一種超彈性材料高速拉伸試驗裝置及實驗方法
2023-05-21 12:13:51
專利名稱：一種超彈性材料高速拉伸試驗裝置及實驗方法
技術領域：
本發明屬於材料的動態性能測試技術領域，具體是一種超彈性材料高速拉伸試驗 裝置及實驗方法。
二背景技術：
彈性橡膠在短距攔截過程中起到吸收能量的作用，但由於整個攔截過程作用時間 較短，屬於瞬態過程，彈性攔阻索在攔阻過程中受到的是動態載荷，因此其在動態載 荷下的拉伸力學性能是攔阻機構設計的關鍵。常規的實驗方法只能獲得其在靜態載荷 下的力學性能，測量材料動態拉伸力學性能的Hopkinson拉杆實驗裝置只能對試樣施 加較小伸長量。由於彈性索類超彈性材料的極限伸長很大，傳統的加載方法很難保證 在恆拉伸速率下對該類材料施加很大的拉伸位移，也無法獲得類似於彈性索這樣的超 彈性材料在動態載荷下完整的力學特性。
三、 發明的內容
為克服現有技術中存在的不能獲得彈性索類超彈性材料在動態載荷下完整的力學 特性的不足，本發明提出了一種超彈性材料高速拉伸試驗裝置及實驗方法。
為實現上述目的，本發明採用大功率高速電機，包括調速電機、聯軸器、質量盤、 離合器、轉盤、牽引鋼絲繩、前拉伸夾具、後拉伸夾具、支架和載荷傳感器，其中， 載荷傳感器的一端固定在支架上，另一端與後拉伸夾具固連。在支架的水平平板上， 固定安裝有一剖面為"凹"形的導向槽，前拉伸夾具安裝在該導向槽內，並能夠沿導 向槽運動；導向槽兩側有連續位移測量系統，以測量拉伸變形。調速電機通過聯軸器 與質量盤的軸一端相連，質量盤軸的另一端通過離合器與周向具有凹槽的轉盤相連； 牽引鋼絲繩的一端固連在轉盤的凹槽底部，另一端固定在前拉伸夾具的前端。試樣安 裝在前拉伸夾具和後拉伸夾具之間。當牽引鋼絲繩拉緊時，試驗系統的牽引鋼絲繩、 前拉伸夾具、試樣、後拉伸夾具和載荷傳感器的中心線應處在同一水平線上。載荷傳 感器和雷射連續位移測量系統的輸出信號接入數據採集系統。
實驗時，其具體步驟如下
a.安裝試樣將試樣的兩端分別與前拉伸夾具後端和後拉伸夾具前端固連；
4b.將後拉伸夾具後端與載荷傳感器固連，將前拉伸夾具前端與牽引鋼絲繩固連； C.啟動調速電機，並將轉速調至實驗需要的轉速；
d. 向離合器發出閉合的指令，使質量盤和轉盤聯動；
e. 調速電機將帶動轉盤開始高速轉動，使牽引鋼絲繩纏繞在轉盤的凹槽中；
f. 前拉伸夾具在牽引鋼絲繩的帶動下沿導向凹槽運動，同時拉動拉伸試樣，使其 產生高速變形；
g. 與數據採集系統相連的載荷傳感器將實時記錄試樣所受的動態拉伸載荷，雷射 連續位移測量系統將同步地記錄試樣的伸長量，即試樣與前拉伸夾具連接端沿導向槽 方向的位移；
h. 對採集到的載荷、位移數據進行處理，即可得到被拉伸試樣在高速拉伸下的載 荷-位移曲線。
當電機以較高轉速轉動時，與電機同軸連接的轉盤的外沿將具有較高的線速度， 與轉盤固連的牽引鋼絲繩將高速纏繞在轉盤上，同時帶動試樣沿牽引鋼絲繩鋼絲方向 運動，使試樣發生變形。由於電機能夠長時間加載，解決了採用Hopkinson拉杆等加 載裝置時無法對試樣施加大的拉伸量的問題。試樣所承受的拉伸載荷用載荷傳感器測 量，由於試樣的伸長與前拉伸夾具沿導向槽移動的距離相同，因此用連續位移測量系 統測量前拉伸夾具沿導向槽移動的距離來間接獲得試樣的伸長量，這樣可以得到超彈 性材料在高速拉伸時的力學性能。此外，根據不同的拉伸速率要求，調整電機的轉速 就可以對試樣施加不同拉伸速率。本發明所提出的超彈性材料高速拉伸試驗方法原理 簡單、容易實現、操作簡便，試驗數據可靠，能夠解決採用Hopkimon拉杆等加載裝 置時無法對試樣施加大的伸長量的問題，獲得類似橡膠這樣的超彈性材料完整的高速 拉伸性能。
四
圖1為本發明的超彈性材料高速拉伸試驗方法實驗裝置的結構示意圖
圖2為本發明中前拉伸夾具、導向槽和連續位移測量系統的相對安裝高度示意圖
其中
1.支架 2.載荷傳感器 3.後拉伸夾具 4.試樣 5.前拉伸夾具
6.導向槽 7.牽引鋼絲繩 8.轉盤 9.離合器 10.質量盤11.聯軸器 12.調速電機 13.連續位移測量系統 14.數據採集系統
五具體實施例方式
本實施例採用大功率高速電機作為加載裝置的彈性索高速拉伸裝置，包括調速電 機12、聯軸器ll、質量盤10、離合器9、轉盤8、牽引鋼絲繩7、導向凹槽6、前拉 伸夾具5、試樣4、後拉伸夾具3、載荷傳感器2、支架l、連續位移測量系統13和數 據採集系統14。本實施例中採用雷射連續位移測量系統作為連續位移測量系統13。
在具體實施中，將載荷傳感器2的一端固定在支架1上，另一端與後拉伸夾具3 固連。在支架1的水平平板上，固定安裝有一縱向剖面為"凹"形的導向槽6，前拉 伸夾具5安裝在導向槽6內，並能夠沿該導向槽運動，且其上表面露出導向槽的頂部； 連續位移測量系統13安裝在導向槽6的兩側，發出的水平線光源的高度略高於導向槽 6的頂部，但低於前拉伸夾具5上表面的高度，這樣可通過測量前拉伸夾具5沿導向 槽6移動的距離來獲得試樣4的拉伸變形。調速電機12通過聯軸器11與質量盤10 的軸一端相連，該質量盤軸的另一端通過離合器9與周向具有凹槽的轉盤8相連；牽 引鋼絲繩7的一端固連在轉盤8圓周上的凹槽底部，另一端固定在前拉伸夾具5的前 端。試樣安裝在前拉伸夾具5和後拉伸夾具3之間。當牽引鋼絲繩7拉緊時，試驗系 統的牽引鋼絲繩7、前拉伸夾具5、試樣4、後拉伸夾具3和載荷傳感器2的中心線應 處在同一水平線上。載荷傳感器2和連續位移測量系統13的輸出信號接入數據採集系 統14。
如圖2，在本實施例中，由於連續位移測量系統13是通過測量其發出的線光源被 遮擋的長度來獲得前拉伸夾具5的位移，因此安裝時應保證連續位移測量系統13發出 的水平線光源的高度略高於導向槽6的頂部，但同時低於前拉伸夾具5上表面的高度， 而前拉伸夾具5上表面露出導向槽6以保證其移動時能夠遮擋雷射。
實驗時，具體步驟是
a. 安裝試樣將試樣4的兩端分別與前拉伸夾具5後端和後拉伸夾具3前端固連;
b. 將後拉伸夾具3後端與載荷傳感器2固連，將前拉伸夾具5前端與牽引鋼絲繩 7固連；
C.啟動調速電機12，並將轉速調至實驗需要的轉速；
d.向離合器9發出閉合的指令，使質量盤10和轉盤8聯動；e. 調速電機12將帶動轉盤8開始高速轉動，使牽引鋼絲繩7纏繞在轉盤8的凹 槽中；
f. 前拉伸夾具5在牽引鋼絲繩7的帶動下沿導向凹槽6運動，同時拉動拉伸試樣 4，使其產生高速變形；
g. 與數據採集系統14相連的載荷傳感器2將實時記錄試樣4所受的動態拉伸載 荷，雷射連續位移測量系統13將同步地記錄試樣4的伸長量，即試樣4與前拉伸夾具 5連接端沿導向凹槽6方向的位移；
h. 對採集到的載荷、位移數據進行處理，即可得到被拉伸試樣4在高速拉伸下的 載荷-位移曲線。
權利要求
1. 一種超彈性材料高速拉伸試驗裝置，其特徵在於，該裝置包括調速電機(12)、聯軸器(11)、質量盤(10)、離合器(9)、轉盤(8)、牽引鋼絲繩(7)、導向槽(6)、前拉伸夾具(5)、試樣(4)、後拉伸夾具(3)、載荷傳感器(2)、支架(1)、連續位移測量系統(13)和數據採集系統(14)，將載荷傳感器(2)的一端固定在支架(1)上，另一端與後拉伸夾具(3)固連；前拉伸夾具(5)安裝在導向槽(6)內，並能夠沿該導向槽運動；導向槽(6)的兩側有連續位移測量系統(13)；調速電機(12)通過聯軸器(11)與質量盤(10)的軸一端相連；質量盤(10)軸的另一端通過離合器(9)與轉盤(8)相連；牽引鋼絲繩(7)的一端與轉盤(8)固連，另一端與前拉伸夾具(5)固連；試樣安裝在前拉伸夾具(5)和後拉伸夾具(3)之間；牽引鋼絲繩(7)、前拉伸夾具(5)、試樣(4)、後拉伸夾具(3)和載荷傳感器(2)的中心線應處在同一水平線上。
2. 如權利要求1所述超彈性材料高速拉伸試驗裝置，其特徵在於轉盤(8)的圓周表面有凹槽。
3. 如權利要求1所述超彈性材料高速拉伸試驗裝置，其特徵在於導向槽(6)被安裝在支架(1)的水平板上。
4. 一種用於權利要求1所述超彈性材料高速拉伸試驗裝置的實驗方法，其特徵在於實驗的具體步驟是a. 安裝試樣將試樣(4)的兩端分別與前拉伸夾具(5)後端和後拉伸夾具(3)前端固連；b. 將後拉伸夾具(3)後端與載荷傳感器(2)固連，將前拉伸夾具(5)前端與牽引鋼絲繩(7)固連；c. 啟動調速電機(12)，並將轉速調至實驗需要的轉速；d. 向離合器(9)發出閉合的指令，使質量盤(10)和轉盤(8)聯動；e. 調速電機(12)將帶動轉盤(8)開始高速轉動，使牽引鋼絲繩(7)纏繞在轉盤(8)圓周上的凹槽中；f. 前拉伸夾具(5)在牽引鋼絲繩(7)的帶動下沿導向槽(6)運動，同時拉動拉伸試樣(4)，使其產生高速變形；g. 與數據採集系統(14)相連的載荷傳感器(2)將實時記錄試樣(4)所受的動態拉伸載荷，雷射連續位移測試系統13將同步地記錄試樣(4)的伸長量，即試樣(4)與前拉伸夾具(5)連接端沿導向槽(6)方向的位移；h.對採集到的載荷、位移數據進行處理，即可得到被拉伸試樣(4)在高速拉伸下的載荷-位移曲線。
全文摘要
本發明是一種超彈性材料高速拉伸試驗裝置及實驗方法，將調速電機(12)通過聯軸器(11)與質量盤(10)相連，質量盤通過離合器(9)與轉盤(8)相連；牽引鋼絲繩(7)兩端分別與轉盤(8)和前拉伸夾具(5)固連。試樣(4)安裝在前拉伸夾具(5)和後拉伸夾具(3)之間。牽引鋼絲繩(7)、前拉伸夾具(5)、試樣(4)、後拉伸夾具(3)和載荷傳感器(2)的中心線處於同一平面。當調速電機(12)以較高轉速轉動時，與調速電機(12)同軸連接的轉盤(8)的外沿將具有較高的線速度，將帶動牽引鋼絲繩(7)高速纏繞在轉盤(8)上，同時帶動試樣(4)沿牽引鋼絲(7)繩(7)鋼絲方向運動，使試樣(4)發生變形，解決了採用Hopkinson拉杆等加載裝置時無法對試樣施加大的伸長量的問題，具有操作簡便，試驗數據可靠的特點。
文檔編號G01N3/30GK101504348SQ20081001750
公開日2009年8月12日 申請日期2008年2月4日 優先權日2008年2月4日
發明者李玉龍, 濤 索, 峰 趙, 郭偉國, 陳春林 申請人:西北工業大學