一种中等应变率拉伸实验装置的制作方法

1.本发明涉及材料动态力学性能测试技术领域，具体涉及一种中等应变率拉伸实验装置。


背景技术：

2.应变率是材料力学性能的一个重要参数。通常情况下，材料的应变率分布较广，这给材料应变率的研究带来了挑战。目前研究人员对材料应变率的研究中，大多集中于低应变率范围(1s-1
以下)和高应变率范围(100s-1
以上)，对中应变率(1s-1
～100s-1
)的研究相对较少。而在实际工程应用中，了解一种材料在中等应变率下的应力-应变行为是非常重要的，且大量实验表明，材料从低应变率到高应变率时，中应变率处于材料力学性能的过渡转折区，其力学性能表现的很不一样。然而，现有加载装置结构复杂、稳定性差、调节精度低、控制精度低，最主要是现有试验装置大多只适用于高、低应变率试验，对于中应变率拉伸试验的试验装置较少，鉴于此，设计一种中应变率加载装置对于科学研究和工程应用都有很大的用处。
3.专利cn112881172a公开一种中应变率加载装置，包括立式安装平台和两个对称安装于立式安装平台上的加载机构，加载机构包括安装板、音圈直线电机、连接板、转接板、力传感器、样品夹持组件和弹性组件，安装板固定于立式安装平台的后侧，音圈直线电机竖直固定于安装板前侧，音圈直线电机上设置有光栅尺，光栅尺固定于音圈直线电机底部的两个导轨中间，光栅尺与音圈直线电机的动子贴合，音圈直线电机靠近中部的一端固定有连接板，连接板上依次设置有转接板、力传感器和样品夹持组件，弹性组件的两端分别与连接板和立式安装平台连接。该装置能够进行中应变率加载条件下拉伸、压缩或疲劳加载试验，加载过程均匀，运动过程更加精确可靠。但是该加载装置结构复杂，制作成本高，并且不能对应变率进行定量分析。
4.专利cn111665153a公开了一种基于多次连续循环无间隔应力波加载的中应变率压缩实验装置及其方法，以解决现有技术存在的无法实现中应变率加载下的大应变测试的问题。该专利是在传统霍普金森杆技术上的改进，其冲击产生原理与霍普金森杆一致；该实验装置不仅结构复杂，并且冲击输出的驱动源为电驱动，实验证明，这种驱动方式很难保证应变率的稳定。专利cn112683698a公开了一种材料中等应变速率拉伸冲击试验台，该试验台能够准确测量金属及复合材料中等应变率拉伸试验的应力曲线；该试验台通过提升重锤机构的运动，使锥形冲击器向下冲击撞击框架，使试件发生中等应变率变形，从而达到试验目的；但是其冲击源和试样之间的连接件过多，冲击波经过多个连接件传递后，应变率很难精准分析。
5.综上所述，现有技术中主要存在的问题为：
6.(1)冲击输出的驱动源大多为电驱动或者间接电驱动，测试原理与霍普金森杆杆一致，应变速率很难保持稳定。
7.(2)冲击源和试样之间的连接件过多，冲击波经过多个连接件后传递至试样，试样
的应变速率很难精确分析和控制。
8.(3)缺少对应变率的定量控制方法，现有技术中是否能达到稳定的应变率控制，其效果存疑。
9.因此，现有技术中，拉伸试验过程中由于冲击响应的延迟，无法保证应变速率的恒定，使得实验得到的应力应变曲线不能代表稳定应变率下的材料力学特性。
10.故亟需提供一种中等应变率拉伸实验装置，减少冲击响应的延迟效应，定量分析应变率，便于对应变率进行精确控制。


技术实现要素：

11.为了解决上述问题，本发明提供一种中等应变率拉伸实验装置。
12.为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
13.一种中等应变率拉伸实验装置，包括落锤、底座、试样夹具和试样，所述试样夹具包括上夹具和下夹具，所述上夹具固定设置，所述试样设置于所述上夹具和所述下夹具之间；所述底座与所述下夹具连接，所述底座上方设置所述落锤；所述底座上表面对应所述落锤设置缓冲垫。
14.进一步地，所述试样的应变率μ采用如下公式进行设计和控制：
[0015][0016]
其中，s为所述落锤与所述缓冲垫的有效接触面积，m1为落锤质量，e为缓冲垫的弹性模量，m2为所述底座的质量，d为缓冲垫的阻尼，d为缓冲垫的厚度，q为依据实验情况进行标定的常数。
[0017]
进一步地，所述底座沿所述下夹具环形设置，所述缓冲垫为环形垫，所述落锤为环形落锤。
[0018]
更进一步地，所述落锤的上端封闭。
[0019]
进一步地，所述底座沿所述下夹具对称设置，所述缓冲垫沿所述下夹具对称设置，所述落锤为倒“u”型结构。
[0020]
进一步地，所述试样夹具为万能钳旋转夹具、万能钳夹具、细齿夹具中的一种。
[0021]
进一步地，所述底座与所述下夹具下表面固定连接。
[0022]
进一步地，本发明适用于应变率在30s-1
～100s-1
之间的拉伸试验。
[0023]
本发明还提供一种拉伸试验机，包括上述的中等应变率拉伸实验装置。
[0024]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0025]
本发明中，试样夹具用于夹持试样，试样夹具的上夹具固定设置，下夹具连接底座，底座上表面设置缓冲垫，采用落锤自然下落冲击缓冲垫，进而对试样进行拉伸实验；本发明相对于现有技术中用于中等应变率的实验装置，结构极其简单，操作方便；缓冲垫的设置一是用于吸收冲击瞬间产生的高频震荡，应变率能够快速达到平稳；二是用于精确控制应变率，将缓冲垫的物理参数以及底座质量、落锤质量建立对应关系，通过选取适当物理参数的缓冲垫，能够精确稳定的控制应变率。
附图说明
[0026]
图1为本发明的结构示意图。
[0027]
图2为本发明的模拟实验数据图。
[0028]
附图标记说明：
[0029]
1-底座；2-落锤；3-缓冲垫；4-试样；5-上夹具；6-下夹具。
具体实施方式
[0030]
下面将结合附图说明对本发明的技术方案进行清楚的描述，显然，所描述的实施例并不是本发明的全部实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0031]
如图1所示，本发明提供一种中等应变率拉伸实验装置，包括落锤2、底座1、试样夹具和试样4，所述试样夹具包括上夹具5和下夹具6，所述上夹具5固定设置在拉伸试验机上，所述试样4设置于所述上夹具5和所述下夹具6之间；所述底座1与所述下夹具6连接，所述底座1上方设置所述落锤2；所述底座1上表面对应所述落锤2设置缓冲垫3。
[0032]
落锤2位于所述缓冲垫3竖直方向上方一定距离处，使落锤2自然下落至缓冲垫3，落锤2的势能转变为动能，落锤2冲击缓冲垫3，缓冲垫3吸收冲击瞬间的高频震荡；继而缓冲垫3将冲击传递至底座1和下夹具6，试样4被拉伸发生应变，在试样4表面粘贴应变片即可采集试样4应力应变数据。
[0033]
优选地，所述试样4的应变率μ采用如下公式进行设计和控制：
[0034][0035]
其中，s为所述落锤2与所述缓冲垫3的有效接触面积，m1为落锤2质量，e为缓冲垫3的弹性模量，m2为所述底座1的质量，d为缓冲垫3的阻尼，d为缓冲垫3的厚度，q为依据实验情况进行标定的常数。通过选择合适的缓冲垫3，即可计算出相应的应变率，便于对应变率的稳定控制。
[0036]
为了避免试样4倾斜，下夹具6对试样4的拉力需与试样4的轴线重合，因此，所述底座1沿所述下夹具6环形设置，所述缓冲垫3为环形垫，所述落锤2为环形落锤，落锤2的轴线与试样4的轴线重合。优选地，所述落锤2的上端封闭，落锤2的上端封闭是为了便于落锤2的夹持；落锤2的上端也可以为开放型，即落锤2为圆环形结构。
[0037]
所述底座1也可以沿所述下夹具6对称设置，即所述底座1在水平面上相对于下夹具6对称两侧凸出，所述缓冲垫3沿所述下夹具6对称设置，所述落锤2为倒“u”型结构，所述落锤2相对的两侧竖直部分相对于下夹具6对称设置，落锤2下落后，试样4受到的拉力与试样4的轴线重合。
[0038]
其中，所述试样夹具为万能钳旋转夹具、万能钳夹具、细齿夹具中的一种。
[0039]
优选地，所述底座1与所述下夹具6下表面固定连接，也可以采用其他形式的连接方式，比如，底座1上表面开设凹槽，下夹具6设置于凹槽内。
[0040]
本发明适用于应变率在30s-1
～100s-1
之间的拉伸试验。
[0041]
本发明还提供一种拉伸试验机，包括上述的中等应变率拉伸实验装置。
[0042]
实施例一
[0043]
所述上夹具5固定设置在拉伸试验机上，所述试样4设置于所述上夹具5和所述下夹具6之间；所述底座1与所述下夹具6连接，所述底座1上方设置所述落锤2；所述底座1上表面对应所述落锤2设置缓冲垫3；所述缓冲垫3为环形垫，所述落锤2为环形落锤，所述底座1与所述下夹具6下表面固定连接，所述缓冲垫3的物理参数经过如下公式进行设计：
[0044][0045]
其中，s为所述落锤2与所述缓冲垫3的有效接触面积，m1为落锤2质量，e为缓冲垫3的弹性模量，m2为所述底座1的质量，d为缓冲垫3的阻尼，d为缓冲垫3的厚度，q为依据实验情况进行标定的常数。
[0046]
对比例一
[0047]
对比例一与实施例一的区别在于：所述底座1上去除缓冲垫3，使用落锤2直接冲击底座1。
[0048]
对比例二
[0049]
对比例二与实施例一的区别在于：所述缓冲垫3没有经过实施例一中的公式进行参数设计。
[0050]
实施例一、对比例一和对比例二的技术方案通过建模仿真，采集撞击后10ms内的应变率数据，试样4的应变率数据如图2所示，带有缓冲垫3的拉伸实验装置能够对冲击波高频成本产生较好的吸收效果，减少应变率震荡，使应变率趋于稳定；采用经过参数设计的缓冲垫3，应变率的平稳性更为优越。
[0051]
以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种中等应变率拉伸实验装置，包括落锤、底座、试样夹具和试样，所述试样夹具包括上夹具和下夹具，所述上夹具固定设置，所述试样设置于所述上夹具和所述下夹具之间；其特征在于：所述底座与所述下夹具连接，所述底座上方设置所述落锤；所述底座上表面对应所述落锤设置缓冲垫。2.根据权利要求1所述的中等应变率拉伸实验装置，其特征在于：所述试样的应变率μ采用如下公式进行设计和控制：其中，s为所述落锤与所述缓冲垫的有效接触面积，m1为落锤质量，e为缓冲垫的弹性模量，m2为所述底座的质量，d为缓冲垫的阻尼，d为缓冲垫的厚度，q为依据实验情况进行标定的常数。3.根据权利要求1所述的中等应变率拉伸实验装置，其特征在于：所述底座沿所述下夹具环形设置，所述缓冲垫为环形垫，所述落锤为环形落锤。4.根据权利要求3所述的中等应变率拉伸实验装置，其特征在于：所述落锤的上端封闭。5.根据权利要求1所述的中等应变率拉伸实验装置，其特征在于：所述底座沿所述下夹具对称设置，所述缓冲垫沿所述下夹具对称设置，所述落锤为倒“u”型结构。6.根据权利要求1所述的中等应变率拉伸实验装置，其特征在于：所述试样夹具为万能钳旋转夹具、万能钳夹具、细齿夹具中的一种。7.根据权利要求1所述的中等应变率拉伸实验装置，其特征在于：所述底座与所述下夹具下表面固定连接。8.根据权利要求1所述的中等应变率拉伸实验装置，其特征在于：所述中等应变率拉伸实验装置适用于应变率在30s-1
～100s-1
之间的拉伸试验。9.一种拉伸试验机，其特征在于：包括权利要求1-8任一项所述的中等应变率拉伸实验装置。

技术总结
本发明涉及材料动态力学性能测试技术领域，具体涉及一种中等应变率拉伸实验装置。包括落锤、底座、试样夹具和试样，所述试样夹具包括上夹具和下夹具，所述上夹具固定设置，所述试样设置于所述上夹具和所述下夹具之间；所述底座与所述下夹具连接，所述底座上方设置所述落锤；所述底座上表面对应所述落锤设置缓冲垫。并对缓冲垫的物理参数进行参数设计，本发明结构极其简单，操作方便；应变率能够快速达到平稳；并能够精确控制应变率，将缓冲垫的物理参数以及底座质量、落锤质量建立对应关系，通过选取适当物理参数的缓冲垫，能够精确稳定的控制应变率。的控制应变率。的控制应变率。


技术研发人员：熊铃华 刘伟 赵可沦 明志茂
受保护的技术使用者：广电计量检测（沈阳）有限公司
技术研发日：2021.11.26
技术公布日：2022/3/8