一种可切换拉伸/压缩模式的单向力转双向对称力力学试验装置

本发明涉及材料力学性能测试，具体涉及一种可切换拉伸/压缩模式的单向力转双向对称力力学试验装置。

背景技术：

1、在材料科学研究和工业生产中，双向拉伸和双向压缩试验是评估材料各向异性力学性能的重要手段，广泛应用于复合材料、薄膜材料、金属板材等材料的性能测试。

2、现有双向力学试验装置主要存在以下缺点：1）大多数装置需要两个或四个独立的动力源分别驱动不同方向的加载机构，不仅结构复杂、制造成本高，而且难以保证各方向力的同步性和对称性，严重影响试验结果的准确性。2）部分采用单一动力源的装置通过复杂的齿轮换向机构或连杆机构实现力的方向转换，机构磨损严重，力传递效率低，且无法在拉伸和压缩两种模式间快速切换。3）少数可切换模式的装置需要拆卸大量零部件才能完成模式转换，操作繁琐，耗时费力，影响试验效率。4）现有装置大多缺乏精确的力值计算方法，只能通过外接传感器测量力值，增加了装置的复杂度和成本。

3、因此，亟需开发一种结构简单、操作方便、力的对称性和同步性好且能快速切换拉伸和压缩试验模式并可精确计算加载力值的单向力转双向对称力力学试验装置。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中的不足，本发明针对传统双向力学试验装置需要双向动力源、结构复杂、模式切换繁琐的问题，而提供了一种可切换拉伸/压缩模式的单向力转双向对称力力学试验装置，该装置采用模块化块体设计，仅需更换不同功能的块体即可在拉伸和压缩两种试验模式间快速切换，单一单向力输入即可实现四向对称力加载，力传递均匀，同步性好，制造成本低，操作简便。本发明还提供了完整的力值计算推导公式，可精确计算加载力大小，无需外接传感器即可获得准确的试验数据。

2、本发明第一个目的是提供一种可切换拉伸/压缩模式的单向力转双向对称力力学试验装置，包括：

3、框架机构，其顶部设置有用于放置待测试样的安装面；

4、导轨机构，设置于安装面上，所述导轨机构包括四个导轨段，四个所述导轨段在安装面上绕中央沿着周向等间隔设置，且每个导轨段沿着径向设置，使四个导轨段呈十字形布置；

5、每个导轨段上均设置的拉伸压缩执行机构，每个拉伸压缩执行机构在对应的导轨段上滑动连接；四个拉伸压缩执行机构在安装面上能够同步向心或者离心移动；四个拉伸压缩执行机构之间形成用于搭载十字形的待测试样，通过四个拉伸压缩执行机构对十字形的待测试样在四个方向进行对称拉伸或者压缩试验；

6、驱动机构，设置于所述框架机构内，并位于安装面的下方；所述驱动机构包括升降机构以及所述升降机构上设置的主动拉伸部件或者主动压缩部件；

7、所述主动拉伸部件与安装面的中央处对应，通过升降机构将主动拉伸部件向上推动时，主动拉伸部件贯穿安装面后，同时对四个拉伸压缩执行机构在安装面上向外推动进行离心移动，从而对搭载的待测试样进行四向对称拉伸试验；

8、所述主动压缩部件包括四个主动压缩件，四个主动压缩件位于同一圆周上，每个主动压缩件对应一个拉伸压缩执行机构；通过升降机构将四个主动压缩件同时向上推动时，每个主动压缩件贯穿安装面后，从对应拉伸压缩执行机构的外侧在安装面上向内推动进行向心移动，从而对搭载的待测试样进行四向对称压缩试验。

9、在一实施例中，每个所述导轨段包括两个平行的杆体，每个杆体的两端固定于安装面上；

10、两个平行的杆体之间设置有一定的间隙。

11、在一实施例中，每个拉伸压缩执行机构，包括：

12、滑块，滑动连接于两个平行的杆体上，所述滑块上开设有用于贯穿两个平行的杆体的通孔；

13、所述滑块上设置有用于固定待测试样的定位槽；

14、所述滑块的一侧设置有从动拉伸件，以及与其对称的一侧设置有从动压缩件；其中，从动拉伸件和从动压缩件均位于两个平行的杆体之间；

15、每个从动拉伸件在主动拉伸部件的推动下，将对应的滑块推动进行离心移动，从而对搭载的待测试样进行四向对称拉伸试验；

16、每个从动压缩件在对应的主动压缩件的推动下，将对应滑块推动进行向心移动，从而对搭载的待测试样进行四向对称压缩试验。

17、在一实施例中，每个所述从动拉伸件包括两个平行的第一柱体，其设置于所述滑块位于两个通孔之间，其中，第一柱体与杆体平行设置；

18、两个平行的第一柱体其一端均设置于滑块上，另一端之间设置有第一枢轴，所述第一枢轴上套设有第一滚动轴承； 其中，第一枢轴的轴线与安装面平行；

19、所述主动拉伸部件为第一块体，设置于所述升降机构上，所述第一块体端部设置有四个斜面，四个斜面中两两对称设置，形成金字塔形；

20、当第一块体向上贯穿安装面时，每个斜面的上部先接触对应的从动拉伸件的第一滚动轴承，随着第一块体向上升起时，第一滚动轴承在其斜面上转动，使第一块体向上推动的力通过第一滚动轴承分解成沿着安装面从内至外水平推动的力；在从内至外水平推动的力的作用下，从动拉伸件推动滑块进行离心移动，对搭载的待测试样进行四向对称拉伸试验；

21、其中，安装面的中央处开设有用于贯穿第一块体的第一孔体。

22、在一实施例中，每个所述从动压缩件包括两个平行的第二柱体，其设置于所述滑块位于两个通孔之间，其中，第二柱体与杆体平行设置；

23、两个平行的第二柱体其一端均设置于滑块上，另一端之间设置有第二枢轴，所述第二枢轴上套设有第二滚动轴承； 其中，第二枢轴的轴线与安装面平行；

24、每个所述主动压缩件为第二块体均设置于升降机构上，所述第一块体端部设置有朝向内部的斜面；

25、当第二块体向上贯穿安装面时，每个斜面的上部先接触对应的从动压缩件的第二滚动轴承，随着第二块体向上升起时，第二滚动轴承在其斜面上转动，使第二块体向上推动的力通过第二滚动轴承分解成沿着安装面从外至内水平推动的力；在从外至内水平推动的力的作用下，从动压缩件推动滑块进行向心移动，从而对搭载的待测试样进行四向对称压缩试验；

26、其中，安装面上位于同一圆周上开设有用于贯穿每个第二块体的第二孔体。

27、在一实施例中，所述驱动机构还包括圆盘，其设置于所述升降机构上，在所述圆盘上设置主动拉伸部件或者主动压缩部件；

28、所述升降机构为剪式千斤顶，包括菱形四连杆支撑机构以及梯形螺杆机构，通过转动梯形螺杆机构，将水平方向的单向力转换为菱形四连杆支撑机构在垂直方向的升降运动。

29、在一实施例中，待测试样在拉伸或压缩测试过程中，力的传递分两个阶段，第一阶段是将梯形螺杆机构输入的扭矩转换为主动拉伸部件或者主动压缩部件向上的升力；第二阶段是将向上的升力转化为水平方面的拉伸力或压缩的力。

30、在一实施例中，所述安装面是在框架机构的顶部设置的承载板体。

31、本发明第二个目的是提供一种可切换拉伸/压缩模式的单向力转双向对称力力学试验装置的使用方法，包括：

32、在升降机构上设置主动拉伸部件；

33、将十字形待测试样的四个端部粉笔设置于四组拉伸压缩执行机构上；

34、通过升降机构将主动拉伸部件向上推动时，主动拉伸部件贯穿安装面后，同时对四个拉伸压缩执行机构在安装面上向外推动进行离心移动，从而对搭载的待测试样进行四向对称拉伸试验。

35、本发明第三个目的是提供一种可切换拉伸/压缩模式的单向力转双向对称力力学试验装置的使用方法，包括：

36、在升降机构上设置主动压缩部件；

37、将十字形待测试样的四个端部粉笔设置于四组拉伸压缩执行机构上；

38、通过升降机构将四个主动压缩件同时向上推动时，每个主动压缩件贯穿安装面后，从对应拉伸压缩执行机构的外侧在安装面上向内推动进行向心移动，从而对搭载的待测试样进行四向对称压缩试验。

39、本发明提供了一种可切换拉伸/压缩模式的单向力转双向对称力力学试验装置，与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

40、（1）单一动力源，结构简单：本发明仅需单一单向力输入即可实现四向对称力加载，无需多个独立动力源或复杂的换向机构，结构简单，制造成本低，维护方便。

41、（2）模块化设计，模式切换快速：采用模块化块体设计，仅需更换不同功能的块体即可在拉伸和压缩两种试验模式间快速切换，无需拆卸其他机构，操作简便，试验效率高。

42、（3）力的对称性和同步性好：采用十字形导轨和四组对称布置的执行机构，通过单个中心块体或四个对称布置的周边块体同步驱动，保证了四个方向力的高度对称性和同步性，提高了试验结果的准确性。

43、（4）力传递效率高：采用滚动轴承与块体滚动接触，将滑动摩擦转换为滚动摩擦，显著减小了摩擦力，提高了力的传递效率。

44、（5）力值计算精确：本发明提供了完整的力值计算推导公式，可根据输入扭矩或拉力精确计算加载力大小，无需外接传感器即可获得准确的试验数据，降低了装置成本。

45、（6）适用范围广：输入力机构可采用手动螺杆机构，也可与液压、电动等动力装置配合使用；试样定位槽可根据不同试样的形状和尺寸进行更换，可广泛应用于各种材料的双向拉伸和压缩力学性能测试。

46、该装置的工作原理：

47、拉伸试验模式：将单个第一块体安装在升降圆盘的中心位置，将十字形试样的四个端部分别固定在四组拉伸压缩执行机构的试样定位槽内。旋转输入力机构的手轮，驱动剪式升降机构带动圆盘平稳上升。由于第一块体的四个侧面均为向外倾斜的斜面，当升降圆盘下降时，第一块体的四个斜面同时通过滚动轴承推动四组拉伸压缩执行机构沿导轨同步离心运动，从而对中心试样施加均匀对称的四向拉伸力。

48、压缩试验模式：拆卸第一块体，将四个周边第二块体分别安装在升降圆盘的四个周边位置。旋转输入力机构的手轮，驱动剪式升降机构带动升降圆盘平稳上升。由于每个第二块体的内侧均为向内倾斜的斜面，当升降圆盘上升时，四个第二块体的斜面同时通过滚动轴承推动四组拉伸压缩执行机构沿导轨同步向心运动，从而对中心试样施加均匀对称的四向压缩力。