高频原位成像疲劳试验机的制作方法

本实用新型涉及材料测试技术领域，具体而言，涉及一种高频原位成像疲劳试验机。

背景技术：

材料与结构疲劳是学术和工程界长期关注的重点课题，传统的光学显微镜和电子显微镜等方法仅能获得材料表面疲劳裂纹，而内部气孔、夹渣、组织等引起的三维疲劳裂纹及其耦合行为与表面完全不同。原位疲劳试验机与先进的同步辐射X射线成像技术相结合使得科学家能够深入到材料内部，非破坏性和原位实时地探测疲劳损伤和断裂的过程及其演变规律。但传统的疲劳试验机选用步进电机作为驱动装置，而步进电机存在效率较低、发热大、有时会“失步”等缺点，机械传动中存在着反向间隙、惯性作用、摩擦力影响和刚性不足等问题。并且传统的疲劳试验机加载频率较低，疲劳试验时间过长，而且同步辐射光源作为多学科大型顶尖研究装置，用户使用机时又有严格限制，目前国内外普遍开展低周疲劳试验。

随着科技的进步，航空、航天、高速机车等机械制造行业对机件材料的疲劳强度、疲劳寿命要求越来越高，如高速列车等现代交通工具的关键部件疲劳寿命普遍要达到10⁷周次及以上，航天飞行器的涡轮发动机甚至要达到10¹⁰周次。研究材料的高周和超高周疲劳失效机制意义重大，而这些也对疲劳试验机的加载频率和运行可靠性提出了新的要求。大载荷的低周疲劳试验频率在0.1-50Hz之间，而高频试验频率在50-300Hz范围之内。现有的原位成像疲劳试验机只能进行低周疲劳试验。

因此，亟需一种能够进行高周和超高周疲劳的原位成像疲劳试验机。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种高频原位成像疲劳试验机，其能够在对材料完成高频疲劳试验的同时与同步辐射光源试验平台良好兼容，得到材料内部的三维立体图像，且试验机具有结构简单，体积小的特点。

本实用新型的实施例是这样实现的：

本实用新型提供的一种高频原位成像疲劳试验机，其包括：

试验机机体；

试样夹持机构；用于夹持固定试样，试样夹持机构包括相对设置的第一夹持组件和第二夹持组件；

预置力加载机构；预置力加载机构设置于试样夹持机构的第一夹持组件一侧，用于对试样施加预设拉压力；

音圈电机；音圈电机固定连接于试验机机体，且音圈电机的作动轴连接于第二夹持组件。

在本实用新型较佳的实施例中，上述试验机机体包括试验机底座和试验机支座，试验机底座和试验机支座拆卸式连接，且试验机底座和试验机支座之间形成用于容纳音圈电机的安装腔，音圈电机的作动轴穿过试验机支座与第二夹持组件连接。

在本实用新型较佳的实施例中，上述音圈电机在作动轴轴线方向的两侧设置有缓冲垫。

在本实用新型较佳的实施例中，上述预置力加载机构包括螺纹杆和螺纹支撑筒，螺纹支撑筒转动连接于试验机机体，且螺纹支撑筒套设于螺纹杆，螺纹支撑筒和螺纹杆螺纹配合，螺纹杆的一端连接于第一夹持组件。

在本实用新型较佳的实施例中，上述预置力加载机构还包括推力轴承，推力轴承套设于螺纹支撑筒，螺纹支撑筒通过推力轴承于试验机机体转动连接。

在本实用新型较佳的实施例中，上述螺纹支撑筒的外壁设置有环形凸缘，推力轴承包括第一推力轴承和第二推力轴承，第一推力轴承和第二推力轴承分别设置于环形凸缘的两侧。

在本实用新型较佳的实施例中，上述第一夹持组件包括沿预设拉压力的方向相对设置的两个第一夹持件，第二夹持组件包括沿预设拉压力的方向相对设置的两个第二夹持件，两个第一夹持件之间形成用于夹住试样的第一夹腔，两个第二夹持件之间形成用于夹住试样的第二夹腔；两个第一夹持件相对靠近第二夹持组件中的一个第一夹持件开设有第一安装槽，第一安装槽从第一夹持件的边缘延伸至第一夹持件的中间位置，两个第二夹持件相对靠近第一夹持件中的一个第二夹持件开设有第二安装槽，第二安装槽从第二夹持件的边缘延伸至第二夹持件的中间位置。

在本实用新型较佳的实施例中，上述两个第一夹持件相对远离第二夹持组件的一个第一夹持件设置有与试样的一端匹配的第一凹槽，两个第二夹持件相对远离第一夹持组件的一个第二夹持件设置有与试样的另一端匹配的第二凹槽。

在本实用新型较佳的实施例中，上述高频原位成像疲劳试验机还包括环绕试样夹持机构设置的透明罩、设置在透明罩相对两侧的同步辐射光源光发射器和同步辐射光源光接收器，以及同步辐射光源平台，试验机机体转动连接于同步辐射光源平台。

在本实用新型较佳的实施例中，上述高频原位成像疲劳试验机还包括数据采集与控制装置和具有透明罩、同步辐射光源光发射器、同步辐射光源光接收器以及同步辐射光源平台的高频原位成像疲劳试验机，音圈电机、同步辐射光源和光接收器均与数据采集与控制装置通信连接。

本实用新型实施例的有益效果是：以音圈电机作为驱动装置，音圈电机具有高频率、高精度、高速响应、高传动刚度、平稳的推力、高的可靠性、寿命长等特点。能将电能直接转换成直线运动的机械能，进而省略了电动机与夹具之间的一切机械传动，实现了电机与夹具之间的直接传动，试验频率可达到50Hz及以上，实现高频作动，进而对试样进行高频疲劳，研究材料的高周乃至超高周疲劳失效机制。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例的高频原位成像疲劳试验机的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的高频原位成像疲劳试验机进行检测的试样的结构示意图；

图3为本实用新型实施例的第二夹持组件夹持试样的的结构示意图；

图4为本实用新型实施例中的第二夹持件的结构示意图；

图5为本实用新型实施例的预置力加载机构的剖面结构示意图。

图中：10-高频原位成像疲劳试验机；100-试验机机体；110-试验机底座；120-试验机支座；130-固定板；140-支撑筒；150-顶盖；160-轴承压盖；200-试样夹持机构；210-第一夹持组件；210a-第一夹持件；210b-第一夹持件；220-第二夹持组件；220a-第二夹持件；220b-第二夹持件；221-第二安装槽；222-第二凹槽；230-调节盘；300-预置力加载机构；310-螺纹杆；320-螺纹支撑筒；330a-第一推力轴承；330b-第二推力轴承；340-锁紧螺钉；350-调节柄；360-载荷传感器；400-音圈电机；410-作动轴连接件；420-缓冲垫；510-透明罩；520-同步辐射光源光发射器；530-同步辐射光源光接收器；540-同步辐射光源平台；600-数据采集与控制装置；700-显示设备；800-试样。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本实用新型做进一步的详细描述。

参见附图1，本实用新型实施例提供的一种高频原位成像疲劳试验机10，其包括：试验机机体100、试样夹持机构200、预置力加载机构300和音圈电机400。

其中，试样夹持机构200用于夹持固定试样800，试样夹持机构200包括相对设置的第一夹持组件210和第二夹持组件220。预置力加载机构300设置于试样夹持机构200的第一夹持组件210一侧，用于对试样800施加预设拉压力。音圈电机400固定连接于试验机机体100，且音圈电机400的作动轴连接于第二夹持组件220。

通过第一夹持组件210和第二夹持组件220分别将试样800的两端进行夹持，再通过预置力加载机构300对试样800的一端施加预设拉压力，并使拉压力保持不变后。再通过音圈电机400的作动轴带动第二夹持组件220对试样800施加轴向往复的位移载荷，从而来完成高频的材料疲劳试验。通过加装了预置力加载机构300，可以防止试验过程中因为高频振动而导致加载力的变化，使加载力更加稳定可靠。

参见附图1，试验机机体100是设备主要的支撑结构，其结构可以根据需要进行合理化设置，本实施例中，试验机机体100包括试验机底座110和试验机支座120，试验机底座110和试验机支座120拆卸式连接，且试验机底座110和试验机支座120之间形成用于容纳音圈电机400的安装腔，音圈电机400的作动轴穿过试验机支座120与第二夹持组件220连接。

具体地，本实施例中，试验机底座110为圆桶状，其上部设置有开口，用于将音圈电机400从上部开口处放置进入试验机底座110内进行安装。试验机支座120用于对试验机底座110的上部开口进行封闭，以使得音圈电机400能够被限制安装在试验机底座110的内部。试验机底座110和试验机支座120之间通过螺柱可拆卸式连接。试验机底座110上部开口一端的端面开设有多个螺纹孔，试验机支座120的四周开设有与试验机底座110端面上的多个螺纹孔对应配合的螺纹通孔。将试验机支座120与试验机底座110对应安装放置后，再通过螺柱穿过对应的螺纹通孔和螺纹孔，将试验机底座110和试验机支座120牢固地连接固定在一起，以使得在音圈电机400工作时，试验机机体100的稳定性更好。

进一步参见附图1，本实例中，试验机机体100还包括固定板130固定板130设置于音圈电机400远离试验机支座120的一端，固定板130和试验机支座120将音圈电机400夹持固定在二者之间，固定板130和试验机支座120通过长螺柱进行固定。从而音圈电机400能够被稳固的被固定在试验机支座120的底部，使得音圈电机400的底部悬空，避免了音圈电机400在工作状态发生振动时与试验机底座110之间发生刚性碰撞。安装时，先将音圈电机400固定安装在试验机支座120和固定板130之间，然后再将试验机支座120安装在试验机底座110上，使得音圈电机400位于试验机底座110的内部。

进一步地，本实施例中，音圈电机400在作动轴轴线方向的两侧设置有缓冲垫420。缓冲垫420安装在音圈电机400的两侧，一侧的缓冲垫420能够与试验机支座120进行接触，另外一侧的缓冲垫420能够与固定板130接触，因此，由于音圈电机400作动频率高，两侧设置的缓冲垫420可以阻隔高频振动，降低噪音，使结构更加稳定。同时两侧的缓冲垫420垫可以在疲劳试验时，承受拉压力，从而产生形变，抵消部分作动轴的位移。实际过程中，试样800的受力变形很小，而作动轴的振幅为mm级，故作动轴在往复运动时需要位移缓冲。主要由各连接部分的螺纹间隙，试样800形变，和缓冲垫420形变等产生的位移所抵消。本实施例中，缓冲垫420为橡胶垫，当然，其他实施例中，缓冲垫420也可以为海绵垫等其他具有弹性的弹性垫。

参见附图1，试样夹持机构200是用于夹持固定试样800的机构，试样800的两端被分别固定在第一夹持组件210和第二夹持组件220上。第一夹持组件210包括沿预设拉压力的方向相对设置的第一夹持件210a和第一夹持件210b，第二夹持组件220包括沿预设拉压力的方向相对设置的第二夹持件220a和第二夹持件220b。参见附图2，本实施例中，进行检测的试样800的两个端部设置有为可以沿其轴向进行夹持的两个夹持部。再次参见附图1，第一夹持件210a和第一夹持件210b之间形成用于夹住试样800的一个夹持部的第一夹腔，第二夹持件220a和第二夹持件220b之间形成用于夹住试样800的另外一个夹持部的第二夹腔。

进一步地，第一夹持组件210中相对靠近第二夹持组件220中的第一夹持件210a开设有第一安装槽，第一安装槽从第一夹持件210a的边缘延伸至第一夹持件210a的中间位置。参见附图3，第二夹持组件220中相对靠近第一夹持组件210中的第二夹持件220a开设有第二安装槽221，第二安装槽221从第二夹持件220a的边缘延伸至第二夹持件220a的中间位置。同样地，第一安装槽的结构参照第二安装槽221的结构。

在进行夹持安装试样800时，先将试样800的一端放置在第二夹持件220b上，然后通过第二夹持件220a的第二安装槽221将试样800的中间部分从第二安装槽221的开口端滑入，使得试样800位于第二夹持件220a的中间位置，且试样800的一个夹持部被夹持在第二夹持件220a和第二夹持件220b之间。进一步参见附图4，第二夹持件220b上开设有四个螺纹孔，第二夹持件220a上开设有对应的四个螺纹通孔，将试样800的一端的夹持部夹持后通过螺柱将第二夹持件220a和第二夹持件220b通过螺柱锁紧连接固定。同样地，试样800的另一夹持部也通过第一夹持件210a和第二夹持件220b以上述过程夹持固定在第一夹持件210a和第一夹持件210b之间。

当然，其他实施方式中，也可以通过其他方式将试样800的两端进行夹持固定，第一夹持件210a和第一夹持件210b之间以及第二夹持件220a和第二夹持件220b之间的对应的螺纹孔和螺纹通孔的数量也可以为3个、5个等，也能够通过销轴等其他方式进行连接。

进一步地，参见图4，第二夹持件220a和第二夹持件220b中相对远离第一夹持组件210的第二夹持件220b设置有与试样800的另一端匹配的第二凹槽222。同样地，第一夹持件210a和第一夹持件210b中相对远离第二夹持组件220的第一夹持件210b设置有与试样800的一端匹配的第一凹槽。第一凹槽的结构设置参照第二凹槽222的结构设置。通过第一凹槽和第二凹槽222的设置，使得试样800的两端可以更加稳固进行固定，不容易发生径向位移。

参见附图5，本实施例中，预置力加载机构300包括螺纹杆310和螺纹支撑筒320，螺纹支撑筒320转动连接于试验机机体100，且螺纹支撑筒320套设于螺纹杆310，螺纹支撑筒320和螺纹杆310螺纹配合，螺纹杆310的一端连接于第一夹持组件210。螺纹杆310与第一夹持组件210连接的下部位于支撑筒140内，支撑筒140的上部通过顶盖150进行封闭，顶盖150与支撑筒140可拆卸式连接，具体的，支撑筒140的顶部与顶盖150的边缘通过螺柱固定连接。螺纹支撑筒320被设置于顶盖150的中间位置的放置腔内，使得螺纹支撑筒320被限制在顶盖150上，且螺纹支撑筒320可相对顶盖150转动。顶盖150上还设置有锁紧螺钉340，锁紧螺钉340的旋拧端位于顶盖150的外部，另外一端穿过顶盖150可以旋转抵接于螺纹支撑筒320上，以达到对螺纹支撑筒320进行锁紧的目的。

通过预置力加载机构300可以通过螺纹传动固定试样800，并且可以适应一定范围内不同长度的试样800，适应性更强。实现拉力下的疲劳。通电后使音圈电机400作动轴处于最低点，通过预置力加载机构300拉伸试样800，使试样800受拉力，达到预设值后，拧紧锁紧螺钉340。控制音圈电机400作动，则音圈电机400从最低点开始作动，在向上作动的过程中，相当于释放了试样800上的拉力，使其拉力降低。往复运动，以达到拉力疲劳的目的。同理，当试样800上的拉力为零以后，如果音圈电机400未达到最高点，则音圈电机400继续运动将对试样800产生压力。此外，也可以通电后使音圈电机400的作动轴处于最高点，然后通过预置力加载机构300，压缩试样800，使试样800受压力。压力达到预设值后，拧紧锁紧螺钉340。控制音圈电机400作动，则音圈电机400从最高点开始作动，在向下的过程中，相当于释放了试样800上的压力，使其压力降低。往复运动，以达到压力疲劳的目的。

进一步地，参见图1，预置力加载机构300还包括调节柄350，本实施例中，螺纹支撑筒320的端部为长方体形，调节柄350设置有与螺纹支撑筒320的长方体形端部配合的凹槽，从而将调节柄350安装在螺纹支撑筒320的端部上，可以旋转调节柄350对螺纹支撑筒320很好地进行转动。当然，其他实施例中，螺纹支撑筒320的端部也可以设置成三棱柱、五棱柱、六棱柱等其他形状与调节柄350连接。

进一步参见附图5，本实施例中，预置力加载机构300还包括推力轴承，推力轴承套设于螺纹支撑筒320，螺纹支撑筒320通过推力轴承于试验机机体100转动连接。具体的，螺纹支撑筒320的外壁设置有环形凸缘，推力轴承包括第一推力轴承330a和第二推力轴承330b，第一推力轴承330a和第二推力轴承330b分别设置于环形凸缘的两侧。

利用推力轴承固定螺纹支撑筒320，减小不必要的摩擦，使预置力加载更加轻便；螺纹杆310传动，配合两个推力轴承，使得试验中无论是压力还是拉力的实现，操作都更加简单。使用螺纹杆310单轴传动，保证加载力与试样800轴线的同心度，且利用导向槽保证了试样800在预置力加载过程中不受扭力，使试样800受力更加准确。

再次参见图1，第一夹持组件210中的第一夹持件210b通过调节盘230与螺纹杆310连接在一起，螺纹杆310的端部通过载荷传感器360连接于调节盘230，载荷传感器360下端与调节盘230螺纹连接。试样800通过第一夹持件210b与调节盘230连接。

第二夹持件220b通过作动轴连接件410与音圈电机400的作动轴连接在一起。音圈电机400的作动幅度(以下称振幅)是和作动频率相关的，作动频率越高，振幅越小。只要负载力在其做动力范围内，其振幅就不会改变，就像普通电机，在额定负载内，可以控制其转速不变一样。音圈电机400的作动范围为mm级别。音圈电机400动子跟定子之间是没有接触的，不上电的时候作动轴是可随意上下移动的。通电以后，可以控制作动轴在作动幅度范围内任意一处保持恒定，只要力不超过负载，是不会被拉出或压入的。因此，通过上述预置力加载机构300的作用下，控制音圈电机400的作动，可以实现不同应力比下的疲劳试验。

进一步地，本实施例中，高频原位成像疲劳试验机10还包括环绕试样夹持机构200设置的透明罩510、设置在透明罩510相对两侧的同步辐射光源光发射器520和同步辐射光源光接收器530，以及同步辐射光源平台540，试验机机体100转动连接于同步辐射光源平台540。其中，透明罩510可以为玻璃罩，在其他实施例中，也可以为透明的塑料罩。在音圈电机400作动完成后，启动同步辐射光源光发射器520，试验机底座110在同步辐射光源平台540上旋转，带动试样800进行180度旋转；同时，同步辐射光源光发射器520发出的同步辐射高能X射线穿过透明罩510，再穿透180度旋转的试样800后由同步辐射光源光接收器530接收，完成对试样800的180度成像，重复以上操作，直至达到设定的完成试验的循环次数。捕捉到的高分辨率的二维图像数据传输到图像处理单元进行三维重构，完成材料内部三维形貌的重构。

本实施例的高频原位成像疲劳试验机10还包括数据采集与控制装置600，音圈电机400、同步辐射光源光发射器520和同步辐射光源光接收器530均与数据采集与控制装置600通信连接。本实施例中，载荷传感器360和音圈电机400均通过信号传输线连接于数据采集与控制装置600连接。本实施例中，高频原位成像疲劳试验机10还包括显示设备700从而可以显示材料内部的三维立体图像。其中，显示设备700可以为电脑或者平板或者中控的显示器等。

本实施例中具体试验操作过程为：

将试样800夹持固定后，拧动调节柄350，带动螺纹支撑筒320旋转，在控制界面上可以看到载荷传感器360采集到的力信号变为零，可以准备进行试验。通过调节柄350带动螺纹支撑筒320旋转，使螺纹杆310带动载荷传感器360与第一夹持件210b产生轴向位移，进而对试样800产生拉压力，当载荷传感器360采集到的力信号达到预设要求以后，旋紧锁紧螺钉340，使预置力保持不变。

数据采集与控制装置600控制音圈电机400以设定的频率作动，音圈电机400的作动轴带动第二夹持组件220上下往复移动，对试样800施加轴向往复的位移载荷；同时，载荷传感器360检测到试样800承受的载荷信号，传递给数据处理与控制装置600；当往复竖向位移载荷达到设定的成像循环次数后，数据处理与控制装置600控制音圈电机400停止作动；启动同步辐射光源，试验机机体100旋转，带动试样800进行180度旋转；同时，同步辐射光源光发射器520发出的同步辐射高能X射线穿过透明罩510，再穿透180度旋转的试样800后由同步辐射光源光接收器530接收，完成对试样800的180度成像，重复以上操作，直至达到设定的完成试验的循环次数。捕捉到的高分辨率的二维图像数据传输到图像处理单元进行三维重构，完成材料内部三维形貌的重构。

综上所述，以音圈电机400作为驱动装置，音圈电机400具有高频率、高精度、高速响应、高传动刚度、平稳的推力、高的可靠性、寿命长等特点。能将电能直接转换成直线运动的机械能，进而省略了电动机与夹具之间的一切机械传动，实现了电机与夹具之间的直接传动，试验频率可达到50Hz及以上，实现高频作动，进而对试样800进行高频疲劳，研究材料的高周乃至超高周疲劳失效机制。

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，上面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和表示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以上对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。