一种超高周疲劳三点弯试验装置

1.本实用新型属于超高周疲劳测试技术领域，更具体地，涉及一种超高周疲劳三点弯试验装置。


背景技术：

2.传统的超高周实验研究一般采用轴向加载。例如，liu(2015)和takeuchi(2014)等的文献中描述关于钛合金试件的超高周疲劳试验。目前相关文献中对于弯曲超高周振动加载方式的研究还比较有限。相对于轴向加载而言，弯曲加载能检验试件材料在非对称变形下的超高周疲劳寿命。纵观目前已发表的成果来看，包括三点弯曲在内的超高周弯曲疲劳试验及其相应实验装置还有很大的研究空间。
3.传统的三点弯试验夹具在试验时，通过夹头将试验平台的振动荷载传递到试件表面，并夹持住试件两端形成固定铰支座边界条件，以此达到三点弯曲振动的试验目的。试验时，夹具夹头加力时传递单向荷载信号，撤力时试件自由回弹，因此传统的夹具只能产生单向(压)的三点弯曲振动，能够模拟的振动形式较单一，受夹持边界条件的影响，往往难以达到试件的共振频率。因而，现有的三点弯试验夹具尚未实现多模式的超高周疲劳实验，功能比较单一，通用性不强。
4.现有的三点弯夹具大多采用摩擦力形成固定铰支座，对于试件的摆放位置、振动的加载位置等条件没有结构上的设计，仅仅依靠实验人员进行经验性的放置，会产生误差等潜在问题。同时，传统的夹具往往针对单次实验的试件进行设计，跟具体试件尺寸密切相关，较少考虑通用性，不便于针对不同材料试件的横向研究比较，适用情况单一，一体化不足。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷和改进需求，本实用新型提供了一种超高周疲劳三点弯试验装置，其目的在于实现包括拉-压双向循环载荷、单向拉或压循环载荷在内的多模式三点弯曲超高周疲劳实验。
6.为实现上述目的，本实用新型提供了一种超高周疲劳三点弯试验装置，包括上压头、下压头、上边夹、下边夹以及滑动机构，所述上压头连接超高周振动源，所述下压头设置在所述上压头的下方，并与所述上压头连接，所述下边夹设置在所述滑动机构上，并与所述上边夹连接；两个压头之间放置弯曲试件，且至少有一个压头与试件的中间线接触，所述上边夹和下边夹用于夹持弯曲试件的两端，并与试件的两端形成线接触。
7.进一步地，所述上压头、下压头、上边夹及下边夹与弯曲试件接触的位置设有弧形凸起。
8.进一步地，所述上压头与下压头之间及所述上边夹与下边夹之间设有调整间距的连接件。
9.进一步地，所述连接件为螺杆与螺母。
10.进一步地，所述上压头与下压头上及所述上边夹与下边夹上设置有定位孔，上压头与下压头或上边夹与下边夹通过与所述定位孔相适配的定位部件定位。
11.进一步地，所述滑动机构包括滑座和滑轨，所述滑座分别设置在所述滑轨上。
12.进一步地，所述滑座通过固定栓与所述滑轨连接。
13.进一步地，所述固定栓为腰圆形。
14.进一步地，在所述下边夹上设置有轨向定位片，所述轨向定位片放置在试件沿滑轨方向的两端。
15.进一步地，在所述下边夹上设置有多个用于调整所述轨向定位片位置的定位孔。
16.总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
17.(1)本实用新型通过在上压头的正下方设计了与之配套的下压头，超高周振动源产生的振动信号可以同时传递至上、下压头，上压头传递向下的压循环载荷，下压头传递向上的拉循环载荷，通过使试件分别与上、下压头线接触，或者同时与上、下压头线接触，可以实现单向的压、拉循环载荷，或者是双向的拉-压循环载荷，解决了现有技术中的三点弯疲劳实验装置功能单一，通用性不强的问题，尤其是，能实现对试件进行拉-压循环载荷即负应力比(r＝-1)的弯曲疲劳试验。
18.(2)作为优选，在上下压头之间及上下边夹之间设置有调整间距的连接件，能够适用不同厚度的试件进行弯曲疲劳实验；且下边夹之间的间距通过滑动机构可以沿轨向方向调整，能够适应不同长度的试件进行弯曲疲劳实验，可满足多场景应用。
19.(3)作为优选，在下边夹上设置有位置可调整的轨向定位片，避免了实验过程中施加振动时可能发生的滑动，同时，还能够进行长时间有效的疲劳实验。
20.(4)作为优选，在上下压头上及上下边夹上设置有定位部件，用于上下压头及上下边夹完全对齐，实现精准定位，保证试件上下表面受力点相同，避免产生附加力矩。
21.总而言之，本实用新型能够实现拉-压双向循环载荷、单向拉或压循环载荷的多模式三点弯曲疲劳实验，且能够适应不同长度、厚度的试件进行弯曲疲劳实验，可满足多场景应用。
附图说明
22.图1为本实用新型提供的超高周疲劳三点弯试验装置的立面结构示意图。
23.图2为该装置的平面结构示意图。
24.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
25.1-上压头，2-下压头，3-上边夹，4-轨向定位片，5-下边夹，6-滑座，7-固定栓，8-滑轨。
具体实施方式
26.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合图例及实施示例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施示例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
27.如图1、图2所示，本实用新型提供的超高周疲劳三点弯试验装置，主要包括：上压
头1、下压头2、两个上边夹3、两个下边夹5以及滑动机构；所述上压头1与超高周振动源相连，用于传递超高周振动源提供的振动信号，并给试件施加压循环载荷；下压头2设置在上压头1的下方，并与上压头1通过连接件连接，用于给弯曲试件施加拉循环载荷；两个压头之间放置试件，且至少有一个压头与试件的中间线接触；两个上边夹3与两个下边夹5通过连接件连接，且两个上边夹3与两个下边夹5配合夹持试件的两端，使试件与上下边夹线接触，两个下边夹5与滑动机构相连，滑动机构用于根据试件的长度精确调整两个下边夹之间的距离，以适应不同长度的试件。
28.当工作在双向循环载荷模式下，上压头1和下压头2夹持试件的中间，并与试件线接触，超高周振动装置提供振动信号源，振动信号传递至上压头1，给试件施加压循环载荷；同时振动源传递至与上压头相连的下压头，给试件施加拉循环载荷。实现了对试件进行拉-压循环载荷即负应力比(r＝-1)的弯曲疲劳试验。
29.当工作在拉循环载荷模式下，仅下压头与试件的中部线接触，上压头与试件不接触；此时，上压头仅传递载荷到下压头，给试件施加拉循环载荷。
30.当工作在压循环载荷模式下，仅上压头与试件的中部线接触，下压头与试件不接触；此时，振动信号直接通过上压头，给试件施加压循环载荷。
31.另外，本装置也可以实现包括r＝-1在内的不等幅应力比加载试验，通过调节两个压头的上下位置，对试件施加预应力，使得试件在试验前已发生一定的弯曲变形，从而使得试件的初始位置改变，在这种情况下对试件施加循环载荷，即可实现包括r＝-1在内的不等幅应力比加载试验。
32.在实际测试中，以上三种加载方式可根据应用需求进行灵活选择。
33.具体的，滑动机构包括滑座6和滑轨8，滑轨8放置在实验平台上，滑座6分别设置在滑轨上。作为优选，滑座6通过固定栓7及其配套螺母与滑轨8连接，在螺母上紧的情况下实现固连，保证试验时的稳定性。滑座沿滑轨两端滑动可以适应试件长度的变化。滑轨底部设有预留孔，螺栓通过该预留孔与实验平台连接，便于拆卸与安装。作为优选，固定栓7为腰圆形，使得固定栓不会在滑轨中发生滚转与滑动，保证了连接的可靠性。作为优选，下边夹通过螺栓固定在滑座上。
34.作为优选，下压头与上压头之间或上下边夹之间的连接件是螺杆与螺母。通过螺母旋拧入螺杆内，改变下压头与上压头之间的跨距，或改变上下边夹之间的间距，同时在工作时能够保持整个装置的相对静止。在其它实施例中，连接件也可以是其它能够起到调整间距和固定作用的部件。作为优选，上压头1与超高周振动源之间通过螺纹连接。
35.上、下压头作为传力机构，在其中心夹持试件中部的位置分别设有弧形凸起，使试件能够与两个压头之间的接触为线接触；且上下压头之间的间距可以调整，便于能够测试不同厚度的试件，或者根据不同的实际应用需求，进行不同模式的循环载荷实验(即选择双向循环载荷模式、拉循环载荷模式或压循环载荷模式)。
36.同样，在上边夹和下边夹上分别设置有弧形凸起，通过该弧形凸起与试件的两端夹持，形成线接触；上边夹和下边夹之间通过连接件与试件挤压固定，实现三点弯实验中固定铰连接的两点。
37.在下边夹上设置有轨向定位片4，放置在试件沿滑轨方向，用于抵住试件的两端，防止试件沿轨道方向滑动，避免上下边夹与试件之间摩擦力不够的情况出现。作为优选，下
边夹上设置有多个用于安装轨向定位片的定位孔，本实施示例中，在每个下边夹上设置有两个固定轨向调节片的定位孔，轨向定位片通过与该定位孔相适配的螺栓与下边夹固连，其与试件接触的端面可以沿滑轨方向固定试件，在螺栓未上紧时，可以依据试件的长度进行调节，选择合适的安装位置，以适应长度不同的试件。作为优选，轨向定位片的厚度大于试件的厚度，其前端面与试件末端相接触。
38.在下压头与上压头上分别设有定位孔，两者通过与该定位孔相适配的定位部件定位；本实施例中，定位部件为定位销，在上下压头的边缘位置分别设置四个定位孔，定位销穿过对应的定位孔实现上下压头的完全对齐，使得试件上下表面受力点相同，避免产生附加力矩。
39.同样，在上边夹与下边夹上也分别设有定位孔，两者通过与该定位孔相适配的定位部件定位；本实施例中，定位部件为定位销，在上下边夹的边缘位置分别设置多个定位孔，定位销穿过对应的定位孔实现上下边夹的边缘弧形凸起与试件两端的上下表面的接触线和试件表面垂直，避免夹持歪斜产生附加力矩。
40.本实施示例中，使用时，通过滑轨底部预留的安装孔将滑轨安装在试验平台上；将固定栓穿过滑座，将固定栓与滑座的组合体沿滑轨装入，调节左右两个滑座的相对位置，预留出试件长度；将四个定位销穿过上、下压头，将二者定位，把试件放入上、下压头之间，保证上下压头与试件中点接触；利用螺栓与螺母将上压头与下压头固定，螺母不应过紧，从而为后续装配留下空间。将上下压头及试件的组合体通过上压头的螺纹头旋入传递超高周振动源(即信号发生器)内，旋入的圈数以保证试件安装方向与滑轨方向一致；通过定位销将下边夹与滑座定位，将试件的左右两端置于左右的下边夹的弧形凸起处，将上边夹与下边夹通过定位销进行定位；利用螺栓将上下边夹、滑座进行固定，旋紧该处固定的螺母；启动仪器进行试验，实现双向循环载荷。使试件的中部仅与上压头或者下压头线接触，则可实现单向的压循环载荷或者拉循环载荷。
41.本装置中的上、下压头之间，上、下边夹之间，对称两侧的轨向调节片与滑座之间均可通过调节改变相对距离，从而能实现不同尺寸与加载位置的三点弯超高周疲劳试验。同时，本装置结构对称，能够实现拉压幅值相等，方向相反的振动。并且能够与不同大小、形状的试件进行匹配，对试件所处位置进行结构性约束，避免了人工安装产生的误差。
42.以上所述仅为本实用新型的较佳实施示例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。