超高應變速率精密拉伸原位測試平臺的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種超高應變速率精密拉伸原位測試平臺，屬于材料力學測試領域。包括高速加載單元、信號檢測及控制單元、連接夾持單元，高速加載單元包括四個高速氣缸，通過高壓氣體共軌供給系統提供足夠高的加載速率，通過供氣壓力控制加載速率范圍102/s~104/s；信號檢測及控制單元針對高應變速率采用多普勒光電位移測量儀測量和記錄，結合精密拉壓力傳感器采集載荷信號，通過控制系統調節供給氣體壓力控制加載速率，實現半閉環控制。連接夾持單元為測試平臺提供一個保護腔體，并可以通過直線導軌方便試件裝夾。本實用新型結構緊湊，體積小巧，應變速率可控，且與部分電子顯微鏡設備兼容，因此可實現對加載過程中試樣樣品的動態變形損傷進行原位監測。
【專利說明】超高應變速率精密拉伸原位測試平臺
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及材料力學測試領域，特別涉及一種超高應變速率精密拉伸原位測試平臺。其與部分商業化掃描電子顯微鏡有一定的結構兼容性、真空兼容性及電磁兼容性。可對材料在高應變速率載荷作用下的損傷和斷裂過程進行測試和評價，為車輛設計提供所用材料的動態物理力學性能數據。
【背景技術】
[0002]材料輕量化、高強度是當前材料技術發展的重要方向之一。在這一趨勢的推動下，與輕量化、高強度材料應用緊密相關的試驗及評價技術，如高應變速率拉伸試驗技術，材料、連接接頭動態性能測試技術，材料的液壓成形、熱成形等工藝性能試驗技術，都得到了迅速發展。材料試驗是工業技術中最基礎的試驗之一。試驗所測取的材料各種物理性能、力學性能和工藝性能數據，不僅可用于材料評價和零部件選材，而且廣泛應用在產品設計、制造、質量控制、維修等各階段。為滿足工業發展對材料動態性能數據的需求，材料動態物理力學性能測試及評價技術，如高應變速率拉伸試驗技術、高應變速率沖擊試驗技術、吸能試驗技術等，已成為當前新型材料試驗技術發展的熱點和重點。
[0003]高速拉伸是相對于常規偽靜態拉伸試驗而言的，是一種高應變速率的拉伸試驗，其應變速率范圍通常在10_，103/s。由于高速拉伸試驗測得的材料動態應力-應變響應數據，可以反映材料在沖擊載荷作用下的能量吸收特性，這在材料及其制品在沖擊載荷下仿真分析時非常有用，因此這項試驗的重要性日益顯現。
[0004]目前，根據不同加載方式和作用原理，廣泛應用的試驗機可分為2種類型，即電液伺服試驗系統和桿式試驗系統。電液伺服式金屬板材高速拉伸試驗系統結構及加載方式與普通電液伺服試驗系統基本相同，為獲得足夠高的加載速率，液壓系統中的油泵和伺服閥通常都選取得很大，以致活塞桿的移動速度可達30 m/s。桿式試驗系統有2種:霍普金森雙桿式試驗系統(Split Hopkinson Bar System)和單桿式試驗系統(One Bar System)。除以上兩種，還有火藥爆炸沖擊式、飛輪儲能式等。但是，從速度、負荷、等速精度、結構復雜程度及經濟性等幾個方面考慮，在上述幾種加荷方式中，普遍存在結構比較復雜龐大，伺服控制系統復雜，成本較高等問題。
[0005]因此，設計一種體積小、結構緊湊，測試精度高，有較大的試驗速度變化范圍，能夠利用電子顯微鏡等成像系統實時監測宏觀試件在載荷作用下的微觀變形和損傷過程的超高應變率速率拉伸測試平臺已十分必要。
【發明內容】
[0006]本實用新型的目的在于提供一種超高應變速率精密拉伸原位測試平臺，解決了現有技術存在的上述問題，一定程度上填補現有技術的空白。為實現精度高、應變速率可控、體積小、結構精巧、部分兼容電子顯微鏡等成像系統的可用于精密材料微觀力學性能超高應變速率拉伸測試的裝置提供一種有效的方案。針對航空航天，軍事領域、汽車工業中沖撞變形中的高應變率(io2/iTio3/s)，其變形形式有拉伸、壓縮、剪切等，其中動態拉伸可以得到更為豐富的材料破壞信息。通過高應變率拉伸測試可以對材料在高應變速率下的微觀變形、損傷和斷裂過程進行監測，獲得材料動態應力-應變響應數據，反映材料在沖擊載荷作用下的能量吸收特性，這在零部件設計及碰撞仿真分析時提供重要的材料性能參數。
[0007]本實用新型的上述目的通過以下技術方案實現:
[0008]超高應變速率精密拉伸原位測試平臺，包括高速加載單元、信號檢測及控制單元、連接夾持單元，所述高速加載單元包括低摩擦高速氣缸I?IV 8、9、23、26、加載機構基板
1、II 5、11、導向光杠1、II 3、29、高壓氣體共軌供給系統，其中高壓氣體共軌供給系統將高壓氣泵產生的高壓氣體以相同的壓力輸送給四個相同型號的低摩擦高速氣缸I?IV 8、9、23、26，使四個氣缸的輸出桿產生相同的推力，推動加載機構基板II 11在導向光杠1、II 3、29上做高速的運動，從而使被測試件21產生高應變速率；
[0009]所述信號檢測及控制單元包括高精度拉壓力傳感器31、多普勒光電位移測量儀、高壓氣體控制系統，可為測試平臺提供位移加載速率的模擬或數字量信號，作為高壓氣體控制系統控制的反饋信號，即高速加載單元可實現變加載速率的加載方式；由于被測試件21尺寸很小，用高精度拉壓力傳感器31可以滿足測試的精度要求。
[0010]所述連接夾持單元包括被測試件21、夾具體1、II 12、32、氣缸調整座I?IV7、10、24、25、加強肋板I?IV 4、14、19、28、以及螺釘，通過調整氣缸調整座I?IV 7、10、24、25以補償高速氣缸桿與加載機構基板II 11的間隙；被測試件21通過夾具體的上下壓板以及螺釘以壓緊方式定位夾持。
[0011]所述的低摩擦高速氣缸1、I1、II1、IV 8、9、23、26分別通過氣缸調整座1、IIJI1、IV 7、10、24、25和氣缸固定架1、II >111 6、22、27連接在加載機構基板I 5和平臺基座I上；導向光杠1、11 3、29平行安裝在平臺基座I上，作為重要的導向元件，兩側分別通過導向光杠固定軸套1、I1、II1、IV 2、15、17、30定位安裝；由外接高壓氣泵產生的高壓氣體，通過高壓氣體共軌供給系統后，被以相同的壓力輸送給四個相同型號的低摩擦高速氣缸1、I1、IIKIV 8、9、23、26 ;在相同壓力和流量的氣體作用下，四個氣缸的氣缸桿IV、I 34,37等同步動作，即產生相同的推力和速度，沖擊在加載機構基板II 11的沖擊墊1、II1、IV38、35、34等上，推動加載機構基板II 11在導向光杠1、II 3、29上做聞速的運動；安裝在加載機構基板II 11上的導向光杠滑動軸套1、11 13、20保證了加載機構基板II 11的快速運動，使被測試件21在基板的相對高速運動下產生高應變速率。
[0012]所述的高精度拉壓力傳感器31安裝在加載機構基板I 5和夾具體II 32之間，試件的高速變形普通位移測量設備難以測量，多普勒光電位移測量儀可以實現高速非接觸式高精度測量，滿足測試平臺的測量要求，同時簡化了測試平臺的結構；高精度拉壓力傳感器31和多普勒光電位移測量儀可為測試平臺提供位移加載速率的模擬或數字量信號，作為高壓氣體控制系統控制的反饋信號，通過控制氣體的壓力和流量調節氣缸的推力和速度，可實現對被測試件加載不同加載速率。
[0013]所述的被測試件21的兩端通過夾具體1、11 12、32夾持，并由夾具體的上下壓板以及螺釘以壓緊方式定位夾緊；夾具體1、II 12,32分別通過螺釘連接在加載機構基板1、II 5、11上，將氣缸的高速運動經過較少的環節傳遞給被測試件21。
[0014]所述的超高應變速率精密拉伸原位測試平臺的主體尺寸約為336mmX 196mmX 196mm未裝保護罩,與目前廣泛應用的電液伺服式、霍普金森雙桿式試驗系統以及單桿式試驗系統相比，具有體積小巧，結構緊湊，測量精度高的特點，與部分商業化掃描電子顯微鏡有一定的結構兼容性、真空兼容性及電磁兼容性，實現材料測試的實時監測。
[0015]所述的超高應變速率精密拉伸原位測試平臺外部可以根據需要設置保護罩39，以保證在超高速試驗過程中的安全。滑動導軌1、11 16、18平行安裝在平臺基板I下方，并同時安裝在保護罩39上，使測試裝置可以方便的抽出以進行試件裝夾和維護等。
[0016]所述的超高應變速率精密拉伸原位測試平臺采用空氣作為能量傳遞介質，不會對環境造成污染，同時有效的降低了設備的使用和維護成本。
[0017]本實用新型的有益效果在于:與現有技術相比，本實用新型體積小巧，結構緊湊，測試精度高，應變速率可控，可實現對材料在超高應變速率下動態力學性能的測試分析。測試平臺在對被測試件樣品進行機械加載的同時，可對載荷信號和位移信號進行精密檢測。可以對各種材料的特征尺寸毫米級以上宏觀試件進行超高應變速率拉伸試驗，對材料及其制品在沖擊載荷下的微觀變形進行動態觀測，以揭示材料在微納米尺度下的力學行為和損傷機制。并通過載荷/位移信號的同步監測，結合相關算法，亦可自動擬合生成載荷作用下的應力-應變曲線。綜上所述，本實用新型對汽車材料力學性能測試技術及裝備具有重要的理論意義和良好的應用開發前景。通過本實用新型可對材料在高應變速率載荷作用下的損傷和斷裂過程進行測試和評價，為材料及其制品的設計制造提供力學性能的基礎數據。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構成本申請的一部分，本實用新型的示意性實例及其說明用于解釋本實用新型，并不構成對本實用新型的不當限定。
[0019]圖1為本實用新型的整體外觀結構示意圖；
[0020]圖2為本實用新型的主視示意圖；
[0021]圖3為本實用新型的俯視示意圖；
[0022]圖4為本實用新型的左視示意圖；
[0023]圖5為本實用新型的裝配保護罩的整體外觀結構圖；
[0024]圖6為本實用新型的裝配保護罩的效果圖。
[0025]圖中:1.平臺基座,2.導向光杠固定軸套I,3.導向光杠1,4.加強肋板I,5.加載機構基板I，6.氣缸固定架I，7.氣缸調整座I，8.低摩擦高速氣缸I，9.低摩擦高速氣缸II，10.氣缸調整座II，11.加載機構基板II，12.夾具體I，13.導向光桿滑動軸套I，14.加強肋板II，15.導向光杠固定軸套II，16.滑動導軌I，17.導向光杠固定軸套III，18.滑動導軌II，19.加強肋板III，20.導向光杠滑動軸套II，21.被測試件，22.氣缸固定架II，23.低摩擦高速氣缸III，24.氣缸調整座III，25.氣缸調整座IV，26.低摩擦高速氣缸IV，27.氣缸固定架III，28.加強肋板IV，29.導向光杠II，30.導向光杠固定軸套IV，31.高精度拉壓力傳感器，32.夾具體II，33.氣缸桿IV，34.沖擊墊IV，35.沖擊墊III，36.氣缸桿III，37.氣缸桿I，38.沖擊墊I，39.保護罩。【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖進一步說明本實用新型的詳細內容及其【具體實施方式】。
[0027]參見圖1至圖6所示，本實用新型的超高應變速率精密拉伸原位測試平臺，包括高速加載單元、信號檢測及控制單元、連接夾持單元，所述高速加載單元包括低摩擦高速氣缸I?IV8、9、23、26、加載機構基板1、11 5、11、導向光杠1、11 3、29、高壓氣體共軌供給系統，其中高壓氣體共軌供給系統將高壓氣泵產生的高壓氣體以相同的壓力輸送給四個相同型號的低摩擦高速氣缸I?IV 8、9、23、26，使四個氣缸的輸出桿同步動作，即具有相同的推力和速度，在氣缸桿和加載機構基板II 11之間裝有沖擊墊，保證氣缸桿和基板之間有一定的間距，使氣缸桿在獲得足夠速度后才與基板相撞，保證加載機構基板II 11在導向光杠1、II 3、29上做高速的運動，從而使被測試件21產生高應變速率。
[0028]所述信號檢測及控制單元包括高精度拉壓力傳感器31、多普勒光電位移測量儀、高壓氣體控制系統，可為測試平臺提供位移加載速率的模擬或數字量信號，作為高壓氣體控制系統控制的反饋信號，即高速加載單元可實現變加載速率的加載方式；由于被測試件21尺寸很小，用高精度拉壓力傳感器31可以滿足測試的精度要求。
[0029]所述連接夾持單元包括被測試件21、夾具體1、II 12、32、氣缸調整座I?IV7、10、
24、25、加強肋板I?IV 4、14、19、28、以及螺釘，通過調整氣缸調整座I?IV 7、10、24、25以補償高速氣缸桿與加載機構基板II 11的間隙；被測試件21通過夾具體的上下壓板以及螺釘以壓緊方式定位夾持。
[0030]所述的低摩擦高速氣缸1、I1、II1、IV 8、9、23、26分別通過氣缸調整座1、11、111、IV 7、10、24、25和氣缸固定架1、I1、1116、22、27連接在加載機構基板I 5和平臺基座I上；導向光杠1、11 3、29平行安裝在平臺基座I上，作為重要的導向元件，兩側分別通過導向光杠固定軸套1、I1、II1、IV 2、15、17、30定位安裝；由外接高壓氣泵產生的高壓氣體，通過高壓氣體共軌供給系統后，被以相同的壓力輸送給四個相同型號的低摩擦高速氣缸1、I1、II1、IV8、9、23、26 ;在相同壓力和流量的氣體作用下，四個氣缸的氣缸桿IV、I 34、37等同步動作，即產生相同的推力和速度，沖擊在加載機構基板II 11的沖擊墊1、II1、IV38、35、34等上，推動加載機構基板II 11在導向光杠1、II 3、29上做聞速的運動；安裝在加載機構基板II 11上的導向光杠滑動軸套1、11 13、20保證了加載機構基板II 11的快速運動，使被測試件21在基板的相對高速運動下產生高應變速率。
[0031]所述的高精度拉壓力傳感器31安裝在加載機構基板I 5和夾具體II 32之間，試件的高速變形普通位移測量設備難以測量，多普勒光電位移測量儀可以實現高速非接觸式高精度測量，滿足測試平臺的測量要求，同時簡化了測試平臺的結構；高精度拉壓力傳感器31和多普勒光電位移測量儀可為測試平臺提供位移加載速率的模擬或數字量信號，作為高壓氣體控制系統控制的反饋信號，通過控制氣體的壓力和流量調節氣缸的推力和速度，可實現對被測試件加載不同加載速率。
[0032]所述的被測試件21的兩端通過夾具體1、11 12、32夾持，并由夾具體的上下壓板以及螺釘以壓緊方式定位夾緊；夾具體1、II 12,32分別通過螺釘連接在加載機構基板1、II 5、11上，將氣缸的高速運動經過較少的環節傳遞給被測試件21。
[0033]所述的信號檢測及控制單元由于被測試件21尺寸很小，測試過程中應力峰值不高，用高精度拉壓力傳感器31可以滿足測試的量程及精度要求。對于試件的高速變形，普通位移測量設備難以測量，多普勒光電位移測量儀可以實現高速非接觸式高精度測量，滿足測試平臺的測量要求，同時簡化了測試平臺的結構。
[0034]所述的超高應變速率精密拉伸原位測試平臺的主體尺寸約為336mmX 196mmX 196mm未裝保護罩,與目前廣泛應用的電液伺服式、霍普金森雙桿式試驗系統以及單桿式試驗系統相比，具有體積小巧，結構緊湊，測量精度高的特點，與部分商業化掃描電子顯微鏡有一定的結構兼容性、真空兼容性及電磁兼容性，實現材料測試的實時監測。
[0035]所述的超高應變速率精密拉伸原位測試平臺外部可以根據需要設置保護罩39，以保證在超高速試驗過程中的安全。滑動導軌1、11 16、18平行安裝在平臺基板I下方，并同時安裝在保護罩39上，使測試裝置可以方便的抽出以進行試件裝夾和維護等。
[0036]所述的超高應變速率精密拉伸原位測試平臺采用空氣作為能量傳遞介質，不會對環境造成污染，同時有效的降低了設備的使用和維護成本。
[0037]參見圖1至圖6所示，本實用新型的超高應變速率精密拉伸原位測試平臺，其結構主要由高速加載單元、信號檢測及控制單元、連接夾持單元組成。測試平臺主體尺寸約為336mmX196mmX196mm (未裝保護罩)，測試平臺可以在102/s~104/s應變率范圍內對材料進行高應變速率測試，并可以通過安裝在平臺下的滑動導軌1、11 16、18輕松將平臺推入保護罩39。[0038]信號檢測及控制單元由高精度拉壓力傳感器31和多普勒光電位移測量儀為測試裝置提供位移加載速率的模擬或數字量信號，作為高壓氣體控制系統控制的反饋信號源，通過控制氣體的壓力和流量調節氣缸的推力和速度，可實現對被測試件加載不同加載速率。
[0039]高壓氣體控制系統等組成。由于被測試件21尺寸很小，用高精度拉壓力傳感器31可以滿足測試的精度要求。試件的高速變形普通位移測量設備難以測量，多普勒光電位移測量儀可以實現高速非接觸式高精度測量，滿足測試平臺的測量要求，同時簡化了測試平臺的結構。
[0040]本實用新型在具體的測試過程中，被測試件21采用線切割方式加工，并利用小型外圓拋光機對試件進行拋光處理，得到可用于高分辨率顯微成像監測的較好表面光潔度，或者通過化學腐蝕等工藝得到金相等顯微形貌。然后將被測試件21裝夾在壓塊式夾頭的上下壓塊之間，之后擰緊壓板緊固螺釘，完成試件裝夾。然后，根據所需應變速率設定輸入氣體壓力，即通過測試算法程序設定測試條件和參數。在高壓氣體共軌供給系統的控制下，氣缸桿1、II1、IV 37、36、33和低摩擦高速氣缸II 9的氣缸桿獲得相同的推力和速度，通過沖擊墊1、111、1￥38、35、34將應力波傳遞給加載機構基板11 11。測試過程中，高精度拉壓力傳感器31對被測試件21進行拉力F進行檢測，多普勒光電位移測量儀對直線變形量h進行檢測。兩路信號通過模數轉換并進行必要的信號調理后送入計算機。在測試過程中，被測試件21在沖擊載荷作用下的材料變形損傷情況可由高速電子顯微成像系統進行動態監測。最終，結合軟件獲取在高速拉伸試驗下材料的動態應力-應變響應數據，反映材料在沖擊載荷作用下的能量吸收特性，為汽車設計、制造、質量控制、維修等各階段提供有力支持。
[0041]以上所述僅為本實用新型的優選實例而已，并不用于限制本實用新型，對于本領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡對本實用新型所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種超高應變速率精密拉伸原位測試平臺，其特征在于:包括高速加載單元、信號檢測及控制單元、連接夾持單元，所述高速加載單元包括低摩擦高速氣缸I~IV(8、9、23、26)、加載機構基板1、II (5、11)、導向光杠1、II (3、29)、高壓氣體共軌供給系統，其中高壓氣體共軌供給系統將高壓氣泵產生的高壓氣體以相同的壓力輸送低摩擦高速氣缸I~IV (8、9、23、26),使四個氣缸的輸出桿產生相同的推力,推動加載機構基板II (11)在導向光杠1、II (3,29)上做高速的運動，從而使被測試件(21)產生高應變速率； 所述信號檢測及控制單元包括高精度拉壓力傳感器(31)、多普勒光電位移測量儀、高壓氣體控制系統，可提供位移加載速率的模擬或數字量信號，作為高壓氣體控制系統控制的反饋信號，即高速加載單元可實現變加載速率的加載方式； 所述連接夾持單元包括被測試件(21)、夾具體1、11 (12、32)、氣缸調整座I~IV(7、10、24、25)、加強肋板I~IV (4、14、19、28)、以及螺釘，通過調整氣缸調整座I~IV (7、10、24,25)以補償高速氣缸桿與加載機構基板II (11)的間隙；被測試件(21)通過夾具體的上下壓板以及螺釘以壓緊方式定位夾持。
2.根據權利要求1所述的超高應變速率精密拉伸原位測試平臺，其特征在于:所述的低摩擦高速氣缸1、I1、II1、IV(8、9、23、26)分別通過氣缸調整座1、I1、II1、IV(7、10、24、25)和氣缸固定架1、I1、III(6、22、27)連接在加載機構基板I (5)和平臺基座(1)上；導向光杠1、II (3、29)平行 安裝在平臺基座(1)上，作為重要的導向元件，兩側分別通過導向光杠固定軸套1、I1、II1、IV(2、15、17、30)定位安裝；由外接高壓氣泵產生的高壓氣體，通過高壓氣體共軌供給系統后，被以相同的壓力輸送給四個相同型號的低摩擦高速氣缸1、I1、II1、IV(8、9、23、26);在相同壓力和流量的氣體作用下，四個氣缸的氣缸桿同步動作，即產生相同的推力和速度，沖擊在加載機構基板II (11)的沖擊墊，推動加載機構基板II (11)在導向光杠1、II (3、29)上做高速的運動；安裝在加載機構基板II (11)上的導向光杠滑動軸套1、11(13,20)保證了加載機構基板II (11)的快速運動，使被測試件(21)在基板的相對高速運動下產生高應變速率。
3.根據權利要求1所述的超高應變速率精密拉伸原位測試平臺，其特征在于:所述的高精度拉壓力傳感器(31)安裝在加載機構基板I (5)和夾具體II (32)之間，高精度拉壓力傳感器(31)和多普勒光電位移測量儀可提供位移加載速率的模擬或數字量信號，作為高壓氣體控制系統控制的反饋信號，通過控制氣體的壓力和流量調節氣缸的推力和速度，可實現對被測試件加載不同加載速率。
4.根據權利要求1所述的超高應變速率精密拉伸原位測試平臺，其特征在于:所述的被測試件(21)的兩端通過夾具體1、11(12、32)夾持，并由夾具體的上下壓板以及螺釘以壓緊方式定位夾緊；夾具體1、II (12、32)分別通過螺釘連接在加載機構基板1、II (5,11)上，將氣缸的高速運動傳遞給被測試件(21)。
5.根據權利要求1至4任意項所述的超高應變速率精密拉伸原位測試平臺，其特征在于:所述的超高應變速率精密拉伸原位測試平臺的主體尺寸為336_X 196_X 196_。
6.根據權利要求1至4任意項所述的超高應變速率精密拉伸原位測試平臺，其特征在于:所述的超高應變速率精密拉伸原位測試平臺外部設置保護罩(39)，滑動導軌1、II(16、18)平行安裝在平臺基板(I)下方，并同時安裝在保護罩(39)上，使測試裝置可以方便的抽出以進行試件裝夾和維護。
7.根據權利要求1至4任意項所述的超高應變速率精密拉伸原位測試平臺，其特征在于:所述的超高應變速率精密拉伸 原位測試平臺采用空氣作為能量傳遞介質。
【文檔編號】G01N3/307GK203551409SQ201320665086
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年10月28日 優先權日:2013年10月28日
【發明者】趙宏偉, 劉宏達, 張霖, 楊倚寒, 邵明坤, 高景, 時月, 魯帥, 佟達 申請人:吉林大學
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
