一種高自由度脆性材料直拉試驗測試裝置及其測試方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高自由度脆性材料直拉試驗測試裝置及其基于這種試驗測試裝置的測試方法，該直拉試驗測試系統(tǒng)包括精確變形監(jiān)測裝置和陀螺對中調(diào)整裝置；利用精確變形監(jiān)測裝置，可排除試驗機和拉伸裝置的變形，只獲取脆性材料本身的直接拉伸變形，尤其是小尺寸脆性材料的變形；而陀螺對中調(diào)整裝置左右偏轉(zhuǎn)和空間旋轉(zhuǎn)靈敏度高，避免了巖石、混凝土和陶瓷等脆性材料偏心拉伸和扭曲拉伸問題，可獲得脆性材料的真實直接拉伸強度。本發(fā)明構(gòu)造簡單、操作方便、裝卸容易，解決了脆性材料直接拉伸過程中偏心拉伸、扭曲拉伸和變形無法直接監(jiān)測的問題，可精確獲得脆性材料的直接拉伸強度、直接拉伸變形和直接拉伸應力-應變曲線。
【專利說明】一種高自由度脆性材料直拉試驗測試裝置及其測試方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于脆性材料力學性能測試領域，涉及一種具有精確變形監(jiān)測裝置的高自由度脆性材料直拉試驗測試裝置及其測試方法。
【背景技術】
[0002]一般來說，巖石、混凝土、陶瓷都被認為是脆性材料，這些脆性材料抗壓不抗拉，其破壞區(qū)域常從拉應力區(qū)開始，因此對脆性材料拉伸力學特性的測試有著重要的理論和工程意義。以巖石拉伸性能測試為例，研究巖石抗拉力學特性主要方法主要為巴西圓盤劈裂試驗，這是一種間接獲得巖石抗拉力學特性的方法，但是其結(jié)果與巖石直接拉伸結(jié)果存在一定的差距，《巖石力學與工程學報》2007年第一期的相關研究就證明了這一點。受到拉伸裝置和配套裝置的影響，關于脆性材料直接拉伸力學特性(包括直接抗拉強度、直接拉伸變形、直接拉伸應力-應變曲線等)的研究還較少。開展脆性材料直接拉伸試驗主要存在的問題包括以下5個方面:
1、直接拉伸試驗中，脆性材料斷裂位置不確定，用應變片等方法監(jiān)測變形不準確，無法反映脆性材料試樣的真實拉伸應變；
2、將試驗機位移傳感器的監(jiān)測數(shù)值作為脆性材料試樣的拉伸變形，包括了試驗機和拉伸裝置的變形，有誤差；
3、大部分現(xiàn)有拉伸裝置不具有偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，不能解決偏心拉伸問題；
4、少數(shù)具有偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的拉伸裝置，調(diào)整靈敏度低，隨著力的增加而逐步調(diào)整；
5、現(xiàn)有拉伸裝置空間旋轉(zhuǎn)能力差，易造成直接拉伸過程中的扭曲拉伸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所解決的技術問題在于提供一種高自由度脆性材料直拉試驗測試裝置及其測試方法，這種試驗測試裝置構(gòu)造簡單、操作方便、裝卸容易，并可以精確獲得脆性材料真實直接抗拉強度、直接拉伸變形和直接拉伸應力-應變曲線。
[0004]本發(fā)明所解決的技術問題采用以下技術方案來實現(xiàn):
一種高自由度脆性材料直拉試驗測試裝置，包括結(jié)構(gòu)相同的兩組陀螺對中調(diào)整裝置和精確變形監(jiān)測裝置，兩組陀螺對中調(diào)整裝置和精確變形監(jiān)測裝置沿中心線位置對稱。
[0005]所述陀螺對中調(diào)整裝置包括球形座、連接套筒以及材料固定套筒，所述球形座包括上、下兩個半球形陀螺腔，兩個半球形陀螺腔可分離，并在兩側(cè)通過螺紋件連接，上、下兩個半球形陀螺腔中分別包括有球鉸拉桿以及球鉸連接桿，球鉸拉桿和球鉸連接桿的端部均設置有一個半球體座，兩個半球體座貼合在兩個半球形陀螺腔內(nèi)壁并分別在兩個半球形陀螺腔的頂部伸出有拉桿桿體以及連接桿桿體，這種結(jié)構(gòu)可有效保證試驗機與拉伸裝置連接處、拉伸裝置自身連接處均具有自行調(diào)整的能力，避免脆性材料偏心拉伸；而所述連接套筒以及材料固定套筒均為凸型支座結(jié)構(gòu)，連接套筒套裝在材料固定套筒上部，并在其凸起部分通過螺紋與球鉸連接桿伸出半球形陀螺腔的桿體下端相連； 所述精確變形監(jiān)測裝置由帶刻度金屬刀口、旋緊定位螺絲和連接底座組成，所述連接底座側(cè)旁開有通孔，而帶刻度金屬刀口從開孔處插裝在連接底座中，旋緊定位螺絲從連接底座上部插入，并深入至通孔位置處，使得旋動旋緊定位螺絲時能對帶刻度金屬刀口在連接底座通孔的位置進行調(diào)整；
精確變形監(jiān)測裝置設置在陀螺對中調(diào)整裝置的材料固定套筒的凸型支座側(cè)旁，兩組精確變形監(jiān)測裝置的帶刻度金屬刀口在相對的一側(cè)連接有一個引伸計，此引伸計的安裝位置對應兩組陀螺對中調(diào)整裝置和精確變形監(jiān)測裝置的對稱軸位置。
[0006]在本發(fā)明中，所述球鉸拉桿以及球鉸連接桿的半球體座的球體表面上設置有兩排鋼珠，保證直接拉伸裝置在較小的受力下能自行調(diào)整，避免偏心拉伸。
[0007]在本發(fā)明中，連接套筒以及材料固定套筒的底部均設置有凹腔，連接套筒的凹腔用于連接材料固定套筒，且在其連接部分通過固定銷子進行限位連接，而材料固定套筒的凹腔則用于夾持脆性材料試樣。
[0008]在本發(fā)明中，所述引伸計為COD引伸計，利用COD引伸計進行脆性材料試樣拉伸變形的精確監(jiān)測，尤其是高度在20mnT50mm的小尺寸脆性材料試樣的變形，能有效排除試驗機和拉伸裝置變形的影響，而不是將試驗機的位移傳感器監(jiān)測到的位移作為脆性材料的變形。
[0009]本發(fā)明的一種高自由度脆性材料直拉試驗測試裝置可在萬能試驗機上精確測定脆性材料直接拉伸的抗拉強度、拉伸變形和拉應力-應變曲線，基于上述的高自由度脆性材料直拉試驗測試裝置的測試方法的具體步驟如下:
①運用高強AB膠將脆性材料試樣固定在材料固定套筒上，固定過程中利用管狀水準儀確保材料固定套筒保持水平和垂直，即水準儀的氣泡在中央；保證精確變形監(jiān)測裝置的上下連接孔在同一直線上；
②在對陀螺對中調(diào)整裝置進行連接時將材料固定套筒通過固定銷子與連接套筒連接，連接套筒通過螺紋連接件固連在帶鋼珠球的球鉸連接桿上，帶鋼珠球的球鉸連接桿與帶鋼珠球的球鉸連接桿套裝在球形座的兩個半球形陀螺腔中，并在半球形陀螺腔兩側(cè)利用螺紋連接件連接在一起；
③固定精確變形監(jiān)測裝置，在精確變形監(jiān)測裝置的帶刻度的金屬刀口端面連接COD引伸計；
④將測試裝置固定在試驗機工位上，調(diào)整脆性材料直接拉伸空間，施加較小預應力，讓拉伸裝置自行調(diào)整，避免偏心拉伸；
⑤待試驗測試裝置穩(wěn)定后即可獲取脆性材料的直接拉伸強度、拉伸變形和拉伸應力-應變曲線。
[0010]本發(fā)明與國內(nèi)外同類型技術相比具有如下顯著的技術優(yōu)勢在于:
①該裝置不僅可以測試脆性材料的直接拉伸極限強度，還可以運用COD引伸計監(jiān)測脆性材料的真實變形，排除了試驗機和拉伸裝置變形的影響；
②該直拉試驗測試系統(tǒng)和試驗機連接處、測試系統(tǒng)內(nèi)連接處設置了球鉸，可以使裝置在一定范圍內(nèi)左右偏轉(zhuǎn)，避免了拉伸破壞時的偏心拉伸；
③該裝置在每個球鉸上設置了兩排鋼珠，增加了裝置左右偏轉(zhuǎn)和空間旋轉(zhuǎn)的靈敏性，在ION的受力下裝置就可以自如左右偏轉(zhuǎn)和360°空間旋轉(zhuǎn)，保證拉伸過程中不出現(xiàn)偏心拉伸和扭曲拉伸；
④該裝置可廣泛應用于礦業(yè)工程、土木工程、隧道工程、水利工程、交通工程、國防工程等領域的脆性材料直接拉伸特性測試，適用范圍廣，經(jīng)濟效益可觀。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明的較佳實施例的裝配示意圖。
[0012]圖2為本發(fā)明的較佳實施例的單邊結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖3為本發(fā)明的較佳實施例的精確變形監(jiān)測裝置細節(jié)圖。
[0014]其中:1、陀螺對中調(diào)整裝置；2、脆性材料試樣；3、COD引伸計；4、球形座；5、鋼珠；
6、球鉸拉桿；7、固定螺絲；8、球鉸連接桿；9、連接套筒；10、固定銷子；11、材料固定套筒；12、精確變形監(jiān)測裝置；13、帶刻度金屬刀口 ；14、材料固定套筒連接座；15、連接底座；16、旋緊定位螺絲。
【具體實施方式】
[0015]為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進一步闡述本發(fā)明。
[0016]參見圖1、圖2 —種高自由度脆性材料直拉試驗測試裝置的較佳實施例的示意圖，在本實施例中，試驗測試裝置包括結(jié)構(gòu)相同的兩組陀螺對中調(diào)整裝置I和精確變形監(jiān)測裝置12，兩組陀螺對中調(diào)整裝置I和精確變形監(jiān)測裝置12沿COD引伸計3的中心線位置對稱。
[0017]每組陀螺對中調(diào)整裝置I中均包括球形座4，此球形座4包括上、下兩個半球形陀螺腔，在兩個半球形陀螺腔的邊緣通過固定螺絲7固定，球形座4中包裹有球鉸拉桿6以及球鉸連接桿8，球鉸拉桿6以及球鉸連接桿8的基底結(jié)構(gòu)均為一半球體結(jié)構(gòu)，其半球體結(jié)構(gòu)上設置有兩組鋼珠5。在球鉸連接桿8的伸出的桿體末端設置有外螺紋，而在連接套筒9凸起部分上表面設置有內(nèi)凹槽，此內(nèi)凹槽內(nèi)攻有內(nèi)螺紋，此螺紋配合可實現(xiàn)連接套筒9與球鉸連接桿8的連接，連接套筒9底部設置有凹腔，材料固定套筒11安裝在連接套筒9底部，并利用固定銷子10固連，另外，在材料固定套筒11側(cè)旁還設置有精確變形監(jiān)測裝置12。
[0018]在本實施例中，對稱兩組陀螺對中調(diào)整裝置I中相對的材料固定套筒11的底部均設置有凹腔，通過兩組材料固定套筒11可實現(xiàn)對脆性材料試樣2的夾持固定。
[0019]參見圖3所示的本實施例的精確變形監(jiān)測裝置細節(jié)圖，在本實施例中，精確變形監(jiān)測裝置12的主體結(jié)構(gòu)為一個連接底座15，通過材料固定套筒連接座14與材料固定套筒11相連。此連接底座15側(cè)旁開有通孔，并在此通孔中插裝有帶刻度金屬刀口 13，通過連接底座15可將該裝置與脆性材料直拉試驗測試系統(tǒng)連接在一起。而在連接底座15的頂部則設置有旋緊定位螺絲16，旋緊定位螺絲16深入至通孔位置處，使得旋動旋緊定位螺絲16時能對帶刻度金屬刀口 13的長度進行精確調(diào)整。
[0020]在本實施例中，兩組陀螺對中調(diào)整裝置中的球鉸拉桿6、鋼珠5、球鉸連接桿8構(gòu)成該脆性材料直拉試驗測試系統(tǒng)具的核心構(gòu)件，球鉸拉桿6與球鉸連接桿8的半球形基體的2/3體積埋入球形座4中。
[0021]本實施例的脆性材料直接拉伸試驗步驟如下: ①運用高強AB膠將脆性材料試樣2固定在材料固定套筒11內(nèi)。固定過程中利用管狀水準儀進行水平位置校準，確保兩側(cè)的材料固定套筒11與脆性材料試樣2的組合體保持水平和垂直；并保證與連接底座15的通孔在同一直線上；
②利用固定銷子10將連接套筒9和帶刻度金屬刀口13、連接套筒9、材料固定套筒11連接在一起，將兩側(cè)球鉸連接桿8與對應的連接套筒9通過螺紋進行連接，利用固定螺絲7對球形座4兩側(cè)進行連接，使得球鉸拉桿6以及球鉸連接桿8限定在球形座4的腔內(nèi)。
[0022]③固定好精確變形監(jiān)測裝置12的各個組件以及COD引伸計3，監(jiān)測直接拉伸過程中脆性材料試樣2的變形；
④將脆性材料直拉試驗測試系統(tǒng)固定在試驗機上,調(diào)整適當?shù)拇嘈圆牧显嚇?直接拉伸空間，施加一定的預應力，讓拉伸磨具自行調(diào)整，避免偏心拉伸和扭曲拉伸；
⑤獲取脆性材料試樣2的直接拉伸強度、拉伸變形和拉伸應力-變形的相關數(shù)據(jù)，并繪制曲線。
[0023]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
【權利要求】
1.一種高自由度脆性材料直拉試驗測試裝置，其特征在于，包括結(jié)構(gòu)相同的兩組陀螺對中調(diào)整裝置和精確變形監(jiān)測裝置，兩組陀螺對中調(diào)整裝置和精確變形監(jiān)測裝置沿中心線位置對稱， 所述陀螺對中調(diào)整裝置包括球形座、連接套筒以及材料固定套筒，所述球形座包括上、下兩個半球形陀螺腔，兩個半球形陀螺腔可分離，并在兩側(cè)通過螺紋件連接，上、下兩個半球形陀螺腔中分別包括有球鉸拉桿以及球鉸連接桿，球鉸拉桿和球鉸連接桿的端部均設置有一個半球體座，兩個半球體座貼合在兩個半球形陀螺腔內(nèi)壁并分別在兩個半球形陀螺腔的頂部伸出有拉桿桿體以及連接桿桿體；而所述連接套筒以及材料固定套筒均為凸型支座結(jié)構(gòu)，連接套筒套裝在材料固定套筒上部，并在其凸起部分通過螺紋與球鉸連接桿伸出半球形陀螺腔的桿體下端相連； 所述精確變形監(jiān)測裝置由帶刻度金屬刀口、旋緊定位螺絲和連接底座組成，所述連接底座側(cè)旁開有通孔，而帶刻度金屬刀口從開孔處插裝在連接底座中，旋緊定位螺絲從連接底座上部插入，并深 入至通孔位置處，使得旋動旋緊定位螺絲時能對帶刻度金屬刀口在連接底座通孔的位置進行調(diào)整； 精確變形監(jiān)測裝置設置在陀螺對中調(diào)整裝置的材料固定套筒的凸型支座側(cè)旁，兩組精確變形監(jiān)測裝置的帶刻度金屬刀口在相對的一側(cè)連接有一個引伸計，此引伸計的安裝位置對應兩組陀螺對中調(diào)整裝置和精確變形監(jiān)測裝置的對稱軸位置。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種高自由度脆性材料直拉試驗測試裝置，其特征在于，所述球鉸拉桿以及球鉸連接桿的半球體座的球體表面上設置有兩排鋼珠。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種高自由度脆性材料直拉試驗測試裝置，其特征在于，連接套筒以及材料固定套筒的底部均設置有凹腔，連接套筒的凹腔用于連接材料固定套筒，且在其連接部分通過固定銷子進行限位連接，而材料固定套筒的凹腔則用于夾持脆性材料試樣。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種高自由度脆性材料直拉試驗測試裝置，其特征在于，所述引伸計為COD引伸計。
5.一種高自由度脆性材料直拉試驗測試裝置的測試方法，在萬能試驗機上精確測定脆性材料直接拉伸的抗拉強度、拉伸變形和拉應力-應變曲線，其特征在于，具體步驟如下: ①運用高強AB膠將脆性材料試樣固定在材料固定套筒上，固定過程中利用管狀水準儀確保材料固定套筒保持水平和垂直，即水準儀的氣泡在中央；保證精確變形監(jiān)測裝置的上下連接孔在同一直線上； ②在對陀螺對中調(diào)整裝置進行連接時將材料固定套筒通過固定銷子與連接套筒連接，連接套筒通過螺紋連接件固連在帶鋼珠球的球鉸連接桿上，帶鋼珠球的球鉸連接桿與帶鋼珠球的球鉸連接桿套裝在球形座的兩個半球形陀螺腔中，并在半球形陀螺腔兩側(cè)利用螺紋連接件連接在一起； ③固定精確變形監(jiān)測裝置，在精確變形監(jiān)測裝置的帶刻度金屬刀口端面連接COD引伸計； ④將測試裝置固定在試驗機工位上，調(diào)整脆性材料直接拉伸空間，施加較小預應力，讓拉伸裝置自行調(diào)整； ⑤待試驗測試裝置穩(wěn)定后即可獲取脆性材料的直接拉伸強度、拉伸變形和拉伸應力-應變曲線。
【文檔編號】G01N3/02GK103954496SQ201410192370
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月8日 優(yōu)先權日:2014年5月8日
【發(fā)明者】徐紀成, 杜坤, 馬春德, 潘素平, 羅一忠, 王立群 申請人:中南大學