一种薄壁管压弯展一体试验装置及方法与流程

本发明涉及机械工程技术试验领域，尤其涉及一种薄壁管压弯展一体试验装置及方法。

背景技术：

空间可展结构是大型航天器广泛应用的结构体系，传统多采用机械铰接体系，机械铰接体系主要由电机驱动，但是机械铰接体系的缺点是机构复杂，重量大，展开可靠性低。随材料科学技术的发展，基于材料机构结构一体化的空间可展结构成为研究热点和发展趋势，采用材料高性能复合材料，通过材料的弹性或形状记忆，在地面折叠材料，发射入轨之后，释放弹性能或热记忆储存能量，从而实现在轨展开。针对这类空间可展结构，需要事先进行充分的展开折叠力学试验研究和技术验证。

李瑞雄等著的《缠绕肋缠绕过程试验及力学行为分析》公开了一个由卷筒和棍轴挤扁豆荚杆和缠绕的试验装置，属于非均匀压扁；张金龙等著的《薄板与细杆大变形纯弯曲试验装置与试验》公开了一个可以实现薄板或细杆纯弯、大转角的装置；蔡祁耀等著的《透镜式薄壁管状空间伸展臂压扁拉扁数值模拟与试验》公开了豆荚杆的压扁或拉扁试验，通过单轴拉压试验机，配合承压板实现平行均匀压扁。

juanm.fernandez等著的《asimpletestmethodforlargedeformationbendingofthinhighstraincompositeflexures》公开了四点弯曲试验装置、平衡配重试验弯曲装置，可以实现薄片材的大弯曲试验

上述现有技术公开了针对小尺寸需要进行小变形弯曲的试件，可以通过采用四点弯曲形式的试验机实现；针对薄片材、细杆等需要进行大变形弯曲的试件，可以通过设计工装或通过工装结合试验机实现，但是针对复杂几何截面、尺度较大的工件进行连续压扁和弯曲，同时记录过程数据的技术还未公开。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种薄壁管压弯展一体试验装置及方法。通过所述试验装置及方法，可实现对大直径薄壁豆荚杆、薄壁圆管进行压扁、弯曲、折叠和展开的连续试验，以及对薄壁管的压扁、弯曲、折叠和展开的形状记忆和恢复的连续试验，可有效测定构件压扁、折叠和展开过程中的力学状态参数。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何实现对大直径薄壁豆荚杆、薄壁圆管开展压扁、弯曲、折叠和展开的连续试验，以及进行薄壁管的压扁、弯曲、折叠和展开的形状记忆和恢复的连续试验，并可以有效测定构件压扁、折叠和展开过程中的力学状态参数的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种薄壁管压弯展一体试验装置，包括压扁机构、弯曲机构、传感器；所述压扁机构包括压板、承板、丝杆机构、传动机构，所述传动机构固定安装在所述承板的右侧，所述压板通过所述丝杆机构活动安装于所述承板的左侧；所述丝杆机构包括丝杆、丝杆螺母，所述丝杆固定安装在所述压板上，所述丝杆螺母与所述承板构成转动副，所述丝杆通过所述丝杆螺母穿过所述承板；所述丝杆螺母和所述丝杆构成滚珠丝杆传动副或滚柱丝杆传动副；所述压扁机构的数量大于等于2，各个所述压扁机构依次并排设置，相邻两个所述压扁机构之间的上端和下端分别设置有所述弯曲机构；所述弯曲机构包括第一连接板、第二连接板、转轴、弯曲传动机构，所述第一连接板与左侧的所述压扁机构的所述承板固定连接，所述第二连接板与右侧的所述压扁机构的所述承板固定连接；所述转轴与所述第一连接板构成转动副，所述转轴与所述第二连接板固定连接，相邻两个所述压扁机构之间的上端和下端的所述弯曲机构的所述转轴同轴；所述传感器包括压力传感器、转矩传感器；所述压力传感器设置在所述压扁机构上，所述转矩传感器设置在所述弯曲机构上。

进一步地，所述压扁机构还包括垫板，所述垫板为平板，所述垫板设置在所述压板和所述承板之间，所述垫板固定安装在所述承板的左侧。

进一步地，所述压板的右侧设置有可以嵌入所述垫板的凹槽。

进一步地，所述压扁机构的入口侧和出口侧的上下两端各设置有一个所述丝杆机构，所述丝杆的中心线与所述垫板垂直，所述丝杆的中心线互相平行。

进一步地，所述传动机构包括夹紧电机、第一锥齿轮、第二锥齿轮、传动轴、支撑座、第三锥齿轮、第四锥齿轮、第五锥齿轮、第六锥齿轮，所述第一锥齿轮固定安装在所述夹紧电机的输出轴上，所述第二锥齿轮固定安装在所述传动轴中部，所述第三锥齿轮固定安装在所述传动轴的上端部，所述第四锥齿轮固定安装在所述传动轴的下端部，所述第五锥齿轮固定安装在设置在上端的所述丝杆机构的所述丝杆螺母的端部，所述第六锥齿轮固定安装在设置在下端的所述丝杆机构的所述丝杆螺母的端部，所述第一锥齿轮和所述第二锥齿轮构成锥齿轮传动，所述第三锥齿轮和所述第五锥齿轮构成锥齿轮传动，所述第四锥齿轮和所述第六锥齿轮构成锥齿轮传动，所述支撑座固定安装在所述承板的右侧面，所述支撑座与所述传动轴构成转动副，所述夹紧电机固定安装在所述承板的右侧。

进一步地，所述压扁机构的入口侧和出口侧各设置有一个所述传动机构。

进一步地，所述压扁机构还包括万向轮，所述万向轮固定安装在所述压板和所述承板的下端，所述压板下端的所述万向轮的数量大于等于2，所述承板下端的所述万向轮的数量大于等于2。

进一步地，所述弯曲传动机构包括弯曲电机、第一齿轮、第二齿轮，所述第一齿轮与所述弯曲电机的输出轴固定连接，所述第二齿轮与所述转轴的一端固定连接，第一齿轮和第二齿轮构成齿轮传动副，所述弯曲电机固定安装在所述第一连接板上，相邻两个所述压扁机构之间的上端和下端的所述弯曲机构的所述弯曲电机对称布置。

进一步地，所述转矩传感器设置所述转轴的另一端，所述压力传感器设置在所述垫板和所述承板之间。

一种采用所述薄壁管压弯展一体试验装置的方法，包括如下步骤：

步骤一：将所述薄壁管压弯展一体试验装置安置于光滑且水平的平面；

步骤二：调试和校准所述一体试验装置的所述夹紧电机、所述弯曲电机和所述传感器；

步骤三：将试件夹持在所述压扁机构的所述压板和所述垫板之间，并通过所述夹紧电机预压；

步骤四：同步控制所述压扁机构的所述夹紧电机，保持相邻所述压扁机构之间同步压扁所述试件，直到所述试件达到试验设计状态后所述夹紧电机停止；

步骤五：同步控制相邻所述压扁机构之间的所述弯曲电机，驱动相邻两组所述压扁机构绕所述转轴转动，从而实现被压扁的所述试件的弯曲；通过所述传感器记录经过所述步骤三到所述步骤五的所述试件的夹紧和弯曲的力学状态参数；

步骤六：按照所述步骤三到所述步骤五的逆向顺序，测定所述试件的回弹的力学状态参数。

与现有技术相比，通过本发明的实施，至少具有如下有益技术效果：

1：本发明提供的薄壁管压弯展一体试验装置及方法，可实现对大直径薄壁豆荚杆、薄壁圆管进行压扁、弯曲、折叠和展开的连续试验，并且记录整个试验过程中的力学状态参数；

2：本发明提供的薄壁管压弯展一体试验装置及方法，可实现对薄壁管的压扁、弯曲、折叠和展开的形状记忆和恢复的连续试验，并且记录整个试验过程中的力学状态参数；

3：本发明提供的薄壁管压弯展一体试验装置，结构简单，使用和维护方便。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的装配示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的压扁机构的传动机构示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的压力传感器布置示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的弯曲机构的装配示意图；

图5是本发明的一个较佳实施例的折弯初始状态示意图；

图6是本发明的一个较佳实施例的折弯中间状态示意图；

图7是本发明的一个较佳实施例的180°折弯状态示意图。

其中，1-压扁机构，11-万向轮，12-压板，13-丝杆机构，14-承板，15-传动机构，151-第六锥齿轮，152-第四锥齿轮，153-支撑座，154-第二锥齿轮，155-传动轴，156-第五锥齿轮，157-第三锥齿轮，158-第一锥齿轮，159-夹紧电机，2-弯曲机构，21-弯曲电机，22-第一连接板，23-第二齿轮，24-转轴，25-第二连接板，3-试件，41-压力传感器，42-转矩传感器。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供的一种薄壁管压弯展一体试验装置，包括压扁机构1、弯曲机构2、传感器；压扁机构1包括压板12、承板14、丝杆机构13、传动机构15、垫板，承板14为l形构件，传动机构15固定安装在承板14的右侧，压板12通过丝杆机构13活动安装于承板14的左侧；丝杆机构13包括丝杆、丝杆螺母，丝杆固定安装在压板12上，丝杆螺母与承板14构成转动副，丝杆通过丝杆螺母穿过承板14；丝杆螺母和丝杆构成滚珠丝杆传动副或滚柱丝杆传动副，本实施例优选为滚珠丝杆传动副；垫板为平板，垫板设置在压板12和承板14之间，垫板固定安装在承板14的左侧，压板12的右侧设置有可以嵌入垫板的凹槽；试件3夹紧于压板12右侧的凹槽和垫板之间；传感器包括压力传感器41、转矩传感器42，如图3所示，每个压扁机构1设置有2个压力传感器41，压力传感器41设置在垫板和承板14之间；压扁机构1的入口侧和出口侧的上下两端各设置有一个丝杆机构13，四个丝杆机构13的丝杆的中心线均与垫板垂直，每个丝杆的中心线互相平行；压扁机构1的入口侧的上下两端的丝杆的端面的圆心在同一铅垂线上，压扁机构1的出口侧的上下两端的丝杆的端面的圆心在同一铅垂线上。

如图2所示，压扁机构1的入口侧和出口侧各设置有一个传动机构15，传动机构15包括夹紧电机159、第一锥齿轮158、第二锥齿轮154、传动轴155、支撑座153、第三锥齿轮157、第四锥齿轮152、第五锥齿轮156、第六锥齿轮151，第一锥齿轮158固定安装在夹紧电机159的输出轴上，第二锥齿轮154固定安装在传动轴155的中部，第三锥齿轮157固定安装在传动轴155的上端部，第四锥齿轮152固定安装在传动轴155的下端部，第五锥齿轮156固定安装在设置在上端的丝杆机构13的丝杆螺母的端部，第六锥齿轮151固定安装在设置在下端的丝杆机构13的丝杆螺母的端部，第一锥齿轮158和第二锥齿轮154构成锥齿轮传动，第三锥齿轮157和第五锥齿轮156构成锥齿轮传动，第四锥齿轮152和第六锥齿轮151构成锥齿轮传动，支撑座153固定安装在承板14的右侧面，支撑座153的数量为2个，两个支撑座153分别设置在第二锥齿轮154两侧，支撑座153与传动轴155构成转动副，夹紧电机159固定安装在承板14的右侧；第三锥齿轮157和第四锥齿轮152的大端的模数、压力角、齿数和分度锥角相等；第五锥齿轮156和第六锥齿轮151的大端的模数、压力角、齿数和分度锥角相等；第五锥齿轮156和第六锥齿轮151中间设置有便于丝杆穿过的通孔。

本实施例的薄壁管压弯展一体试验装置包括两个压扁机构1，两个压扁机构1依次水平并排设置，相邻两个压扁机构1之间的上端和下端分别设置有一个弯曲机构2；如图4所示，弯曲机构2包括第一连接板22、第二连接板25、转轴24、弯曲传动机构，弯曲传动机构包括弯曲电机21、第一齿轮(图中未示出)、第二齿轮23，第一齿轮与弯曲电机21的输出轴固定连接，第二齿轮23与转轴24的一端固定连接，第一齿轮和第二齿轮23构成齿轮传动副，弯曲电机21固定安装在第一连接板22上；第一连接板22与左侧的压扁机构1的承板14固定连接，第二连接板25与右侧的压扁机构1的承板14固定连接；转轴24与第一连接板22构成转动副，转轴24与第二连接板25固定连接，相邻两个压扁机构1之间的上端和下端的弯曲机构2的转轴24同轴，上端和下端的弯曲机构2的弯曲电机21对称外置；转矩传感器42设置转轴24的另一端。

压扁机构1还包括万向轮11，万向轮11固定安装在压板12和承板14的下端，压板12的下端均匀安装有2个万向轮11，承板14的下端均匀安装有4个万向轮11；每个万向轮11均有制动锁住和自由转动两种工作状态。

采用本实施例的薄壁管压弯展一体试验装置的方法，包括如下步骤：

步骤一：将本实施例的薄壁管压弯展一体试验装置安置于光滑且水平的平面上；

步骤二：调试和校准一体试验装置的夹紧电机159、弯曲电机21和各个传感器；

步骤三：将试件3夹持在各个压扁机构1的压板12和垫板之间，并通过夹紧电机159预压，确保试件3不掉落；如图5所示；

步骤四：同步控制压扁机构1的夹紧电机159，保持相邻压扁机构1之间同步压扁试件3，直到试件3达到试验设计状态后夹紧电机159停止；

步骤五：同步控制相邻压扁机构1之间的弯曲电机21，驱动相邻两组压扁机构1绕转轴24转动，从而实现被压扁的试件3的弯曲；通过传感器记录经过步骤三到步骤五的试件3的夹紧和弯曲的全部力学状态参数；如图6和图7所示；

步骤六：按照步骤三到步骤五的逆向顺序，测定试件3的回弹的力学状态参数。

实施例2：

在实施例1的基础上，传感器还包括位移传感器，位移传感器被配置为检测压板12和垫板之间的相对距离，位移传感器可以设置在压板12和垫板之间或丝杆上，本实施例优选为位移传感器设置在丝杆上。

实施例3：

在实施例1的基础上，压扁机构1的数量为3个，3个压扁机构1左、中、右一次并排布置。

实施例4：

在实施例1的基础上，相邻两个压扁机构1之间的上端和下端分别设置的弯曲机构2的转轴24同轴且固定连接，两个弯曲机构2共用一个弯曲电机21。

应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。