一种长期弯曲蠕变试验装置及方法

1.本发明属于材料力学性能测试技术领域，具体涉及长期弯曲蠕变试验装置及方法。


背景技术：

2.在各种领域的应用中，零件与结构往往会承受长期弯曲载荷，在长期弯曲载荷的作用下，以塑料、复合材料、岩石以及部分金属为代表的多种材料都会出现变形不断增大的现象，即材料的蠕变行为。过大的蠕变变形会导致结构的破坏与失效从而引起损失和危险，因此，材料的弯曲蠕变试验是至关重要的，通过弯曲蠕变试验可以获得材料的蠕变性能及规律，从而避免材料在使用过程中因蠕变所引发的破坏或失效。为了准确获得材料的长期弯曲蠕变性能，弯曲蠕变试验往往需要持续几个月甚至几年的时间，同时还需要对多组试样进行不同条件下的测试。
3.目前，国内外长期弯曲蠕变试验大多使用蠕变试验机进行，单台试验机只能进行单个试样的试验，蠕变试验机设备庞大且制造成本高，若要进行多组蠕变测试，所需蠕变试验机的数量以及试验设备占用的时间成本均极大，在长时间的试验过程中也较难保证稳定的电力供应，以上问题严重阻碍了材料的长期弯曲蠕变试验开展。
4.近年来，采用结构简单的长期弯曲蠕变试验装置进行长期弯曲蠕变试验的方法表现出巨大的潜力。然而目前的长期弯曲蠕变试验装置仍存在种种不足，千斤顶长期加载会出现卸力现象，伺服加载装置结构复杂成本较高，使用过程需要持续电力供应。此外现有长期弯曲蠕变试验装置还普遍存在加载稳定性差、适用载荷范围小、适用试样形状尺寸范围小、无法同时适用于三点弯曲和四点弯曲试验、测试精度低以及难以同时进行大批量试验等问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种长期弯曲蠕变试验装置及方法，装置采用砝码重力进行加载，基于杠杆原理通过横梁实现载荷放大，结构简单操作简便，占用空间小，成本低，可进行大批量测试，能够适应平板、圆棒、三明治结构、横梁等多种形状和尺寸的试样，通过调整夹头可实现三点弯曲和四点弯曲两种不同加载方式的切换，施加砝码载荷外力稳定，可通过调整力臂以及砝码质量实现材料所施加的不同载荷，可以满足不同类型材料在不同应力水平下进行长期的弯曲蠕变性能测试。
6.本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
7.一种长期弯曲蠕变试验装置，其特征在于：包括横梁及底座，所述横梁的一端安装有活动挂钩，所述活动挂钩上挂装砝码挂台，所述砝码挂台上放置砝码载荷；所述横梁的另一端通过活动铰链与支柱连接，所述横梁绕所述支柱转动形成杠杆，所述支柱下端与所述底座固定连接，所述底座固定安装有千分表支座，所述千分表支座上固定安装数显千分表，所述数显千分表上安装千分表顶针，所述底座两侧对称固定安装下压头滑轨支撑梁，所述
下压头滑轨支撑梁之间固定安装下压头滑轨，所述下压头滑轨上通过滑块螺母滑动安装两个下压头，所述下压头上固定安装有试样固定器，所述试样固定器之间放置试样，所述横梁上对应所述试样固定安装上压头滑轨，所述上压头滑轨上通过滑块螺母滑动安装上压头，所述上压头与下压头均与试样接触，所述千分表顶针的顶端所述试样的底面接触。
8.而且，所述砝码挂台上放置砝码或起到与砝码同等效果的重物以实现重力加载。
9.而且，所述上压头的个数为1个或2个，所述下压头的个数为2个。
10.而且，所述上压头与下压头相互平行。
11.而且，所述上压头与下压头可以分别在上压头滑轨及下压头滑轨上滑动以改变间距。
12.而且，所述横梁上安装的活动挂钩、活动铰链、上压头滑轨三者的相对位置为上压头滑轨位于活动挂钩与活动铰链之间且靠近活动铰链。
13.而且，所述活动挂钩通过滑块螺母滑动安装于所述横梁上。
14.而且，所述支柱与底座之间、所述底座与下压头滑轨支撑梁之间、所述下压头滑轨支撑梁与下压头滑轨之间、所述上压头滑轨与横梁之间均通过角码固定连接。
15.而且，所述底座对应所述砝码载荷下方固定安装有加强梁。
16.一种长期弯曲蠕变试验装置的试验方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
17.1)试验前准备：滑动上压头及下压头调整压头至试样所需的跨距，将试样放置在下压头上，调整试样固定器将试样固定，用拉力器将安装有砝码挂台及砝码载荷的横梁以活动铰链为轴心向上旋转提起使其悬空，调整砝码载荷的数量使其达到所需重量；
18.2)加载试验：将数显千分表置零并开始数据采集，撤去拉力计，缓慢下放横梁使上压头与试样上表面接触，当上压头完全压在试样上表面后，试样被施加至所需的恒定载荷，此时数显千分表所记录的变形为材料的弹性变形a；在此恒定载荷的作用下，试样随时间的延长发生蠕变，表现为变形逐渐增大，从数显千分表所记录的实时数据b(t)，可计算出试验中试样的蠕变变形，即b(t)-a；长期蠕变试验结束后，将砝码挂台向上抬起，取出试样并取下砝码载荷，完成试验。
19.本发明的优点和有益效果为：
20.1、本发明采用砝码重力加载，长期加载稳定可靠，无需额外载荷动力，采用杠杆原理对载荷进行放大，适用的载荷范围广泛。
21.2、本发明可通过调整力臂以及砝码重量的方法对样品施加不同大小的载荷，可实现不同应力水平下的长期弯曲蠕变性能测试。
22.3、本发明可以多装置联用同时进行多个不同条件下的测试，实现大批量试验同步进行，大大节约了试验的时间成本。
23.4、本发明可以对各种尺寸的平板、圆棒、三明治结构、横梁等材料试样进行长期弯曲蠕变测试，且跨距可以任意调整，适用范围广泛。
24.5、本发明可以实现三点弯曲和四点弯曲两种加载方式，上压头为单个时可以实现三点弯曲的加载形式，上压头为两个时可实现四点弯曲的加载形式。
25.6、本发明采用数显千分表进行测试，数显千分表读数稳定，且可将数据自动导出避免人为读数的误差因素，确保蠕变实验数据的精度，同时数显千分表可以多个装置同时运行在线采集数据，并进行数据输出，方便后续的试验数据处理；
26.7、本发明结构简单，操作简便，占用空间小，受力稳定性好，测量变形精度高，可大批量试验同步进行，成本低，适用范围广泛，能够实现材料长期弯曲蠕变的系统性测试。
附图说明
27.图1为本发明三点弯曲模式的结构示意图；
28.图2为本发明四点弯曲模式的结构示意图；
29.图3为本发明的主视图；
30.图4为图3的a-a向剖视图；
31.图5为图4的b处局部放大图；
32.图6为图5的c-c向剖视图；
33.图7为图3的d-d向剖视图。
34.附图标记说明
35.1-横梁；2-活动铰链；3-活动挂钩；4-砝码挂台；5-砝码载荷；6-数显千分表；7-下压头滑轨支撑梁；8-千分表支座；9-底座；10-下压头滑轨；11-上压头滑轨；12-下压头；13-试样；14-上压头；15-试样固定器；16-千分表顶针；17-支柱；18-角码；19-加强梁。
具体实施方式
36.下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
37.一种长期弯曲蠕变试验装置，其创新之处在于：包括横梁1、活动铰链2、活动挂钩3、砝码挂台4、砝码载荷5、数显千分表6、下压头滑轨支撑梁7、千分表支座8、底座9、下压头滑轨10、上压头滑轨11、下压头12、试样13、上压头14、试样固定器15、千分表顶针16、支柱17、角码18及加强梁19。
38.横梁1的一端安装有活动挂钩3，所述活动挂钩3上挂装砝码挂台4，所述砝码挂台5上放置砝码载荷6；所述横梁1的另一端通过活动铰链2与支柱17连接，所述横梁1绕所述支柱17转动，所述支柱17下端与所述底座9固定连接，所述底座9中心处固定安装千分表支座8，所述千分表支座8上固定安装数显千分表6，所述数显千分表6上安装千分表顶针16，所述底座9两侧对称固定安装下压头滑轨支撑梁7，所述下压头滑轨支撑梁7之间固定安装下压头滑轨10，所述下压头滑轨10上通过滑块螺母滑动安装两个下压头12，所述下压头12上固定安装有试样固定器15，所述试样固定器15之间放置试样13，所述横梁1上对应所述试样13固定安装上压头滑轨11，所述上压头滑轨11上通过滑块螺母滑动安装上压头14，所述上压头14与下压头12分别与试样13的上下表面接触，所述千分表顶针16的顶端所述试样13的下表面接触，数显千分表6可外接数据线，可实现多个装置同时运行在线采集数据，并进行数据输出。
39.砝码挂台上放置砝码或起到与砝码同等效果的重物以实现重力加载。
40.上压头14的个数为1个或2个，能够实现三点弯曲和四点弯曲两种加载方式，上压头为单个时可以实现三点弯曲的加载形式，上压头为两个时可实现四点弯曲的加载形式。
41.上压头与下压头相互平行，保证正常的弯曲加载，提高试验精度。
42.上压头与下压头可以分别在上压头滑轨及下压头滑轨上滑动以改变间距。
43.横梁上安装的活动挂钩、活动铰链、上压头滑轨三者的相对位置为上压头滑轨位于活动挂钩与活动铰链之间且靠近活动铰链，形成杠杆以放大砝码载荷。
44.活动挂钩通过滑块螺母滑动安装于所述横梁上，可根据所需的载荷调整到不同位置与所述的横梁连接，提高适用范围。
45.支柱与底座之间、所述底座与下压头滑轨支撑梁之间、所述下压头滑轨支撑梁与下压头滑轨之间、所述上压头滑轨与横梁之间均通过角码固定连接，提高连接牢固性，保证连接强度，确保蠕变试验的加载稳定性。
46.底座对应所述砝码载荷下方固定安装有加强梁，保证试验装置的平衡及稳定性。
47.一种长期弯曲蠕变试验方法，其创新之处在于：所述方法的步骤为：
48.1)试验前准备：滑动上压头及下压头调整压头至试样所需的跨距，将试样放置在下压头上，调整试样固定器将试样固定，用拉力器将安装有砝码挂台及砝码载荷的横梁以活动铰链为轴心向上旋转提起使得悬空，调整砝码载荷的数量使得达到所需重量；
49.2)加载试验：将数显千分表置零并开始数据采集，撤去拉力计，缓慢下放横梁使上压头与试样上表面接触，当上压头完全压在试样上表面后，试样被施加至所需的恒定载荷，此时数显千分表所记录的变形为材料的弹性变形a；在此恒定载荷的作用下，试样随时间的延长发生蠕变，表现为变形逐渐增大，从数显千分表所记录的实时数据b(t)，可计算出试验中试样的蠕变变形，即b(t)-a；长期蠕变试验结束后，将砝码挂台向上抬起，取出试样并取下砝码载荷，完成试验。
50.尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

技术特征：
1.一种长期弯曲蠕变试验装置，其特征在于：包括横梁及底座，所述横梁的一端安装有活动挂钩，所述活动挂钩上挂装砝码挂台，所述砝码挂台上放置砝码载荷，所述横梁的另一端通过活动铰链与支柱连接，所述横梁绕所述支柱转动形成杠杆，所述支柱下端与所述底座固定连接，所述底座固定安装有千分表支座，所述千分表支座上固定安装数显千分表，所述数显千分表上安装千分表顶针，所述底座两侧对称固定安装下压头滑轨支撑梁，所述下压头滑轨支撑梁之间固定安装下压头滑轨，所述下压头滑轨上通过滑块螺母滑动安装两个下压头，所述下压头上固定安装有试样固定器，所述试样固定器之间放置试样，所述横梁上对应所述试样固定安装上压头滑轨，所述上压头滑轨上通过滑块螺母滑动安装上压头，所述上压头与下压头均与试样接触，所述千分表顶针的顶端所述试样的底面接触。2.根据权利要求1所述的长期弯曲蠕变试验装置，其特征在于：所述砝码挂台上放置砝码或起到与砝码同等效果的重物以实现重力加载。3.根据权利要求1所述的长期弯曲蠕变试验装置，其特征在于：所述上压头的个数为1个或2个，所述下压头的个数为2个。4.根据权利要求1所述的长期弯曲蠕变试验装置，其特征在于：所述上压头与下压头相互平行。5.根据权利要求1所述的长期弯曲蠕变试验装置，其特征在于：所述上压头与下压头可以分别在上压头滑轨及下压头滑轨上滑动以改变间距。6.根据权利要求1所述的长期弯曲蠕变试验装置，其特征在于：所述横梁上安装的活动挂钩、活动铰链、上压头滑轨三者的相对位置为上压头滑轨位于活动挂钩与活动铰链之间且靠近活动铰链。7.根据权利要求1所述的长期弯曲蠕变试验装置，其特征在于：所述活动挂钩通过滑块螺母滑动安装于所述横梁上。8.根据权利要求1所述的长期弯曲蠕变试验装置，其特征在于：所述支柱与底座之间、所述底座与下压头滑轨支撑梁之间、所述下压头滑轨支撑梁与下压头滑轨之间、所述上压头滑轨与横梁之间均通过角码固定连接。9.根据权利要求1所述的长期弯曲蠕变试验装置，其特征在于：所述底座对应所述砝码载荷下方固定安装有加强梁。10.根据权利要求1～9任意一项所述长期弯曲蠕变试验装置的试验方法，其特征在于：所述方法的步骤为：1)试验前准备：滑动上压头及下压头调整压头至试样所需的跨距，将试样放置在下压头上，调整试样固定器将试样固定，用拉力器将安装有砝码挂台及砝码载荷的横梁以活动铰链为轴心向上旋转提起使得悬空，调整砝码载荷的数量使得达到所需重量；2)加载试验：将数显千分表置零并开始数据采集，撤去拉力计，缓慢下放横梁使上压头与试样上表面接触，当上压头完全压在试样上表面后，试样被施加至所需的恒定载荷，此时数显千分表所记录的变形为材料的弹性变形a；在此恒定载荷的作用下，试样随时间的延长发生蠕变，表现为变形逐渐增大，从数显千分表所记录的实时数据b(t)，可计算出试验中试样的蠕变变形，即b(t)-a；长期蠕变试验结束后，将砝码挂台向上抬起，取出试样并取下砝码载荷，完成试验。

技术总结
本发明涉及一种长期弯曲蠕变试验装置及方法，横梁的一端通过活动挂钩挂装砝码挂台，横梁的另一端通过活动铰链与支柱连接，底座上固定安装数显千分表，底座两侧对称固定安装下压头滑轨，下压头滑轨上滑动安装下压头，下压头上固定安装有试样固定器，横梁上固定安装上压头滑轨，上压头滑轨上滑动安装上压头。本发明通过杠杆原理实现载荷的放大，占用空间小，受力稳定性好，成本低，操作方便，可调整压头使其能够适应平板、圆棒、三明治结构、横梁等多种形状和尺寸的试样，能够实现三点弯曲和四点弯曲两种加载方式，适用范围广泛，测量变形精度高，并且可以大批量试验同步进行，从而实现不同条件下材料长期弯曲蠕变的系统性测试。同条件下材料长期弯曲蠕变的系统性测试。同条件下材料长期弯曲蠕变的系统性测试。


技术研发人员：陈旭 李吉康 刘越 王靖惠 刘争
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2023.04.03
技术公布日：2023/7/28