拉伸疲劳-四点弯曲疲劳原位力学测试装置及其测试方法

专利主权项内容

1.一种拉伸疲劳-四点弯曲疲劳原位力学测试装置进行拉伸疲劳-四点弯曲疲劳原位力学测试的方法，其特征在于，装置包括：四点弯曲预载荷加载单元、四点弯曲疲劳加载单元、拉伸预载荷加载单元、拉伸疲劳加载单元以及上位机；所述的四点弯曲预载荷加载单元包括：直流伺服电机Ⅰ(1)、电机法兰盘Ⅰ(2)、单向滚珠丝杠Ⅱ(36)以及位移传感器Ⅱ(19)，其中，直流伺服电机Ⅰ(1)通过电机法兰盘Ⅰ(2)与测试平台基座(33)相连，直流伺服电机Ⅰ(1)的输出轴依次经由第一减速增扭单元实现减速、增扭后与单向滚珠丝杠Ⅱ(36)的丝杠转动副连接，单向滚珠丝杠Ⅱ(36)上的螺母移动副上固定连接弯曲模块支撑座(34)， 测试平台基座(33)上设有用于测量弯曲模块支撑座(34)位移量的位移传感器Ⅱ(19)，弯曲模块支撑座(34)上刚性固定所述四点弯曲疲劳加载单元；所述四点弯曲疲劳加载单元包括：压电叠堆I(25)、柔性铰链Ⅰ(24)、力传感器Ⅰ(26)和四点弯曲压头(28)；其中，压电叠堆I (25)安装于柔性铰链Ⅰ(24)的凹槽内，通过预紧螺钉进行预紧，四点弯曲压头(28)经由力传感器Ⅰ(26)安装于柔性铰链Ⅰ(24)的输出端处，柔性铰链Ⅰ(24)刚性固定在弯曲模块支撑座(34)上；所述拉伸预载荷加载单元包括：直流伺服电机Ⅱ(12)、电机法兰盘Ⅱ(13)、精密双向滚珠丝杠、拉伸夹持台I(21)、拉伸夹持台II (32)、夹具Ⅰ(30)以及力传感器Ⅱ(31)，其中，直流伺服电机Ⅱ(12)通过电机法兰盘Ⅱ(13)安装在测试平台基座(33)上，通过第二减速增扭单元实现减速、增扭后与精密双向滚珠丝杠的丝杠转动副连接，精密双向滚珠丝杠上两个螺母移动副中的一个连接拉伸夹持台I(21)，另一个连接拉伸夹持台II (32)，夹具Ⅰ(30)通过拉伸夹持台Ⅰ(21)和拉伸夹持台Ⅱ(32)安装在与测试平台基座(33)固连的直线导轨滑块Ⅱ(20)上；在夹具Ⅰ(30)的端部安装有用于检测测试试件所受拉力的力传感器Ⅱ(31)，夹具Ⅰ(30)下方设置有随时监测拉伸量的位移传感器Ⅱ(19)；所述拉伸疲劳加载单元包括：柔性铰链Ⅱ(10)、压电叠堆Ⅱ(11)、夹具Ⅱ(35)以及位移传感器Ⅱ(19)，所述压电叠堆Ⅱ(11)安装在柔性铰链Ⅱ(10)内，柔性铰链Ⅱ(10)固定端通过螺钉固定在拉伸夹持台Ⅰ(21)上，柔性铰链Ⅱ(10)的活动端与夹具Ⅱ(35)相连，夹具Ⅱ(35)通过拉伸夹持台Ⅰ(21)、拉伸夹持台Ⅱ(32)安装在与测试平台基座(33)固连的直线导轨滑块Ⅱ(20)上；所述上位机分别与直流伺服电机Ⅰ(1)、位移传感器Ⅱ(19)、压电叠堆I(25)、力传感器Ⅰ(26)、直流伺服电机Ⅱ(12)、力传感器Ⅱ(31)、接触式位移传感器Ⅱ(19)、以及压电叠堆Ⅱ(11)控制连接；包括以下几个步骤：a.进行力学测试前，首先通过直流伺服电机Ⅰ(1)和直流伺服电机Ⅱ(12)调整试件夹具及四点弯曲压头(28)的位置，以便试件(29)的安装；b.将试件(29)安装、夹紧后，将各个力传感器和位移传感器的示数清零；c.对测试过程进行动态监测之前，调整光学显微镜镜头与试件(29)的相对位置，直至试件(29)的中心处在光学显微镜镜头视场的中心位置；d.通过直流伺服电机Ⅰ(1)和直流伺服电机Ⅱ(12)对试件(29)施加拉伸载荷或弯曲载荷， 在实现拉伸疲劳的过程中，通过压电叠堆Ⅱ(11)驱使柔性铰链Ⅱ(10)实现试件(29)拉伸方向中低频往复运动，实现疲劳加载；在实现弯曲疲劳的过程中， 通过压电叠堆I (25)驱动柔性铰链Ⅰ(24)带动力传感器Ⅰ(26)和四点弯曲压头(28)输出微小交变位移，完成弯曲载荷下的低频疲劳加载；e.通过光学系统、CCD图像传感器采集图像信息， 对材料的微观组织变形、损伤与断裂等过程进行在线观测，并通过相应的接口电路，将图像信息传入计算机；f.通过计算机中的Labview人机交互界面对实验加载条件进行设定，所述条件包括疲劳应变幅值、频率、载荷或位移加载参数；g.通过计算机将设定好的参数下发到各自的控制器中，由控制器将输出信号转换成电信号，经控制器分别实现驱动丝杠螺母单元移动、疲劳单元加载；f.测试结束后，通过所得应力应变数据以及图像信息对材料在拉伸疲劳-四点弯曲疲劳复合载荷作用下的微观力学性能进行分析；步骤d具体包括以下试验方法，使用所述拉伸疲劳-四点弯曲疲劳原位力学测试装置进行拉伸和拉压疲劳耦合加载方法，在拉伸载荷加载基础上，通过压电叠堆Ⅱ 通入持续的交变电压，驱使柔性铰链Ⅱ实现试件拉伸方向中低频往复运动，实现拉伸和拉压疲劳加载；使用所述拉伸疲劳-四点弯曲疲劳原位力学测试装置进行拉伸-拉压疲劳-四点弯曲耦合加载方法，通过上位机控制软件驱动直流伺服电机Ⅱ和直流伺服电机Ⅰ，带动拉伸夹具Ⅰ、Ⅱ和四点弯曲压头，同时压电叠堆Ⅱ在信号驱动电压的驱动下输出微小交变位移，带动夹具Ⅱ做微小位移，实现拉伸疲劳-四点弯曲加载；使用所述拉伸疲劳-四点弯曲疲劳原位力学测试装置进行拉伸-拉压疲劳-四点弯曲-弯曲疲劳耦合加载方法，通过上位机控制软件驱动直流伺服电机Ⅱ和直流伺服电机Ⅰ，带动拉伸夹具Ⅰ、Ⅱ和四点弯曲压头，同时压电叠堆Ⅱ和压电叠堆I 在信号驱动电压的驱动下输出微小交变位移，带动夹具Ⅱ 和四点弯曲压头做微小位移，实现拉伸疲劳-四点弯曲疲劳加载；所述测试平台基座(33)上设有位移传感器支座Ⅰ(8)，弯曲模块支撑座(34)的侧部固定连接有L形挡板(37)；所述位移传感器Ⅱ(19)安装在位移传感器支座Ⅰ(8)上，用来测量L形挡板(37)的位移量，进而得出四点弯曲压头(28)的位移量。