本实用新型涉及拉伸试验设备技术领域，特别涉及一种渐开线式柔性材料多轴拉伸试验机。
背景技术：
材料的力学性能通常指材料在受力条件下的变形状态，或材料在给定变形条件下所产生的力的作用效果。研究材料的力学性能，有时需要对材料试样施加多方向的力，以观察其在多轴力的作用下的变形情况。
理想的多轴拉伸试验机，应具备如下特点：
1.能同步施加多方向的力；2.保证被测量试样均匀拉伸；3.能准确测量各个方向的拉力；4.在拉伸过程中能同步测量试样的变形情况；5.方便材料试样装夹。最常见的双轴拉伸试验机实例是“十字型”材料等双轴拉伸试验机，其机械部分的基本工作原理是利用步进电机驱动滚珠丝杠转动，带动滑块在直线导轨上运动，以此产生对试样的拉力，其中4个或2组直线导轨呈十字型垂直分布，对于试样变形情况的观测一般采用悬置于拉伸平台上方的相机来实现。
通过相关专利检索可以发现，现有的材料双轴拉伸实验设备均采用“十字型”双轴拉伸方式，具体设备包括两种，一种是针对模量大于1GPa、变形小的金属材料，采用液压作动方式进行加载，产生的拉力通常在5kN以上；另一种是针对模量小于1MPa的薄膜材料，通常结构形式为在相互垂直的方向上安装两个导轨，由电机驱动丝杠转动，带动导轨上的夹具运动。
采用第一种设备存在的问题是：
1、测量精度低。由于结构驱动和控制装置复杂，载荷传感器量程较大，测量模量较小的柔性材料或其他模量较小的弹性体材料时，力值测量结果精度较低。
2、测量范围有限。由于采用“十字型”拉伸试样，试样表面处于有效的等双轴变形的区域面积较小，不能用于测量柔性材料或其他弹性体材料的大变形状态。
3、无法准确测量大变形量。由于金属材料双轴拉伸试验机通常采用贴应变片的方式进行变形测量，受限于应变片的使用条件，无法进行较大应变量的测量。
采用第二种设备可以用于柔性材料或其他模量较小的弹性体材料的等双轴拉伸测试，但存在如下几个缺点：
1、两个轴拉力的同步性和相等性不容易控制。由于实验装置需要两个步进电机同时驱动，因此对两个驱动电机的同步性和启停控制精度要求很高，如果两个电机不同步，则两个轴的拉伸力不同，进而导致材料试样被拉伸过程中的变形不均匀，不能满足等双轴变形的条件。而绝大多数步进电机的精度都不能真正满足同步性的控制要求；
2、测量范围有限。由于采用“十字型”拉伸试样，拉伸过程中试样表面处于有效的等双轴变形的区域面积较小，可以测量的最大变形范围受限于导轨和丝杠的长度。
3、只能用于进行材料试样的稳态或准静态等双轴拉伸实验，不能用于试样的循环拉伸疲劳试验。由于丝杠传动方式的机械间隙大，机械执行效率较低，且动态响应性能差，无法带动夹具进行高速的往复运动，因而无法将设备用于循环拉伸疲劳试验。
4、柔性材料或其他高弹性体材料具有特殊的物理性质，仅采用一次拉伸得到的应力-应变曲线不足以描述高弹性体完整的拉伸力学性能，目前的金属等双轴拉伸实验机没有针对高弹性体的有效实验方法和数据处理方法。
5、试样夹持困难，拉伸过程中材料容易脱夹或者夹断。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于提供一种渐开线式柔性材料多轴拉伸试验机，以解决现有技术中存在的上述技术问题。
本实用新型提供的渐开线式柔性材料多轴拉伸试验机，包括机体以及安装在所述机体上的拉伸机构；
所述拉伸机构包括下圆盘、上圆盘、夹具和连杆；
所述上圆盘和所述下圆盘同轴设置，所述下圆盘与所述机体固接，所述上圆盘与所述机体转动连接，所述上圆盘的中心位置安装有凸台，所述夹具为多个并围绕所述凸台的中心环形设置在所述上圆盘上，所述上圆盘开设有与每个所述夹具对应的渐开线形导槽，所述下圆盘上设有与每个所述渐开线形导槽对应的直线导槽，所述连杆依次穿过对应的所述直线导槽和所述渐开线形导槽与每个所述夹具转动连接，所述连杆能在对应的所述直线导槽和所述渐开线形导槽内滑动。
进一步地，在所述上圆盘上围绕所述上圆盘的圆心画一个第一基圆，所述第一基圆的圆周上设有与所述夹具数量一致的上圆盘等分点，以每个所述上圆盘等分点为起点，在所述上圆盘上做所述第一基圆的渐开线，这些渐开线即为所述渐开线形导槽的中心线；
在所述下圆盘上围绕所述下圆盘的圆心画一个直径与所述第一基圆一致的第二基圆，将所述第一基圆上的等分点投影到所述第二基圆的圆周上形成下圆盘等分点，以所述下圆盘等分点为起点，在所述下圆盘上做第二基圆的切线，这些切线即为所述直线导槽的中心线。
进一步地，所述渐开线形导槽的延伸方向与所述直线导槽的延伸方向相反设置。
进一步地，还包括非接触式激光引伸仪，所述非接触式激光引伸仪与所述上圆盘连接并设置在所述夹具上方。
进一步地，所述上圆盘上设有连接孔，所述非接触式激光引伸仪通过支撑臂与所述连接孔连接。
进一步地，所述机体包括机架、驱动电机、转轴和护板，所述驱动电机安装在所述机架内，所述驱动电机通过所述转轴与所述上圆盘的中心连接，所述护板安装在所述机架上，所述下圆盘与所述机架固接。
进一步地，所述夹具包括底座、夹持件和力传感器；所述底座与所述连杆转动连接，所述夹持件通过所述力传感器与所述底座连接。
进一步地，所述夹持件包括相铰接的两个夹臂，两个所述夹臂的尾部之间设有拧紧螺丝，所述拧紧螺丝与一所述夹臂连接，两个所述夹臂头部分别嵌装有半球形平底滚珠。
进一步地，所述下圆盘和所述上圆盘的直径一致。
进一步地，所述下圆盘上设有支架连接孔，所述下圆盘通过所述支架连接孔与所述机架固接。
本实用新型提供的渐开线式柔性材料多轴拉伸试验机，具有如下优点：
1.渐开线形导槽和对应的直线导槽配合，可以推动夹具沿直线导槽往复运动，并且由于对夹具的推力压力角为0，保证了机构运动中摩擦力最小。
2.整体结构采用中心对称的设计方式，可以确保上圆盘转动时，周向所有夹具可以以中心对称的方式同步运动，从而保证了拉伸-释放过程中，被测柔性材料试样沿圆周的各个方向均匀变形，同时也保证了拉力的同步性与相等性。
3.由于渐开线结构的特殊性质，夹具在受力运动过程中发生的位移，与上圆盘转过的角度成正比，因此，可以通过控制上圆盘转过的角度控制被测材料试样的变形状态。
4.不仅可以用于柔性材料和弹性体材料的等轴加载-卸载循环拉伸，同时还可以用于柔性材料和弹性体材料的准静态拉伸及多轴动态疲劳试验。
5.能保证在加载或卸载过程中，试样圆周各个位置上的受力均匀且始终保持同步
6.在加载或卸载过程中，大大降低了由于机械摩擦等因素造成的试样受力不均匀或测量结果不准确的程度。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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的附图。
图1为本实用新型实施例一提供的渐开线式柔性材料多轴拉伸试验机的结构示意图。
图2为本实用新型实施例一提供的渐开线式柔性材料多轴拉伸试验机隐藏护板的结构示意图。
图3为本实用新型实施例一提供的上圆盘的结构示意图。
图4为本实用新型实施例一提供的下圆盘的结构示意图。
图5为本实用新型实施例一提供的运动及受力原理图一。
图6为本实用新型实施例一提供的运动及受力原理图二。
图7为本实用新型实施例一提供的运动及受力原理图三。
图8为本实用新型实施例一提供的运动及受力原理图四。
图9为本实用新型实施例一提供的夹具与连杆的连接关系示意图。
图10为本实用新型实施例一提供的上圆盘与凸台的连接关系示意图。
图11为本实用新型实施例一提供的柔性体材料在等双轴变形条件下的应力-应变实验曲线。
附图标记：1-机体；2-拉伸机构；21-下圆盘；22-上圆盘；23-夹具；24-连杆；3-渐开线形导槽；4-直线导槽；5-第一基圆；51-上圆盘等分点；6-渐开线；7-第二基圆；71-下圆盘等分点；8-切线；9-非接触式激光引伸仪；221-连接孔；10-支撑臂；11-机架；12-驱动电机；13-转轴；14-护板；15-凸台；211-支架连接孔；25-底座；26-夹持件；27-力传感器；261-夹臂；262-拧紧螺丝；263-半球形平底滚珠。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。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，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”仅用于描述目的，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，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
实施例一：
图1为本实用新型实施例一提供的渐开线式柔性材料多轴拉伸试验机的结构示意图；图2为本实用新型实施例一提供的渐开线式柔性材料多轴拉伸试验机隐藏护板的结构示意图；图3为本实用新型实施例一提供的上圆盘的结构示意图；图4为本实用新型实施例一提供的下圆盘的结构示意图；图5为本实用新型实施例一提供的运动及受力原理图一；图6为本实用新型实施例一提供的运动及受力原理图二；图7为本实用新型实施例一提供的运动及受力原理图三；图8为本实用新型实施例一提供的运动及受力原理图四；图9为本实用新型实施例一提供的夹具与连杆的连接关系示意图；图10为本实用新型实施例一提供的上圆盘与凸台的连接关系示意图；图11为本实用新型实施例一提供的柔性体材料在等双轴变形条件下的应力-应变实验曲线；如图1-图11所示，本实用新型提供的渐开线式柔性材料多轴拉伸试验机，包括机体1以及安装在所述机体1上的拉伸机构2；
所述拉伸机构2包括下圆盘21、上圆盘22、夹具23和连杆24；
所述上圆盘22和所述下圆盘21同轴设置，所述下圆盘21与所述机体1固接，所述上圆盘22与所述机体1转动连接，所述上圆盘22的中心位置安装有凸台15，该凸台15是为了放置待实验的柔性材料试样的，其高度设计要保证试样放在上面时方便夹具23夹持，并且在拉伸过程中，试样距离上圆盘22的垂直高度始终保持不变，即不会因为试样本身的重量而产生附加的拉力，所述夹具23为多个并围绕所述凸台15的中心环形设置在所述上圆盘22上，所述上圆盘22开设有与每个所述夹具23对应的渐开线形导槽3，所述下圆盘21上设有与每个所述渐开线形导槽3对应的直线导槽4，所述连杆24依次穿过对应的所述直线导槽4和所述渐开线形导槽3与每个所述夹具23转动连接，所述连杆24能在对应的所述直线导槽4和所述渐开线形导槽3内滑动。
具体地，在所述上圆盘22上围绕所述上圆盘22的圆心画一个第一基圆5，所述第一基圆5的圆周上设有与所述夹具23数量一致的上圆盘等分点51，以每个所述上圆盘等分点51为起点，在所述上圆盘22上做所述第一基圆5的渐开线6，这些渐开线6即为所述渐开线形导槽3的中心线；
在所述下圆盘21上围绕所述下圆盘21的圆心画一个直径与所述第一基圆5一致的第二基圆7，将所述第一基圆5上的上圆盘等分点51投影到所述第二基圆7的圆周上形成下圆盘等分点71，以下圆盘等分点71为起点，在所述下圆盘21上做第二基圆7的切线8，这些切线8即为所述直线导槽4的中心线。
以上圆盘22上安装有十个夹具23为例，将第一基圆5的圆周等分为十份，设上圆盘等分点51为P1、P2、P3…P10，以每个上圆盘等分点51为起点，在上圆盘22上做第一基圆5的渐开线6，这些渐开线6即为所述渐开线形导槽3的中心线；同时，第一基圆5圆周的十个上圆盘等分点51投影到第二基圆7的圆周上形成下圆盘等分点71，第二基圆7的圆周上的十个下圆盘等分点71为Q1、Q2、Q3…Q10，以每个下圆盘等分点71为起点，在下圆盘21上做第二基圆7的切线8，这些切线8即为所述直线导槽4的中心线。
从原理上讲，在上圆盘22旋转过程中，由于渐开线曲线的特殊性质，渐开线形导槽3对连杆24的推力可带动连杆24在渐开线形导槽3和直线导槽4内始终保持竖直地运动，即如果从上圆盘22上方看，可以观察到连杆24在渐开线形导槽3内滑动；而如果从下圆盘21上方看，可以观察到连杆24在直线导槽4内同步地滑动。
由于渐开线形导槽3、直线导槽4与第一基圆5、第二基圆7的几何关系，在上圆盘22转动过程中，连杆24能够保持竖直地在渐开线形导槽3和直线导槽4内滑动，不会因为上圆盘22转动速度过快而出现运动错顿或运动卡死的情况。并且由于渐开线形导槽3和直线导槽4均为沿着圆周均匀排列，因此随着上圆盘22的转动，各连杆24在各自的渐开线形导槽3和直线导槽4内可以实现同步地滑动，即在任意时刻，各连杆24与圆心的距离始终保持相同。
从图4-图7可以看出，在上圆盘22转动过程中，渐开线形导槽3对连杆24的推力方向和连杆24的运动方向始终保持一致，且沿基圆的切线方向，因此推力压力角为0，运动过程中不产生附加的摩擦力。
具体地，所述渐开线形导槽3的延伸方向与所述直线导槽4的延伸方向相反设置。
具体地，还包括非接触式激光引伸仪9，所述非接触式激光引伸仪9与所述上圆盘22连接并设置在所述夹具23上方。
采用非接触式激光引伸仪9，且非接触式激光引伸仪9随着试样的变形同步转动，能够始终与试样上特定区域保持同步转动，跟踪捕捉试样上同一区域的变形状态，确保变形测量的精确性。
拉伸过程中，应变通过非接触式激光引伸仪9测量并经过实验机数据处理程序计算得到。
计算方法如下：
设计该渐开线式拉伸试验机的目的是为了获取如图所示的柔性体材料在等双轴变形条件下的应力-应变实验曲线。
其中应变的数据由测量拉伸过程中标距段的变形量并通过计算获得，而标距段的变形量通过非接触式引伸仪(或其他非接触式变形测量装置)测量得到。设实验开始前橡胶试样上标距段的测量距离为L0，实验开始后拉伸过程中任意时刻标距段的测量距离为Lt，则该任意时刻对应的柔性体材料试样拉伸应变ε的计算公式为：
应力的数据由对测量拉伸过程所有力传感器求和并除以圆形拉伸试样的侧面积计算得到。假设共有n个夹具，则共有n个传感器，拉伸试样的直径为D，厚度为t，实验开始后拉伸过程中任意时刻各个传感器上测得的力为Fi(i＝1,2,…,n)，则该任意时刻对应的柔性体材料试样拉伸应力σ的计算公式为：
可以通过弹性力学方法证明，该等轴拉伸得到的应变状态和绝对等双轴拉伸条件下的应变状态相同。
具体地，所述上圆盘22上设有连接孔221，所述非接触式激光引伸仪9通过支撑臂10与所述连接孔221连接。
具体地，所述机体1包括机架11、驱动电机12、转轴13和护板14，所述驱动电机12安装在所述机架11内，所述驱动电机12通过所述转轴13与所述上圆盘22的中心连接，所述护板14安装在所述机架11上，所述下圆盘21与所述机架11固接。
具体地，所述下圆盘21上设有支架连接孔211，所述下圆盘21通过支架连接孔211与所述机架11固接。
具体地，所述夹具23包括底座25、夹持件26和力传感器27；所述底座25与所述连杆24转动连接，所述夹持件26通过所述力传感器27与所述底座25连接，每个夹具23上都有力传感器27，每个力传感器27测量的拉力是其所在夹具23上的力。
具体地，所述夹持件26包括相铰接的两个夹臂261，两个所述夹臂261的尾部之间设有拧紧螺丝262，所述拧紧螺丝262与一所述夹臂261连接，两个所述夹臂261头部分别嵌装有半球形平底滚珠263。
在试样夹持时，可以通过拧紧螺丝262控制两个夹臂261作用在试样夹持端的力，便于试样装夹和拆卸；其中半球形平底滚珠263确保在加载过程中夹持部分可以随着试样的旋转而同步转动。
通过本申请提供的夹具23，保证夹紧力足够，且能随着试样变形同步转动，保证试样始终处于均匀伸张的状态。
具体地，所述下圆盘21和所述上圆盘22的直径一致。
具体地，所述上圆盘22上的多个渐开线形导槽3的槽宽一致，所述下圆盘21上的多个直线导槽4的槽宽一致，并且，渐开线形导槽3与直线导槽4的槽宽一致。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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实用新型各实施例技术方案的范围。