一種基于測試材料動態斷裂韌性的三點彎曲測試系統的制作方法
【專利摘要】本發明屬于測試材料動態斷裂韌性的實驗設備領域，具體涉及一種基于測試材料動態斷裂韌性的三點彎曲測試系統。本系統包括底座，底座上設置支撐裝置、加載桿、撞擊桿、壓氣槍以及信號采集處理裝置，底座上設置有導軌部，上述各部件均布置于導軌部上且與其構成往復導向式固接配合；所述支撐裝置包括立板，底板構成與導軌部配合的配合部，立板上布置有貫穿其板體的凹槽或通孔；支撐裝置還包括襯板，襯板上同樣設置有供加載桿穿行的通孔部；襯板上還布置襯墊單元；襯墊單元的相對于測試試樣的支撐方向與加載桿施力反向方向布置。本發明可在有效的實現裝置的易拆卸和易維護保養需求的同時，亦能夠確保整體數據采集的統一性。
【專利說明】一種基于測試材料動態斷裂韌性的三點彎曲測試系統
【技術領域】
[0001]本發明屬于測試材料動態斷裂韌性的實驗設備領域，具體涉及一種基于測試材料動態斷裂韌性的三點彎曲測試系統，以用于高效率的評估和測試金屬材料結構在沖擊載荷作用下的抗斷裂能力。
【背景技術】
[0002]隨著社會科技的不斷發展，斷裂力學在工程中的應用已相當普遍，為了對工程結構作斷裂分析，必須先通過試驗，獲得材料或結構的斷裂特性數據，才能更好的使科學付諸應用。斷裂試驗涉及的范圍很廣，按試驗的規模斷裂試驗可分為小型的試驗室試驗、大型的試驗室試驗和實際的結構試驗；按加載速度可分為靜態試驗和動態試驗；按試驗環境可分為高溫、低溫和包含腐蝕介質的試驗；按加載方法可分為拉伸和彎曲試驗等。其中，三點彎曲實驗是斷裂韌性測試中應用最廣的一種；其因試驗中對試樣進行三點彎曲加載而得名。三點彎曲試驗如圖1所示，其測試系統主要包括:壓氣槍a、撞擊桿b以及加載桿c及信號米集與處理系統，其中壓氣槍a提供撞擊桿b以瞬時動力，加載桿c與撞擊桿b同心布置，加載桿c相對于撞擊桿b的另一端處布置有用于夾持安置試樣的試樣支撐裝置d ;試驗中，試樣支撐裝置d處安置好待撞擊試樣f，壓氣槍a膛內高壓氣體驅動撞擊桿b,使之同心撞擊加載桿C，加載桿c隨之將載荷傳導至試樣f處并使之斷裂；加載桿c和撞擊桿b均為Φ 14.5mm的高強鋼(60Si2Mn)，加載桿c上應變波形的測量采用電阻應變片法，在加載桿c中部貼電阻應變片e測定加載桿上的應變信號；之后通過一系列的應變片的信號記錄，從而通過換算來得到該試樣的斷裂韌性系數。
[0003]目前的上述三點彎曲實驗，其整體操作流程及理念固然已經趨于完善，然而其物理實驗結構仍具備一定的缺陷:上述系統中，各部件往往設置為如圖1所示的固定件，其雖然起到了承受一定的沖擊載荷和確保機構工作穩定性的作用，然而一方面整體結構笨重而組裝復雜，極其不利于甚至根本無法進行拆卸、更換和保養操作，體積龐大的測試系統不但常常為搬運、維護等操作帶來額外負擔，同時也使整個裝置系統的工作靈活性大打折扣，甚至需要針對不同的試樣或不同長度的加載桿或撞擊桿而需要重新設計測試系統；另一方面，試樣支撐裝置的實際結構無統一的標準化設計，尺寸大小往往是各個實驗部門自行擬定采用，這也是導致各實驗部門間測試結果不一的一大因素，這些都為操作人員的實際操作帶來極大困擾。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種結構合理而實用的基于測試材料動態斷裂韌性的三點彎曲測試系統，其標準化程度高而工作靈活性大，可在有效的實現裝置的易拆卸和易維護保養需求的同時，亦能夠確保整體數據采集的統一性，工作可靠穩定。
[0005]為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案:
[0006]一種基于測試材料動態斷裂韌性的三點彎曲測試系統，包括作為基體的底座，底座上設置用于安置及支撐測試試樣的支撐裝置、給予測試試樣以沖擊力的加載桿、用于撞擊加載桿的撞擊桿、施予撞擊桿以瞬時沖力的壓氣槍以及用于收集測試數據的信號采集處理裝置，加載桿與撞擊桿同心設置，且加載桿頂端指向測試試樣布置，其特征在于:所述底座上設置有導軌部，上述各部件均布置于導軌部上且與其構成往復導向式固接配合；所述支撐裝置包括底板以及鉛垂布置于底板上的立板，底板構成與導軌部配合的配合部，立板上布置有貫穿其板體的凹槽或通孔，所述凹槽或通孔布置于加載桿行進路徑處且其槽壁或孔壁與加載桿活動路徑間呈空間避讓布置；支撐裝置還包括安置于底板上且與立板間板面平行布置的襯板，所述襯板布置于立板的相對于加載桿沖撞方向的另一端處，且其上同樣設置有供加載桿穿行的通孔部；襯板上還布置用于墊設測試試樣的襯墊單元；襯墊單元的相對于測試試樣的支撐方向與加載桿施力反向方向布置。
[0007]所述底板底端面以槽口朝下布置的導軌槽卡嵌于導軌部上，導軌槽側面設置有緊釘螺紋孔且與前述導軌部的側面間形成緊釘螺釘式固接配合關系。
[0008]所述襯墊單元為墊塊，所述襯墊單元可拆卸的固接于襯板的朝向立板所在端面處，襯墊單元凸設方向指向加載桿處于初始狀態時的所在方向；所述襯墊單元上布置有螺紋孔，襯板上的面朝立板所在端面處相應設置安裝孔，所述襯墊單元與襯板間構成螺紋固接配合。
[0009]所述襯墊單元外形呈長方體狀，螺紋孔設置于其兩端部處，其中段凸設有用于墊起測試試樣的凸部，所述襯墊單元至少為兩個且依照測試試樣布置方向而分置螺接于通孔部上。
[0010]所述通孔及通孔部均為尺寸大小一致且長度方向橫向布置的方形孔，襯墊單元螺接于通孔部長度方向的兩端且沿通孔部寬度方向跨設布置。
[0011]所述通孔及通孔部均為長度方向橫向布置的方形孔，所述通孔部長度尺寸小于通孔長度設置，通孔部的長度方向上的朝向立板所在兩端部端面構成前述襯墊單元。
[0012]所述立板、襯板以及底板外形均呈方體狀結構，支撐裝置還包括頂板，頂板外形呈長方體狀，頂板布置于立板及襯板頂端部處且固接兩者設置。
[0013]立板和襯板固接于底板的前端部處，底板后端處設置有凸板，支撐裝置還包括用于構成三角支撐的支撐板，所述支撐板一端抵靠在凸板與底板構成的內側角處，另一端斜向向襯板處順延并抵靠在襯板與頂板構成的外側角處。
[0014]支撐板上貫穿其板體開設有用于避讓加載桿行進路徑的孔槽部；支撐板的用于與頂板及凸板配合的兩端布置有便于與各者間緊密面抵合的倒角。
[0015]本系統還包括布置于導軌部上的用于阻擋加載桿持續行進的檔板部，所述檔板部位于加載桿行進路線上的支撐裝置后方布置；所述檔板部與導軌部間構成往復導向式固接配合。
[0016]本發明的主要優點在于:
[0017]I)、摒棄了傳統的測試系統所固有的結構體積龐大乃至搬運維護不易等諸多缺陷，通過整體的可拆卸式布局結構，以底板與外部設備的可拆卸配合來保證裝置的便拆性，利用立板和襯板的相對位置來保證測試試樣的安置以及在受到加載桿沖擊下的穩固托撐需求，立板上的凹槽或通孔起到了限位測試試樣的目的，而襯板上的襯墊單元則顯著的確保了測試試樣在收到沖擊載荷時的定點受力性；此外，導軌部的設置，賦予了整個測試系統更大的操作靈活性，實際測試時，操作人員可根據現場的測試實驗情況，而針對性的對各部件相對位置進行自由調整，從而滿足多種不同實驗狀況下的測試需求，進而實現其一機多用特性。本發明通過上述改進結構，不但實現了承受動態沖擊載荷作用下的三點彎曲支撐裝置的小型化需求，同時，采用可拆卸式的固定方法，在搬運和取用時可直接通過拆卸和組裝方式實現，甚至在出現部分構件損壞時，利用其結構的標準化而事先設計替換構件，從而實現了裝置的易拆卸、維護和保養，進而可用于各種材料金屬材料、復合材料、玻璃材料等三點彎曲試樣的動態斷裂韌性測試中的有效支撐。
[0018]2)、導軌槽的具體設置，進一步的保證了本發明的自移動性和可調性，進而改善了傳統的整體固接式支撐裝置所帶來的體積龐大和難以搬運的缺陷；在實際測試時，還可根據目前撞擊桿乃至加載桿長度、乃至其撞擊距離，通過適當的對支撐裝置沿導軌部進行位置調節，從而能夠更為靈活化的保證其裝置的適應性和實用性；在將支撐裝置調節好位置后，通過緊釘螺釘以固接支撐裝置與前述導軌部，即可進行后續測試，其操作極為方便快捷。
[0019]3)、作為本發明的其中一種實現結構，其裝置可通過獨立墊塊的結構來進一步細化整個裝置體，以單獨設計墊塊的方式，通過在通孔部上預設安裝孔，從而實現墊塊與通孔部的螺接配合；在實際使用時，甚至可在通孔部的長度方向上開設多組安裝孔，從而實現不同長度的測試試樣的墊設測試需求，最終實現其一機多用的測試特性。換言之，在測試時，支撐裝置以立板上的通孔作為限制測試試樣徑向動作的容納孔，而以襯板上的墊塊作為抵靠測試試樣的約束塊，在撞擊桿撞擊加載桿，而加載桿施予測試試樣以力時，墊塊直接頂住并吸收測試試樣在加載桿作用下的沖擊力，從而使加載桿直接沖斷測試試樣，進而完成其測試需要，其整體結構可靠而工作效率高。
[0020]4)、本發明相對上述結構的另一種實施方式，則是通過設置相對通孔而言的尺寸顯著減小的通孔部，以通孔部的長度方向上的兩端部看作為前述墊塊的變形，從而實現對于測試試樣的墊設需求。同樣的，此時在測試時，也還是以立板上的通孔作為限制測試試樣徑向動作的容納孔，同時以襯板上通孔部兩長端作為測試試樣的抵靠端，在撞擊桿撞擊加載桿，而加載桿施予測試試樣以力時，通孔部的兩長端則強行頂住并吸收測試試樣在加載桿作用下的沖擊力，從而使加載桿直接沖斷測試試樣，其同樣可完成測試需要。
[0021]5)、頂板的設置，進一步的保證了立板與襯板的位置恒定性，從而確保了在加載桿的巨大沖擊力作用下，立板與襯板仍能穩固的實現其自身的支撐功能；支撐板的固接結構，可看作是在原有頂板的加強結構的基礎上的進一步結構增強，通過頂板與凸板的配合，從而形成支撐板、襯板、底板三者間的三角支撐體系，孔槽部的設置更是確保了加載桿在撞斷測試試樣后其行進路徑的無障礙性，最終為整個結構的工作穩固性和可靠性提供了有利保證。
[0022]6)、檔板部的設置，則是考慮若試樣完全被打斷，需要裝置中有相應結構吸收加載桿的沖擊能量，以防其破壞其它設備；當支撐裝置中加載桿沖斷測試試樣并瞬時減速后，力口載桿沿襯板上的預留的通孔部以及支撐板上預留的孔槽部繼續行進，再以較低的沖擊力撞擊在檔板部上，從而避免了對其他設備的破壞和確保了操作人員的人身安全，其工作起來顯然更為安全可靠。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為傳統結構的三點彎曲試驗裝置圖；
[0024]圖2為本發明的工作結構示意圖；
[0025]圖3為支撐裝置的立體結構示意圖；
[0026]圖4為底板的結構主視圖；
[0027]圖5為圖4結構的左視圖；
[0028]圖6為立板的結構主視圖；
[0029]圖7為圖6結構的左視圖；
[0030]圖8為襯板的其中一種結構的結構主視圖；
[0031]圖9為圖8結構的左視圖；
[0032]圖10為墊塊的結構主視圖；
[0033]圖11為圖10結構的左視圖；
[0034]圖12為襯板的另一種結構的結構主視圖；
[0035]圖13為圖12結構的左視圖；
[0036]圖14為頂板的結構主視圖；
[0037]圖15為圖14結構的左視圖；
[0038]圖16為支撐板的結構主視圖；
[0039]圖17為圖16結構的左視圖；
[0040]圖18為凸板的結構主視圖；
[0041]圖19為圖18結構的左視圖。
[0042]圖中標號與各部件的對應關系如下:
[0043]a_壓氣槍b_撞擊桿C-加載桿d_試樣支撐裝置e_電阻應變片
[0044]f_試樣g_導軌部h_檔板部i_感應片
[0045]10-底板11-導軌槽Ila-緊釘螺紋孔20-立板21-通孔30-襯板
[0046]31-通孔部32-墊塊33-凸部40-頂板50-凸板60-支撐板
[0047]61-孔槽部62-倒角
【具體實施方式】
[0048]此處結合圖2-19對本發明的具體結構及工作流程作以下描述:
[0049]本發明的具體結構，可參照圖2所示，包括底座，底座上沿加載桿c的撞擊方向布置有導軌部g，導軌部g上依次布置壓氣槍a、撞擊桿b、加載桿C、支撐裝置以及檔板部h，其中撞擊桿b與加載桿c同心布置，支撐裝置用于安置和固定測試試樣，檔板部h用于止停加載桿C，測試系統還包括外部的信息采集處理裝置，信息采集處理裝置具備有感應片i，感應片i貼附在加載桿c上。實際測試時,壓氣槍a施予撞擊桿b以瞬時沖力,撞擊桿b撞擊加載桿C，使加載桿c頂端直接施予測試試樣以沖擊力，測試試樣在襯墊單元和加載桿c的反向力作用下中部斷裂，進而通過布置于加載桿c上的感應片i獲得各項測試數據。加載桿c上的感應片能夠將入射波信號與反射波信號分開，感應片i位置與測試試樣接觸端距尚應大于撞擊桿b長度，同時為了測得完整的反射波信號，感應片i位置與撞擊桿b撞擊端距尚也應大于撞擊桿b長度。通過選用不同長度的撞擊桿b,可控制加載桿c中壓力；方波的持續時間，而其幅值由撞擊速度決定。
[0050]撞擊桿b同心撞擊加載桿C，在加載桿c中產生具有恒定不變振幅的壓縮脈沖，其振幅大小則與撞擊桿b速度直接成正比。該脈沖傳到應變片i處，應變片記錄信號，即入射波^(0。當壓縮脈沖到達試樣時，脈沖的一部分傳遞通過試樣，另一部分則因為桿和試樣的橫截面以及它們的聲阻不匹配而被反射。試樣的截面及力學行為決定反射脈沖的精確形狀。反射脈沖通過應變片，應變片記錄信號，即反射波L(t)。由一維應力波理論可求得作用于試樣上的載荷(加載點載荷)為:
[0051]P(t) = ΕΑ[ ε j(t) + ε r(t)]
[0052]測試試樣與加載桿c接觸點的位移(即加載點位移)為:
[0053]
【權利要求】
1.一種基于測試材料動態斷裂韌性的三點彎曲測試系統，包括作為基體的底座，底座上設置用于安置及支撐測試試樣的支撐裝置、給予測試試樣以沖擊力的加載桿(C)、用于撞擊加載桿(C)的撞擊桿(b)、施予撞擊桿(b)以瞬時沖力的壓氣槍(a)以及用于收集測試數據的信號采集處理裝置，加載桿(C)與撞擊桿(b)同心設置，且加載桿(C)頂端指向測試試樣布置，其特征在于:所述底座上設置有導軌部(g)，上述各部件均布置于導軌部(g)上且與其構成往復導向式固接配合；所述支撐裝置包括底板(10)以及鉛垂布置于底板(10)上的立板(20)，底板(10)構成與導軌部配合的配合部，立板(20)上布置有貫穿其板體的凹槽或通孔(21)，所述凹槽或通孔(21)布置于加載桿行進路徑處且其槽壁或孔壁與加載桿活動路徑間呈空間避讓布置；支撐裝置還包括安置于底板(10)上且與立板(20)間板面平行布置的襯板(30),所述襯板(30)布置于立板(20)的相對于加載桿沖撞方向的另一端處，且其上同樣設置有供加載桿穿行的通孔部(31);襯板(30)上還布置用于墊設測試試樣的襯墊單元；襯墊單元的相對于測試試樣的支撐方向與加載桿(C)施力反向方向布置。
2.根據權利要求1所述的一種基于測試材料動態斷裂韌性的三點彎曲測試系統，其特征在于:所述底板(10)底端面以槽口朝下布置的導軌槽(11)卡嵌于導軌部(g)上，導軌槽(11)側面設置有緊釘螺紋孔(Ila)且與前述導軌部(g)的側面間形成緊釘螺釘式固接配合關系。
3.根據權利要求1或2所述的 一種基于測試材料動態斷裂韌性的三點彎曲測試系統，其特征在于:所述襯墊單元為墊塊(32)，所述襯墊單元可拆卸的固接于襯板(30)的朝向立板(20)所在端面處，襯墊單元凸設方向指向加載桿(c)處于初始狀態時的所在方向；所述襯墊單元上布置有螺紋孔，襯板(30)上的面朝立板(20)所在端面處相應設置安裝孔，所述襯墊單元與襯板(30)間構成螺紋固接配合。
4.根據權利要求3所述的一種基于測試材料動態斷裂韌性的三點彎曲測試系統，其特征在于:所述襯墊單元外形呈長方體狀，螺紋孔設置于其兩端部處，其中段凸設有用于墊起測試試樣的凸部(33)，所述襯墊單元至少為兩個且依照測試試樣布置方向而分置螺接于通孔部(31)上。
5.根據權利要求4所述的一種基于測試材料動態斷裂韌性的三點彎曲測試系統，其特征在于:所述通孔(21)及通孔部(31)均為尺寸大小一致且長度方向橫向布置的方形孔，襯墊單元螺接于通孔部(31)長度方向的兩端且沿通孔部(31)寬度方向跨設布置。
6.根據權利要求1或2所述的一種基于測試材料動態斷裂韌性的三點彎曲測試系統，其特征在于:所述通孔(21)及通孔部(31)均為長度方向橫向布置的方形孔，所述通孔部(31)長度尺寸小于通孔(21)長度設置，通孔部(31)的長度方向上的朝向立板(20)所在兩端部端面構成前述襯墊單元。
7.根據權利要求1或2所述的一種基于測試材料動態斷裂韌性的三點彎曲測試系統，其特征在于:所述立板(20)、襯板(30)以及底板(10)外形均呈方體狀結構，支撐裝置還包括頂板(40)，頂板(40)外形呈長方體狀，頂板(40)布置于立板(20)及襯板(30)頂端部處且固接兩者設置。
8.根據權利要求7所述的一種基于測試材料動態斷裂韌性的三點彎曲測試系統，其特征在于:立板(20)和襯板(30)固接于底板(10)的前端部處，底板(10)后端處設置有凸板(50)，支撐裝置還包括用于構成三角支撐的支撐板(60)，所述支撐板(60) —端抵靠在凸板(50)與底板(10)構成的內側角處，另一端斜向向襯板(30)處順延并抵靠在襯板(30)與頂板(40)構成的外側角處。
9.根據權利要求8所述的一種基于測試材料動態斷裂韌性的三點彎曲測試系統，其特征在于:支撐板(60)上貫穿其板體開設有用于避讓加載桿(c)行進路徑的孔槽部(61);支撐板(60)的用于與頂板(40)及凸板(50)配合的兩端布置有便于與各者間緊密面抵合的倒角(62)。
10.根據權利要求1或2所述的一種基于測試材料動態斷裂韌性的三點彎曲測試系統，其特征在于:本系統還包括布置于導軌部(g)上的用于阻擋加載桿(C)持續行進的檔板部(h)，所述檔板部(h)位于加載桿(C)行進路線上的支撐裝置后方布置；所述檔板部(h)與導軌部(g)間構成往 復導向式固接配合。
【文檔編號】G01N3/307GK104075952SQ201410250056
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月5日 優先權日:2014年6月5日
【發明者】陳學東, 潘建華, 胡時勝, 王冰, 艾志斌, 呂運容, 范志超 申請人:合肥通用機械研究院
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
