一种材料力学性能试验装置与方法与流程

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1.本发明属冲刷试验和力学试验交叉技术领域，具体涉及一种研究管路动水系统中的材料力学性能试验装置与方法，能够获取流动介质中试样的力学性能。


背景技术：

2.动水冲刷测试能够研究材料在流动介质中性质，包括实际自然水体环境中的冲刷试验和实验室环境中的冲刷试验，可以研究不同介质、不同流速对材料各项参数的影响，例如，流动海水对金属材料腐蚀的影响等。实际自然水体环境中的冲刷试验参数一般不可控，难以实现材料的规律性研究；而实验室环境中的冲刷试验可方便的控制试验参数，研究材料在不同的冲刷试验参数下的性能差异，实验室环境中的冲刷试验装置一般分为旋转圆桶冲刷和管路动水冲刷等两大类。
3.力学性能试验能够研究不同材料在不同类型的力学载荷下的变化规律，例如，典型的拉伸、压缩、疲劳、恒载荷试验等。为了满足实际需求，力学性能试验也会在液体介质中进行，以研究不同介质中材料的力学性能，例如，高压海水中的材料力学性能试验，常压液体介质中的材料力学性能试验。
4.随着技术的不断进步，力学性能试验和动水冲刷试验的种类愈发繁多，测试精度和测试稳定性皆不断提升，在介质中的材料力学性能试验也有了诸多解决方案。例如，中国专利202010681228.7公开的一种多功能的力学试验设备，包括由下至上依次设置的底座、液压做动器、转接装置、下板、支撑装置、上板和顶板，所述底座与所述顶板间竖直固定设置有导向杆，所述下板和上板皆套设在所述导向杆上，所述导向杆具有多根；所述上板与下板之间还设置有阻尼器，所述多功能的力学试验设备还包括能够将上板和下板与导向杆锁定的锁紧组件；所述液压做动器的活塞杆上设置有第一传感器，所述下板与上板之间设置有第二传感器，所述上板与顶板之间设置有第三传感器；所述上板通过支撑装置与下板柔性或刚性连接；所述液压做动器的活塞杆通过转接装置与下板柔性连接或通过转接装置与阻尼器刚性连接；中国专利201811223403.7公开的一种圆筒型冲刷试验设备，包括底座，所述底座上端中部设置有桶体，所述桶体下端设置有底盖，所述桶体内注有旋转水体，所述桶体上端设置有透明顶盖，所述底盖下端中部设置有圆筒，所述圆筒设置在底座内，且所述圆筒外侧壁上下两侧均套设有向心球轴承，所述向心球轴承外侧与底座固定连接，所述底座顶端设置有推力轴承，所述推力轴承套设在圆筒外侧上部，且所述推力轴承外侧套设有齿环，所述桶体内设置有罩子，所述罩子包括外屏蔽罩，所述外屏蔽罩下端中部设置有底柱，所述外屏蔽罩内设置有土样托板，所述土样托板上端外侧设置有土样，所述外屏蔽罩上端设置有内屏蔽罩，所述土样托板与外屏蔽罩、内屏蔽罩之间均注有静止水体，所述土样托板上端中部设置有吊杆，所述吊杆上端设置有拉扭传感器，所述拉扭传感器上端设置有连杆，所述连杆上安装有伺服作动器，且所述连杆上端设置有起吊门架横梁。然而，上述专利产品以及现有技术中的试验装置，基本只能对静水介质中的材料进行力学性能试验，不能满足实际科研生产过程中，对动水介质中材料的力学性能研究的需要，例如，流动海水中碳钢的拉伸
试验、流动海水中钛合金试样的力学性能试验等。因此，研发设计一种能够研究动水介质中材料力学性能的试验装置与方法显得十分必要。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，研发设计一种材料力学性能试验装置与方法，以在动水环境中进行材料的力学性能测试和研究。
6.为了实现上述目的，本发明涉及的材料力学性能试验装置的主体结构包括力学测试单元以及与其连接的动水管路单元；力学测试单元的主体结构包括，支撑框架、固定基座、支撑台、支撑轴、传动台、限位调节电机、试验电机、力学传感器、连接口、插销、连接杆、试验管段、卡槽、上连接套、弹性膜、下连接套、卡箍和支架；动水管路单元的主体结构包括水箱、排水口、阀门、出水管路、分流管路、回水管路、流量计、水泵和电磁阀。
7.本发明涉及的支撑框架用于支撑力学测试单元并使其保持稳定，并通过筋结构使支撑台与力学测试单元互相固定；支撑台为力学试验提供固定的下着力点；传动台内置有位移传感器，用于收集位移信息，为试验电机施加载荷时提供着力平台；限位调节电机运行时能够带动传动台沿支撑轴上下移动，向上移动时，进行试样的更换；试验电机运行时，能够为力学试验的试样提供力学载荷，依次通过力学传感器、连接口、连接杆、卡槽和上连接套，实现试样的力学载荷传递；力学传感器用于采集载荷数据和传递试验电机的载荷；插销能够使试样的装卸更为方便；连接杆与卡槽螺纹连接；试验管段的两侧为法兰结构，顶部开设通孔以便连接杆伸入，通孔通过弹性膜封闭，内部的中央区域为力学测试区域；卡槽的内部设置有可伸缩固定爪，两侧设置有按钮，摁下按钮，可伸缩固定爪收回，以便上连接套的安装与拆卸；上连接套和下连接套均为螺纹连接套；弹性膜为圆形高韧弹性膜，外边缘通过螺丝固定在试验管段上对其进行密封；卡箍为u形卡箍，与支架配合，使试验管段保持稳定；水箱用于盛放液体介质，包括天然海水、自来水；排水口用于排空水箱中的液体介质；阀门为手动阀门，控制排水口的开闭状态；流量计用于检测液体介质的流量信息，并反馈至中控系统；水泵为液体介质的循环提供动力；电磁阀为可调开闭阀，能够调节分流管路的流量。
8.本发明涉及的材料力学性能试验装置使用时：
9.将试验管段的入水口和出水口分别与出水管路和回水管路法兰式连接，并在连接处设置绝缘垫圈进行密封；通过数据线将限位调节电机、试验电机、力学传感器、流量计、水泵和电磁阀分别与中控系统连接，进行信号传递和信号反馈，并实现既定功能；
10.将试样的上下端分别与上连接套和下连接套连接，将卡槽与上连接套连接，将弹性膜穿设在连接杆与卡槽之间，通过垫圈和螺丝将弹性膜固定密封在试验管段，通过中控系统控制限位调节电机运行使传动台移动到设定位置，将力学传感器与连接杆连接，插入插销；
11.使阀门和水泵处于关闭状态，在水箱中加入试验所需介质，例如，海水、蒸馏水；通过中控系统控制水泵运行，并通过水泵和电磁阀调节介质的流速，待介质的流速稳定后，通过中控系统中的内置可编程控制程序设定力学测试参数，例如，间歇冲刷系统下的力学性能试验和流速周期性改变下材料的力学性能试验，具体的力学性能包括衡载荷试验、疲劳试验、拉伸试验，进行试验，通过中控系统对试验数据进行处理，得到数据图和相关的力学性能参数，例如，屈服强度、抗拉强度、断后延伸率；
12.试验过程中，力学测试单元用于试样的力学试验，对试验过程中的相关参数(如力学数值、位移数值)进行采集，并上传至中控系统，同时，反馈中控系统的指令信号，实现相应功能；动水管路单元用于实现试样的动态介质冲刷，进行流速的调节和记录，并上传相关参数信息至中控系统，同时，反馈中控系统的指令信号，实现相应功能；中控系统通过内置可编程控制程序和软件控制力学测试单元和动水管路单元，使其协同实现各项测试，同时，收集力学测试单元和动水管路单元的参数信息，并通过软件进行处理和导出；其中，动水管路单元运行时，由于管内介质存在压强，会对卡槽和弹性膜产生向上的作用力，为防止该作用力对试验产生影响，在试验前通过预设的方式，将不同流速不同介质的力学参数内置于中控系统，以消除影响，所以，在试验中，不需额外考虑介质产生的压强对力学测试单元的影响。
13.本发明涉及的试样包括带螺纹的棒状试样，片状试样，ct试样；中控系统的主体结构包括用于容纳并保护集成控制系统的外壳，用于显示试验信息及数据处理操作的显示屏，扩展系统功能的设备外接窗口，以及保护内部主机部件及相关模块，在出现故障时能够打开，为系统维修提供窗口的主机柜门。
14.本发明与现有技术相比，能够对限定规格的棒状会或状材料进行力学性能测试，在密闭耐蚀的金属管路内通入流动介质，将试样置于试验管段，通过带传感器的可运动平台对螺纹固定连接的试样进行力学加载，实现不同流速动水系统中材料的力学性能试验，并且通过调节，对介质流速进行无极变速，满足不同试验需求，且管路尺寸可根据实际要求进行更改，其他各部分也可根据试样的尺寸和规格进行调整；其结构简单，使用方便，可改进优化空间大，通过夹具的更换，能够实现其他规格试样的力学性能试验，通过串联安装，能够同步进行同流速体系中多组试样的力学试验。
附图说明：
15.图1为本发明的主体结构原理示意图。
16.图2为本发明涉及的力学测试单元的主体结构原理示意图。
17.图3为本发明涉及的力学测试单元的局部结构原理示意图。
18.图4为本发明涉及的动水管路单元的主体结构原理示意图。
19.图5为本发明涉及的力学测试单元的局部结构放大图。
20.图6为本发明涉及的连接杆和卡槽与弹性膜的连接关系示意图。
21.图7为本发明涉及的卡槽、上连接套和试样的连接关系示意图。
22.具体实施方法：
23.下面结合附图并结合具体实施方法对本发明做进一步的说明。
24.实施例1：
25.本实施例涉及的材料力学性能试验装置的主体结构包括力学测试单元a以及与其连接的动水管路单元b；力学测试单元a的主体结构包括，支撑框架1、固定基座2、支撑台3、支撑轴4、传动台5、限位调节电机6、试验电机7、力学传感器8、连接口9、插销10、连接杆11、试验管段12、卡槽13、上连接套14、弹性膜15、下连接套16、卡箍17和支架18；支撑框架1由水平部分和垂直部分组成，水平部分上设置有固定基座2，垂直部分上设置有支撑台3，固定基座2上平行设置的两根支撑轴4依次穿过支撑台3和传动台5，传动台5的内部两侧均设置有
限位调节电机6，中间设置有试验电机7，试验电机7与力学传感器8的上端连接，力学传感器8的下端设置有连接口9，连接口9通过插销10与连接杆11连接，连接杆11穿过试验管段12后通过卡槽13与上连接套14连接，连接杆11与试验管段12之间设置有弹性膜15，试验管段12的底部设置有下连接套16，试验管段12通过卡箍17和支架18固定设置在支撑台3上；动水管路单元b的主体结构包括水箱20、排水口21、阀门22、出水管路23、分流管路24、回水管路25、流量计26、水泵27和电磁阀28；水箱20的一侧设置有排水口21，排水口21处设置有阀门22，水箱20的另一侧低处设置有出水管路23，高处设置有分流管路24和回水管路25，分流管路24伸出一段后汇入回水管路25，出水管路23与试验管段12的入水口连接，回水管路25与试验管段12的出水口连接，出水管路23、分流管路24和回水管路25上均设置有流量计26，出水管路23上还设置有水泵27，分流管路24上还设置有电磁阀28。
26.本实施例涉及的材料力学性能试验装置与中控系统c配合，进行流动海水中的疲劳试验的过程为：
27.将双相不锈钢按照设定的要求加工成棒状结构的试样19，试样19的最细处的直径为1mm，将海水灌入水箱20，设置海水流速为2m/s，根据试样19的直径，设置最大拉力为235n，最小拉力为78n，变换周期为10s，试验总时间设置为1个月，以正弦波形式变换力学载荷，试样19的截面压强最大为300mpa，最小为100mpa；经20天的试验，试样19发生断裂，通过试样19的试验参数、断口进行的断口分析，研究断裂机理。
28.实施例2：
29.本实施例涉及的材料力学性能试验装置与中控系统c配合，进行周期流动蒸馏水中的拉伸试验的过程为：
30.将tc4钛合金按照设定的要求加工成棒状结构的试样19，试样19的最细处的直径为1.5mm，将蒸馏水灌入水箱20，设置蒸馏水流速为1m/s，每冲刷10min后静止20min，位移速度设置为1
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m/s，加载力为拉力，试验结束条件为拉断为止；试验结束后，得到试样19在间歇流动蒸馏水中的力学试验数据，对试样19的断口进行分析，研究断裂类型。