动轴向力转换筒8同步位移，并通过转轴13将拉压载荷传递给第二转筒9。与此同时，第二摇杆18带动旋转机构4内部的蜗轮蜗杆机构运动，进而带动第二转筒9旋转。第二转筒9产生周向的扭转载荷，并连同拉压载荷一起施加至夹具19，从而完成对试样20拉压载荷和扭转载荷的同时加载。数据采集装置可以同时通过第一力传感器16和第二力传感器11对试样20的拉压载荷、和扭矩进行测量。并可以进一步通过轴角编码器12对试验20的扭转角进行测量。

优选地，前述螺旋推杆7、轴向力转换筒8、转轴13、第二转筒9、夹具19、试样20、第一转筒10和第二力传感器11均位于同一轴向水平线上，以此保证拉压载荷或/和扭转载荷更有效地传导至试样20上，同时也有利于数据采集装置对数据的采集。

本发明还提供了一种基于组合卧式试验台的材料性能测试系统。请参阅图3，为根据本发明优选实施例的基于组合卧式试验台的材料性能测试系统的模块框图。如图3所示，该组合卧式试验系统包括组合卧式试验台100和数据处理装置200。其中组合卧式试验台100可以采用如前所述的组合卧式试验台100实现。数据处理装置200与该组合卧式试验台100中的数据采集装置110连接，用于对数据采集装置110采集的拉压载荷和/或扭矩的数据进行处理，得到具体参数值。数据采集装置110中各个传感器输出的是模拟信号。数据处理装置200可由例如解调系统和计算机实现，先通过解调系统将模拟信号进行数字转换，再传送到计算机中记录并分析该数据。优选地，数据处理装置200可以基于数据采集装置110采集的扭矩的数据进行处理，并通过以下公式计算扭矩m：

m＝l×f；

其中l为力臂杆15上与第一力传感器16的着力点到第一转筒10中心轴的距离矢量；f为第一力传感器16采集的矢量力。

数据处理装置200还用于记录第二力传感器11测量的拉压载荷的数值，以及轴角编码器12测量的扭转角的数值。数据处理装置200可以进一步绘制扭转角与扭矩的曲线并显示所处的轴向应力状态。

更优选地，该数据处理装置200通过算机虚拟仪器技术实时测量试验中多种载荷的变化，并可进一步记录试样中多种载荷的变化，并通过分析界面进行实时显示，以得出最终实验结果。

本发明还提供了一种组合卧式试验台的材料性能测试方法，请参阅图4，为根据本发明优选实施例的组合卧式试验台的材料性能测试方法的流程图。该方法基于如前所述的组合卧式试验台来实现。如图4所示，该组合卧式试验台的材料性能测试方法包括以下步骤：

首先，在步骤s301中，执行加载载荷步骤，通过加载装置对试件施加拉压载荷和/或扭转载荷。例如，通过拉压组件产生轴向的拉压载荷，通过扭转组件产生周向的扭转载荷。通过摇动第一摇杆17启动该拉压组件，和/或摇动第二摇杆18启动扭转组件完成对试样载荷的加载。

数据采集步骤s302，通过数据采集装置采集试样的拉压载荷和/或扭矩的数据。例如通过前述第一力传感器16、第二力传感器11和/或轴角编码器12对试样20的拉压载荷、扭矩和/或扭转角进行测量。

优选地，该材料性能测试方法还包括数据处理步骤，通过对数据采集装置输出的数据进行转化计算分析，从而得出对试样进行拉压载荷加载和/或压扭载荷加载试验的最终结果。该数据处理步骤可以采用如前所述的数据处理装置200实现。

综上所述，本发明通过在加载装置中同时设置拉压组件和扭转组件，可实现拉伸、压缩、拉扭、压扭四种载荷试验，可同时测量拉压载荷、扭转角及扭矩大小。并且拉压载荷和扭转载荷可实现分离加载和同步加载，加载速度也可以实现分离控制。因此，本发明采用在拉伸、压缩、扭转任意组合的加载方法来评价材料的力学响应。另外，本发明还提供了基于该组合卧式试验台的材料性能测试方法和系统。本发明解决传统实验加载平台加载方式单一的技术问题，通过对轴向载荷、扭矩、扭转角的同步测量，使整体系统测量精度高，稳定性能好，材料性能评价可靠。

最后应说明的是：以上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精神和范围。