一種聚合物材料室高溫多軸循環(huán)試驗(yàn)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于聚合物材料力學(xué)性能測試技術(shù)領(lǐng)域，尤其是聚合物材料的多軸棘輪或疲勞行為試驗(yàn)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]近幾十年來，聚合物材料因其具有良好的機(jī)械力學(xué)性能，質(zhì)輕，韌性好，透明等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于機(jī)械，醫(yī)療，航空，汽車等行業(yè)。很多學(xué)者已經(jīng)對(duì)各種常見的工程聚合物材料進(jìn)行大量的試驗(yàn)和理論方面的研究。由于作為工程構(gòu)件組成材料在服役過程中必然經(jīng)受各種不同的荷載和溫度的作用，因此對(duì)不同溫度下材料在不同加載路徑下的變形行為的試驗(yàn)研究對(duì)構(gòu)件的設(shè)計(jì)及安全性評(píng)價(jià)有非常重要的意義。目前有些學(xué)者也進(jìn)行過相關(guān)的試驗(yàn)，但現(xiàn)有的試驗(yàn)方法有諸多不足:
[0003]I)傳統(tǒng)的試驗(yàn)在獲得不同溫度時(shí)是通過將試樣置于一個(gè)密閉的環(huán)境箱中，應(yīng)變的響應(yīng)要么通過位移和轉(zhuǎn)角的響應(yīng)結(jié)合試樣的幾何尺寸換算，要么通過多軸引伸計(jì)卡到試樣上獲取，前者精度不高后者會(huì)對(duì)試樣表面造成傷害導(dǎo)致試樣過早破壞。
[0004]2)傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法無法獲得試樣表面的應(yīng)變場的演化，特別是在試樣即將破壞頸縮的過程中，傳統(tǒng)的應(yīng)變測量方法無法捕捉頸縮區(qū)域的真實(shí)應(yīng)變。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明的目的是建立一種基于MTS萬能材料試驗(yàn)機(jī)和DIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)平臺(tái)的聚合物材料在不同溫度環(huán)境下的多軸循環(huán)試驗(yàn)裝置。使被測試樣能夠在敞開環(huán)境中升溫到試驗(yàn)溫度并保持溫度不變，從而能夠方便的利用DIC系統(tǒng)測量試樣表面的應(yīng)變;通過各個(gè)系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)使其能夠方便地采集和處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
[0006]本發(fā)明的目的是通過如下的手段實(shí)現(xiàn)的。
[0007]一種聚合物材料室高溫多軸循環(huán)試驗(yàn)裝置，用于與MTS萬能材料試驗(yàn)機(jī)和全場應(yīng)變測量系統(tǒng)DIC配合實(shí)施聚合物材料在不同溫度下的多軸循環(huán)變形行為試驗(yàn)，其特征在于，具有特殊形狀的試樣5與加熱電阻絲17和熱電偶探頭16安裝在一起夾到MTS萬能材料試驗(yàn)機(jī)夾具上，經(jīng)溫控組件6控制試樣5的溫度進(jìn)行試驗(yàn);MTS控制器2控制加載路徑并采集溫度和力信號(hào)，DIC控制系統(tǒng)4控制照相機(jī)3采集試樣5的表面圖像并用于應(yīng)變的后處理分析。
[0008]所述試樣5為空心啞鈴狀薄壁管;上下兩個(gè)鋼制堵頭12和13，上堵頭12有三個(gè)貫穿的小孔，小孔內(nèi)有加熱導(dǎo)線15和熱電偶線14穿過;上堵頭12的下端有一熱電阻絲17和一熱電偶探頭16分別用于加熱和測溫;兩個(gè)鋼制堵頭的長度之和小于試樣5的長度，堵頭和試樣裝配之后，試樣5中部未填入堵頭的部位構(gòu)成試樣被測試段19，試樣被測試段19為管狀，其中空空間用于盛放導(dǎo)熱介質(zhì)，加熱電阻絲17和熱電偶探頭16將沉浸于導(dǎo)熱介質(zhì)中；溫控組件6控制加熱電流的通斷實(shí)現(xiàn)控溫。
[0009]采用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，聚合物材料試樣5被加工成啞鈴狀薄壁管，下堵頭13將試樣5下端堵住，其作用是保證試樣中的導(dǎo)熱介質(zhì)(水或油)不漏出而且提供足夠的剛度使得試樣不被試驗(yàn)機(jī)夾具夾扁；上堵頭12中有三個(gè)并列的貫穿其長度方向的小孔，以供供電導(dǎo)線15和熱電偶線14穿入，導(dǎo)線15在穿過上堵頭12之后接到一個(gè)加熱電阻絲17上;熱電偶線14穿過上堵頭12之后連接一個(gè)K型熱電偶探頭16上；工作時(shí)，熱電阻絲17上通電之后生熱，熱量傳導(dǎo)到試樣被測試段導(dǎo)熱介質(zhì)中使導(dǎo)熱介質(zhì)升溫;溫控儀通過熱電偶探頭16實(shí)時(shí)監(jiān)測導(dǎo)熱介質(zhì)的溫度，當(dāng)溫度達(dá)到溫控儀設(shè)定的目標(biāo)溫度值時(shí)，溫控儀發(fā)出信號(hào)給固態(tài)繼電器斷開熱電阻絲上的電流；當(dāng)導(dǎo)熱介質(zhì)的溫度降低到低于溫控儀上設(shè)定的目標(biāo)溫度值時(shí)，溫控儀上發(fā)出信號(hào)給固態(tài)繼電器接通電源給熱電阻絲17加熱，以此循環(huán)控制從而達(dá)到控制導(dǎo)熱介質(zhì)的溫度于某一指定溫度值。導(dǎo)熱介質(zhì)充滿試樣5的試樣被測試段內(nèi)部，從而試樣內(nèi)表面的溫度與導(dǎo)熱介質(zhì)的溫度一致，由熱擴(kuò)散效應(yīng)導(dǎo)致試樣內(nèi)部的熱量往外部擴(kuò)散，從而達(dá)到加熱試樣的目的;試樣測試段的外部貼有一個(gè)外熱電偶探頭18用于采集并監(jiān)測試樣表面的溫度。試樣內(nèi)外表面會(huì)有一定的溫差，而且溫差的大小跟試樣的厚度和環(huán)境溫度有關(guān)，但只要試樣壁厚足夠小，溫差就可以忽略不計(jì)；
[0010]該發(fā)明所能加熱的溫度與所使用的導(dǎo)熱介質(zhì)有關(guān)，當(dāng)使用水為導(dǎo)熱介質(zhì)時(shí)，加溫不能加熱超過水的沸點(diǎn)溫度；當(dāng)使用植物油作為導(dǎo)熱介質(zhì)時(shí)，由于油的沸點(diǎn)溫度比水高很多，加熱溫度可以達(dá)到兩百攝氏度左右，對(duì)于聚合物材料來說，一百攝氏度度左右的溫度已經(jīng)包含大多數(shù)材料的工作溫度極限，故該發(fā)明的加溫裝置能夠滿足大部分聚合物材料的高溫多軸試驗(yàn)要求。
【附圖說明】
:
[0011]圖1本發(fā)明試驗(yàn)裝置所述系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2本發(fā)明試驗(yàn)裝置的試樣、堵頭及加熱電阻絲的裝配示意圖。
[0013]圖3本發(fā)明試驗(yàn)裝置測得的某一聚合物材料在不同溫度下的單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線。
[0014]圖4本發(fā)明試驗(yàn)方法測得多軸應(yīng)力路徑控制下的應(yīng)變響應(yīng)結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面通過附圖，對(duì)本發(fā)明的裝置做進(jìn)一步的詳述。
[0016]圖1給出了該發(fā)明試驗(yàn)方法的整個(gè)系統(tǒng)示意圖，整個(gè)系統(tǒng)主要有三個(gè)大部分組成，分別MTS試驗(yàn)機(jī)1、DIC全場應(yīng)變測量系統(tǒng)4和溫度控制組件6;工作過程如下:直流電源用于給加熱電阻絲供電加熱，固態(tài)繼電器用于通斷加熱電流，兩個(gè)溫控儀分別用于控制導(dǎo)熱介質(zhì)的溫度和監(jiān)測試樣表面溫度，兩個(gè)變送器分別將試樣內(nèi)部導(dǎo)熱介質(zhì)的溫度和試樣變面的溫度傳送到MTS控制系統(tǒng)2;DIC系統(tǒng)的照相機(jī)3由控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)拍攝試樣的變形過程用于應(yīng)變的后處理。
[0017]圖2給出了試樣5的幾何形狀和上堵頭12和下堵頭13的結(jié)構(gòu)，以及加熱電阻絲17和兩個(gè)熱電偶16和18所處的位置，以及各個(gè)部件裝配之后的示意圖，按圖2所示將各個(gè)小部件安裝之后即可裝到MTS試驗(yàn)機(jī)的夾具上進(jìn)行試驗(yàn)。
[0018]圖3給出了用該裝置對(duì)某一種聚合物材料(聚碳酸酯)進(jìn)行不同溫度下的試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線，其結(jié)果跟文獻(xiàn)查詢到的結(jié)果規(guī)律一致。
[0019]圖4給出了用本發(fā)明裝置對(duì)某一聚合物材料(聚碳酸酯)在65攝氏度下進(jìn)行應(yīng)力控制非比例多軸試樣的應(yīng)變響應(yīng)結(jié)果，可以看到應(yīng)變響應(yīng)的明顯棘輪效應(yīng)，跟預(yù)期的結(jié)果一致。
[0020]應(yīng)用實(shí)施例
[0021]本實(shí)例測試的聚合物材料為聚碳酸酯，在工程中應(yīng)用時(shí)中，其工作溫度一般低于100攝氏度，故可以以水作為導(dǎo)熱介質(zhì)19，以聚碳酸酯材料制成試樣5進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)明的有效性。
[0022]按圖1的方式接好線之后，進(jìn)行了兩類試驗(yàn)，第一類是不同溫度下的單軸拉伸卸載試驗(yàn)，裝好試樣5之后先將溫控儀8的目標(biāo)溫度設(shè)定到指定的試驗(yàn)溫度并保持恒溫10分之讓試樣達(dá)到溫度平衡，接著MTS控制系統(tǒng)2發(fā)出指令對(duì)試樣進(jìn)行拉伸，與此同時(shí)DIC控制系統(tǒng)4發(fā)出指令讓照相機(jī)3設(shè)定好的頻率拍攝圖像。試驗(yàn)完成后在DIC控制系統(tǒng)4上用系統(tǒng)自帶的分析軟件進(jìn)行后處理即得到應(yīng)力應(yīng)變曲線;依次換上新的試樣，進(jìn)行同樣的操作，只是設(shè)定不同的目標(biāo)溫度值，就得到不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，試驗(yàn)結(jié)果已在圖3中給出，經(jīng)分析該結(jié)果符合規(guī)律。
[0023]第二類試驗(yàn)是多軸應(yīng)力控制循環(huán)試驗(yàn)，與第一類同樣的方法安裝試樣并設(shè)定溫度之后，用MTS控制系統(tǒng)編制多軸控制程序進(jìn)行試驗(yàn)，應(yīng)變響應(yīng)的結(jié)果如圖4所示，由于非比例多軸應(yīng)力控制在軸向方向有非零平均應(yīng)力，從而應(yīng)變的響應(yīng)力看到明顯的棘輪效應(yīng)，該結(jié)果符合規(guī)律。
[0024]通過該實(shí)例的驗(yàn)證表面本發(fā)明的聚合物材料不同溫度下的多軸循環(huán)試驗(yàn)方法有效可行。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種聚合物材料室高溫多軸循環(huán)試驗(yàn)裝置，用于與MTS萬能材料試驗(yàn)機(jī)和全場應(yīng)變測量系統(tǒng)DIC配合實(shí)施聚合物材料在不同溫度下的多軸循環(huán)變形行為試驗(yàn)，其特征在于，具有特殊形狀的試樣(5)與加熱電阻絲(I 7)和熱電偶探頭安裝在一起夾到MTS萬能材料試驗(yàn)機(jī)夾具上，經(jīng)溫控組件(6)控制試樣的溫度進(jìn)行試驗(yàn);MTS控制器(2)控制加載路徑并采集溫度和力信號(hào)，DIC控制系統(tǒng)控制照相機(jī)(3)采集試樣的表面圖像并用于應(yīng)變的后處理分析； 所述試樣(5)為空心啞鈴狀薄壁管；上下兩個(gè)鋼制堵頭，上堵頭(12)和下堵頭(13)，上堵頭(12)有三個(gè)貫穿的小孔，小孔內(nèi)有加熱導(dǎo)線(15)和熱電偶線(14)穿過;上堵頭的下端有一熱電阻絲(17)和一熱電偶探頭(16)分別用于加熱和測溫;兩個(gè)鋼制堵頭的長度之和小于試樣的長度，堵頭和試樣裝配之后，試樣(5)中部未填入堵頭的部位構(gòu)成試樣被測試段(19)，試樣被測試段(19)為管狀，其中空空間用于盛放導(dǎo)熱介質(zhì)，加熱電阻絲(17)和熱電偶探頭(16)將沉浸于導(dǎo)熱介質(zhì)中;溫控組件(6)控制加熱電流的通斷實(shí)現(xiàn)控溫。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物材料室高溫多軸循環(huán)試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述導(dǎo)熱介質(zhì)為水或油。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物材料室高溫多軸循環(huán)試驗(yàn)裝置，其特征在于，溫控組件(6)控制的試驗(yàn)溫度范圍為室溫到導(dǎo)熱介質(zhì)的沸點(diǎn)溫度間的任意溫度值。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物材料室高溫多軸循環(huán)試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的熱電偶探頭(16)和外熱電偶探頭(18)分別位于試樣內(nèi)部和試樣被測試段的表面，在內(nèi)部的熱電偶探頭(16)用于控制導(dǎo)熱介質(zhì)的溫度，而外熱電偶探頭(18)用來監(jiān)測試樣外表溫度的變化以判斷溫度是否到達(dá)平衡。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種聚合物材料室高溫多軸循環(huán)試驗(yàn)裝置，與MTS萬能材料試驗(yàn)機(jī)和基于圖像相關(guān)的三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)DIC配合使用，具有特殊形狀的試樣5與加熱電阻絲17和熱電偶探頭16安裝在一起夾到MTS萬能材料試驗(yàn)機(jī)夾具上，經(jīng)溫控組件6控制試樣5的溫度進(jìn)行試驗(yàn)；可用于實(shí)施聚合物材料在不同溫度下的循環(huán)變形行為研究。本發(fā)明為聚合物材料在不同溫度下的多軸循環(huán)變形行為研究提供了一種試驗(yàn)設(shè)備，通過DIC方法能夠得到試樣表面的三維全場應(yīng)變響應(yīng)，應(yīng)變的測量為非接觸式的DIC方法有效地保證了試樣表面的完整性。溫控組件與MTS控制系統(tǒng)相連，MTS控制系統(tǒng)與DIC控制系統(tǒng)相連，達(dá)到了數(shù)據(jù)同步采集的目的。
【IPC分類】G01N3/18
【公開號(hào)】CN105445116
【申請?zhí)枴緾N201511031128
【發(fā)明人】盧福聰, 康國政, 劉宇杰, 闞前華, 徐祥, 陳開卷, 趙天行
【申請人】西南交通大學(xué)
【公開日】2016年3月30日
【申請日】2015年12月31日