本發(fā)明屬于金屬板料加工及性能測試領(lǐng)域，尤其是涉及一種將單向壓力轉(zhuǎn)換為多向拉力和壓力的裝置。

背景技術(shù)：

在材料性能測試領(lǐng)域，單向拉伸及壓縮試驗作為獲取材料基本力學(xué)性能參數(shù)的常規(guī)方法，得到了廣泛的應(yīng)用，相應(yīng)地，用作單軸拉伸及壓縮的試驗機也成為各實驗室的常規(guī)設(shè)備之一。然而針對一些特定的情況，單軸拉伸及壓縮試驗已經(jīng)不能滿足需求，需采用材料多向拉伸/壓縮試驗。例如在航空航天方面，大部分構(gòu)件都是雙向甚至多向受力結(jié)構(gòu)，其實際受力狀態(tài)很復(fù)雜，受力方式不盡相同，對這些復(fù)合材料的強度特性，非常有必要對其在多軸載荷下的破壞特性進行研究，以保證材料在使用中的安全。又如在土木工程領(lǐng)域，常常采用三向加載的方法來進行材料性能測試。在車身零件的成形過程中，其板料變形規(guī)律是錯綜復(fù)雜的，對于這種實際工況中是多應(yīng)力的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，僅僅采用單軸拉伸的簡單變形試驗來確定板料的成形性能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。而在cae仿真中，材料性能的數(shù)據(jù)大大影響著模擬結(jié)果的精確性，對于一些特定工況的模擬，非常需要引入這方面數(shù)據(jù)。

此外，在材料成形領(lǐng)域，往往需要在成形前對板料產(chǎn)生一些預(yù)應(yīng)變，以探究不同的預(yù)應(yīng)變對板料成形的影響，而一般的壓力機只能提供單方向的載荷，難以產(chǎn)生的滿足需要的多向預(yù)應(yīng)變。

目前可實現(xiàn)多向拉伸及壓縮的試驗機種類有限，價格昂貴，且專利多掌握在國外廠商手中，因而國內(nèi)研究單位及企業(yè)研發(fā)部門極少具備多向拉伸及壓縮設(shè)備。部分研發(fā)單位采用自行研制的裝置或機構(gòu)，結(jié)合單軸試驗機壓力機，產(chǎn)生雙向或多向的拉伸或壓縮。但現(xiàn)有的技術(shù)中，有些只能實現(xiàn)多向拉伸，如公開號為cn102706731a的試驗裝置，該裝置只能對金屬板料實現(xiàn)雙向的等速等位移的拉伸；有些只能實現(xiàn)多向壓縮，如公開號為cn202631363u的加載裝置；有些裝置對材料的形狀尺寸要求非常高，如公開號為cn104316394a的加載裝置，該裝置只能對矩形試件進行加載，若采用特殊形狀的試件就無法得到預(yù)期的加載效果；有些裝置不能實現(xiàn)不同方向具有不同的拉伸速度，如公開號為cn204903286u的試驗夾具，該裝置的四個拉伸方向均只能保持同等的速度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種既能提供拉伸載荷又能提供壓縮載荷的試驗裝置，配合壓力機及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的使用，能夠?qū)饘侔辶线M行復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的性能測試，也能對金屬板料成形前產(chǎn)生復(fù)雜類型的預(yù)應(yīng)變，該裝置裝配自由，完全可拆卸，設(shè)計簡潔，功能強大。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種將單向壓力轉(zhuǎn)換為多向拉力和壓力的裝置，由載荷轉(zhuǎn)換傳動組件、夾持工作組件、數(shù)據(jù)采集組件構(gòu)成，

所述的載荷轉(zhuǎn)換傳動組件包括支架，設(shè)置在支架上的兩個主傳動臂，分別經(jīng)短軸承與兩個主傳動臂連接的傳動傘齒輪及飛輪，兩個主傳動臂的設(shè)計滿足了拉伸載荷和壓縮載荷的實現(xiàn)，而飛輪主要是為了工作結(jié)束后，主傳動臂的手動復(fù)位，此外，在所需載荷較小時，尤其是壓縮的情況下，可以通過飛輪進行手動施載。

所述的夾持工作組件包括底盤，設(shè)置在底盤內(nèi)的內(nèi)齒輪，架設(shè)在內(nèi)齒輪上的工作平臺以及蓋設(shè)在工作平臺上的頂蓋，所述的工作平臺上設(shè)有一與傳動傘齒輪嚙合連接的傘齒輪、4-10個推頭、夾具及直齒輪，所述的夾具設(shè)置在推頭的前端，將被夾持的試樣固定在工作平臺的中央，所述的傘齒輪與其中一個推頭嚙合連接，所述的直齒輪與剩余的推頭嚙合連接，所述的傘齒輪及直齒輪均與內(nèi)齒輪連接，

優(yōu)選地，在工作平臺上設(shè)有八個推頭、八個夾具、一個傘齒輪、七個直齒輪。試樣置于工作部分的中央，通過夾具夾持后與推頭連結(jié)。主傳動臂受壓運動后，帶動傳動傘齒輪進而傳動到傘齒輪，傘齒輪帶動一個推頭的平移，同時將轉(zhuǎn)動載荷通過內(nèi)齒輪傳遞給了另外七個被動的直齒輪，直齒輪進而帶動了七個推頭的平移。根據(jù)推頭向外或向內(nèi)平移，可得到拉伸或者壓縮載荷。

所述的數(shù)據(jù)采集組件包括安裝在推頭內(nèi)的力傳感器和激光位移傳感器。

所述的主傳動臂可在豎直方向上下壓，速度可調(diào)，整體的拉伸或壓縮速度可通過調(diào)整主傳動臂的下壓速度實現(xiàn)。

所述的頂蓋上有開口，所述的傘齒輪的上端通過開口伸出，與傳動傘齒輪嚙合連接。

所述的推頭包括

與夾具連接的推頭主體，

與傘齒輪或直齒輪嚙合的推頭齒條，將直齒輪的轉(zhuǎn)動載荷轉(zhuǎn)換成線性載荷，

與工作平臺上開設(shè)的凹槽配合連接的推頭鍵，使推頭在固定的路徑上運動，使整個系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

所述的推頭主體、推頭齒條及推頭鍵通過螺孔螺釘組合連接，通過更換推頭齒條可以配合直齒輪的半徑，進而得到推頭不同的線速度。

所述的力傳感器嵌入在推頭主體內(nèi)。

所述的直齒輪外還套設(shè)有不同尺寸的齒條，并且配合不同的推頭齒條，可以得到不同的拉伸或壓縮速度，即在角速度相同的情況下，通過改變半徑，得到不同的線速度。

所述的夾具與待加工的板料試樣之間通過板料打孔裝配，對于拉伸和壓縮均適用。

所述的夾具通過螺栓擰緊來固定待加工的板料試樣的邊界，僅適用于壓縮工況。

該裝置的載荷傳遞主要通過齒輪齒條的傳動方式，將單向力轉(zhuǎn)化為多向力。將普通拉伸試驗機或壓力機提供的單向主動壓力作用于一個主傳動臂，并通過傳動傘齒輪可將直線運動轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)動。通過傘齒輪的轉(zhuǎn)動，帶動了底座上的內(nèi)齒輪的轉(zhuǎn)動，并進一步帶動各個方向的直齒輪轉(zhuǎn)動，直齒輪的轉(zhuǎn)動進一步帶動推頭的平移，進而轉(zhuǎn)化得到拉伸載荷或者壓縮載荷。

載荷形式的拉壓轉(zhuǎn)變，可以通過選擇分別對左右兩個主傳動臂的施壓，其中一個主傳動臂引發(fā)傳動傘齒輪的順時針轉(zhuǎn)動，另一個引發(fā)傳動傘齒輪逆時針轉(zhuǎn)動，兩者分別導(dǎo)致推頭向里或向外運動，從而對夾持的試樣產(chǎn)生拉伸或者壓縮。此外，可以通過替換某個方向的直齒輪，嵌入不同的齒輪以及更換推頭中齒條的部分，則可進而改進拉伸速度或者壓縮速度。

在數(shù)據(jù)采集方面，通過嵌入推頭中的力傳感器可以得到拉伸或者壓縮載荷大小，通過裝在推頭上方的激光位移傳感器可以得到拉伸或者壓縮的進給量，從而得到載荷-位移曲線。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明裝置可將單方向載荷轉(zhuǎn)化成多方向載荷，且既能實現(xiàn)壓縮又能實現(xiàn)拉伸。

(2)本發(fā)明裝置可以方便地實現(xiàn)不同方向具有不同的壓縮或者拉伸比例，實現(xiàn)非均勻加載，達到復(fù)雜的施載情況。

(3)本發(fā)明裝置解釋了4軸8個方向的加載，但本發(fā)明不限于此。根據(jù)本發(fā)明原理，亦可簡單拓展至更多方向的加載。

(4)本發(fā)明裝置將拉伸壓縮結(jié)合在一個裝置中，且可自由裝卸，簡潔方便，易于維護，操作簡單易行。

(5)本發(fā)明裝置對材料沒有尺寸及形狀的特定要求，適用于多種的材料和試樣。

(6)本發(fā)明裝置處于水平的位置，整個系統(tǒng)在操作時非常穩(wěn)定，具有較高的試驗精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為夾持工作組件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的加載比例轉(zhuǎn)變原理圖。

圖中，1-主傳動臂，2-飛輪，3-支架，4-短軸承，5-傳動傘齒輪，6-頂蓋，7-直齒輪，8-長軸承，9-工作平臺，10-內(nèi)齒輪，11-底盤，12-夾具，13-傳動傘齒輪，14-推頭主體，15-推頭齒條，16-推頭鍵，17-大直徑齒輪，18-窄推頭齒條。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

實施例1

一種將單向壓力轉(zhuǎn)換為多向拉力和壓力的裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，由載荷轉(zhuǎn)換傳動組件、夾持工作組件、數(shù)據(jù)采集組件構(gòu)成。

載荷轉(zhuǎn)換傳動組件包括支架3，設(shè)置在支架3上的兩個主傳動臂1，分別經(jīng)短軸承4與兩個主傳動臂1連接的傳動傘齒輪5及飛輪2，兩個主傳動臂1的設(shè)計滿足了拉伸載荷和壓縮載荷的實現(xiàn)，而飛輪2主要是為了工作結(jié)束后，主傳動臂的手動復(fù)位，此外，在所需載荷較小時，尤其是壓縮的情況下，可以通過飛輪2進行手動施載。

夾持工作組件的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括底盤11，設(shè)置在底盤11內(nèi)的內(nèi)齒輪10，架設(shè)在內(nèi)齒輪10上的工作平臺9以及蓋設(shè)在工作平臺9上的頂蓋6，頂蓋6上有開口，傘齒輪13的上端通過開口伸出，與傳動傘齒輪5嚙合連接。工作平臺9上設(shè)有一與傳動傘齒輪嚙合連接的傘齒輪13、八個推頭、八個夾具12、七個直齒輪7。試樣置于工作部分的中央，通過夾具12夾持后與推頭連結(jié)。主傳動臂受壓運動后，帶動傳動傘齒輪5進而傳動到傘齒輪13，傘齒輪13帶動一個推頭的平移，同時將轉(zhuǎn)動載荷通過內(nèi)齒輪傳遞給了另外七個被動的直齒輪7，直齒輪7均套設(shè)在長軸承8上，利用直齒輪7進而帶動了七個推頭的平移。根據(jù)推頭向外或向內(nèi)平移，可得到拉伸或者壓縮載荷。

推頭包括與夾具12連接的推頭主體14，與傘齒輪13或直齒輪7嚙合的推頭齒條15，將直齒輪7的轉(zhuǎn)動載荷轉(zhuǎn)換成線性載荷，與工作平臺9上開設(shè)的凹槽配合連接的推頭鍵16，使推頭在固定的路徑上運動，使整個系統(tǒng)更加穩(wěn)定。推頭主體14、推頭齒條15及推頭鍵16通過螺孔螺釘組合連接，通過更換推頭齒條可以配合直齒輪的半徑，進而得到推頭不同的線速度。

數(shù)據(jù)采集組件包括安裝在推頭內(nèi)的力傳感器和激光位移傳感器，其中力傳感器嵌入在推頭主體內(nèi)。。

直齒輪7外還套設(shè)有不同尺寸的大直徑齒輪17，并且配合不同的窄推頭齒條18，可以得到不同的拉伸或壓縮速度，即在角速度相同的情況下，通過改變半徑，得到不同的線速度，如圖3所示。

適應(yīng)的夾具與待加工的板料試樣之間可通過板料打孔裝配。，對于拉伸和壓縮均適用。另外還可以直接通過螺栓擰緊來固定待加工的板料試樣的邊界，僅適用于壓縮工況。

本發(fā)明的載荷傳遞主要通過齒輪齒條的傳動方式，將單向力轉(zhuǎn)化為多向力。將普通拉伸試驗機或壓力機提供的單向主動壓力作用于一個主傳動臂，并通過傳動傘齒輪可將直線運動轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)動。通過傘齒輪的轉(zhuǎn)動，帶動了底座上的內(nèi)齒輪的轉(zhuǎn)動，并進一步帶動各個方向的直齒輪轉(zhuǎn)動，直齒輪的轉(zhuǎn)動進一步帶動推頭的平移，進而轉(zhuǎn)化得到拉伸載荷或者壓縮載荷。

載荷形式的拉壓轉(zhuǎn)變，可以通過選擇分別對左右兩個主傳動臂的施壓，其中一個主傳動臂引發(fā)傳動傘齒輪的順時針轉(zhuǎn)動，另一個引發(fā)傳動傘齒輪逆時針轉(zhuǎn)動，兩者分別導(dǎo)致推頭向里或向外運動，從而對夾持的試樣產(chǎn)生拉伸或者壓縮。此外，可以通過替換某個方向的直齒輪，嵌入不同的齒輪以及更換推頭中齒條的部分，則可進而改進拉伸速度或者壓縮速度。

在數(shù)據(jù)采集方面，通過嵌入推頭中的力傳感器可以得到拉伸或者壓縮載荷大小，通過裝在推頭上方的激光位移傳感器可以得到拉伸或者壓縮的進給量，從而得到載荷-位移曲線。

實施例2

利用本發(fā)明通過雙向壓縮試驗測量材料的性能。卸除四個方向的直齒輪及推頭并將裝置置于壓力機的工作平臺上，令主傳動臂對準(zhǔn)壓力機滑塊中心以避免產(chǎn)生偏心載荷并使整個系統(tǒng)更加穩(wěn)定。由于是實現(xiàn)壓縮，所以應(yīng)該下壓圖1中下側(cè)的主傳動臂1。將試樣置于工作平臺上，通過手動轉(zhuǎn)動飛輪2使推頭及夾具達到合適的位置再通過壓縮夾具中的墊板約束住試樣的邊界。完成試樣裝夾后，輸入壓力機的擠壓行程和擠壓速度等，便可開始試驗。壓力機的滑塊下滑，帶動主傳動臂的下滑進而使橫臥在支座上的傘齒輪逆時針轉(zhuǎn)動。通過傘齒輪之間的配合，立于裝置主要工作部分的傘齒輪進行了順時針轉(zhuǎn)動，進而帶動底盤上的內(nèi)齒輪順時針旋轉(zhuǎn)。而其余三個直齒輪均與底盤上的內(nèi)齒輪之間有著配合關(guān)系，故直齒輪也會進行順時針旋轉(zhuǎn)。順時針旋轉(zhuǎn)的直齒輪將會帶動推頭向內(nèi)平移，給試件施壓。壓力傳遞于推頭中的力傳感器并記錄，而激光位移傳感器可以得到推頭向內(nèi)平移的實時數(shù)據(jù)。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。