一种双轴残余应力压入标定装置

1.本发明涉及实验力学测试装置技术领域，尤其是一种双轴残余应力压入标定装置。


背景技术：

2.残余应力广泛存在于焊缝、3d打印等结构中，残余应力的存在对构件的抗应力腐蚀性能、疲劳性能和极限承载能力具有不可忽视的影响。因此，残余应力的准确测定对于保障含残余应力结构的安全服役具有至关重要的意义。相比于钻孔法等传统残余应力检测手段，压入法作为一种近乎无损且操作便捷的检测手段，在残余应力评估中具有良好的应用前景。
3.压入法测量残余应力的关键在于对与被测材料具有相同加工硬化行为的材料进行不同应力状态下的压入响应标定。考虑到实际结构中残余应力状态的复杂性，标定时应尽可能包括单轴拉伸、单轴压缩、等双轴拉伸、等双轴压缩、非等双轴拉伸、非等双轴压缩以及非等双轴拉压等多种残余应力组合。然而，传统的残余应力标定装置通常只能施加单轴或等双轴残余应力，且存在试样尺寸需求较大、与压入测试匹配情况较差以及无法便捷的安装光学测量模块等劣势。
4.此外，现有的双轴残余应力标定装置大多采用弯曲方式(沿试样垂直方向)施加应力，经过弯矩转换后实现残余应力模拟，不仅在具体操作和数据处理方面较为繁琐，而且通过弯曲方式施加应力也很难确保两边施力均匀，容易导致试样翘起或侧翻而造成数字图像采集中的离线位移并最终导致虚应变，对后续的压入测试造成影响。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供一种双轴残余应力压入标定装置，解决了现有应力标定装置只能施加单轴或等双轴残余应力导致无法充分模拟并测试其他类型残余应力复杂状态的技术问题。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.一种双轴残余应力压入标定装置，包括十字形试样和施力机构，所述施力机构分别设置在所述十字形试样的四个轴端的外侧，并分别与所述轴端可拆卸地连接，所述施力机构用于沿轴向对所述十字形试样施加拉应力或压应力以模拟残余应力；还包括上盖板和万向支撑，十字形试样由所述上盖板压紧在所述万向支撑上，上盖板的中部设有用于压入测试的中心测试孔。
8.进一步技术方案为：
9.所述施力机构通过紧固件与所述底座连接，并以试样为中心对称分布；每个施力机构包括电机、减速器、施力销钉和载荷传感器，所述施力销钉一端与减速器输出连接，另一端与所述轴端连接。
10.使用时，处于相对位置的两组施力机构的施力方向相反，确保施加残余应力后的
十字形试样中心保持不变。
11.所述上盖板与所述底座可拆卸地连接，所述中心测试孔的圆心与十字形试样的中心同轴设置，上盖板上位于中心测试孔的外圈设有施力螺栓的安装孔，所述施力螺栓用于从上表面压紧十字形试样。
12.所述万向支撑与所述底座可拆卸地连接，万向支撑的高度可调，万向支撑的上表面为一支撑面，所述支撑面与十字形试样同轴设置，并用于与十字形试样底面中部位置接触。
13.所述万向支撑通过螺柱与所述底座连接，所述螺柱上设有上螺母和下螺母，所述上螺母用于调节所述万向支撑的高度，所述下螺母用于将螺柱与底座紧固连接。
14.使用时，通过旋转所述上螺母以完成十字形试样的紧固和离面位移的补偿，其中所需调节的螺母旋转角通过下式计算：
[0015][0016]
式中，为试样厚度变化，e，v分别为试样材料的杨氏模量和泊松比，h为试样的厚度，σ1和σ2为对试样的施加的残余应力，拉应力为正，压应力为负；π为圆周率，p为万向支撑所用螺柱的螺距。
[0017]
所述支撑面为圆形，所述圆形的直径为十字形试样的中间轴段宽度的1～3倍。
[0018]
所述底座用于安装压入检测仪和光学测量模块。
[0019]
所述底座上设有铁磁性连接座，所述光学测量模块的结构包括光学测量装置、高度可调的支撑结构、支撑结构底部设置有磁力表座，所述磁力表座用于与所述铁磁性连接座配合连接。
[0020]
本发明的有益效果如下：
[0021]
本发明可以施加任意组合的双轴应力以模拟残余应力，且能够确保施加应力后的压入试样中心保持原位。通过施力装置实现单轴拉伸、单轴压缩、等双轴拉伸、等双轴压缩、非等双轴拉伸、非等双轴压缩以及非等双轴拉压在内的各种沿轴向方向的残余应力组合，可模拟测试各种复杂残余应力状态。
[0022]
和现有的通过弯曲的方式施加残余应力的装置相比，本发明所施加的残余应力沿厚度方向均匀分布，对于测试试样的厚度没有限制，且试样不会翘起。可施加任意组合的双轴应力以模拟残余应力，且能够确保施加应力后的压入试样中心保持原位。也无需经过弯矩转换计算，自动化程度高、定位、测试精度均得到了有效提高。
[0023]
本发明通过万向支撑为试样提供中心定位，并保障施加应力后试样的紧固。通过万向支撑的高度调节实现离面位移的补偿，确保了数字图像采集精度，避免了虚焦和虚应变的问题。
[0024]
本技术通过底座与光学测试模块及压入测试仪形成拆卸式组合结构，支持便捷更换压入检测仪和光学测量模块，能够确保仪器压入检测仪压头在十字形压入试样中心区域压入，以光学手段测量十字形压入试样中心区域的应变分布，不仅拆装便捷为数字图像采集提供了便利而且提高了光学测量与压入测试结果的匹配度。
[0025]
本技术克服了现有标定装置通常只能施加单轴或等双轴残余应力，适用于各种试
样尺寸，通用性好。
附图说明
[0026]
图1为本发明装置的俯视图。
[0027]
图2为本发明装置的剖视图。
[0028]
图3为本发明装置的上盖板结构示意图。
[0029]
图4为本发明装置的光学测量模块的剖视图。
[0030]
图中：1、底座；2、施力机构；3、十字形试样；4、铁磁性连接座；5、上盖板；6、万向支撑；6-1、上螺母；6-2、下螺母；7、中心测试孔；8、施力螺栓；9、螺柱；10、内圈螺纹孔；11、外圈螺纹孔；12、水平仪；13、工业相机；14、紧固旋钮；15、光源；16、光学镜头；17、滑轨；18、磁力表座。
具体实施方式
[0031]
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
[0032]
本实施例的一种双轴残余应力压入标定装置，如图1所示，包括十字形试样3和施力机构2，施力机构2分别设置在十字形试样3的四个轴端的外侧，并分别通过连接件与轴端可拆卸地连接，施力机构2用于沿轴向对十字形试样3施加拉(伸)应力或压(缩)应力以模拟残余应力；如图2所示，还包括上盖板5和万向支撑6，使用时，十字形试样3由上盖板5压紧在万向支撑6上，上盖板5的中部设有用于压入测试的中心测试孔7。
[0033]
本实施例的双轴残余应力压入标定装置，可直接通过施力机构2在平面内沿构成十字形试样的四个轴段的轴向施加拉、压应力，施力方向如图1中箭头方向所示。
[0034]
通过控制施力机构2的施力的大小和方向，可以施加包括单轴拉伸、单轴压缩、等双轴拉伸、等双轴压缩、非等双轴拉伸、非等双轴压缩以及非等双轴拉压在内的各种残余应力组合，无需通过沿竖直方向施力再通过弯矩转换获得残余应力模拟。并适用于多种尺寸的试样。
[0035]
本实施例的施力机构2共设置四个，分别通过紧固螺栓等紧固件与底座1连接，并以试样为中心对称分布；每个施力机构包括电机、减速器、施力销钉和载荷传感器，施力销钉一端与减速器输出连接，另一端与轴端连接。
[0036]
本实施例的上盖板5与底座1可拆卸地连接，如图3所示，上盖板5的中部设有用于压入测试、及方便对压入试样表面的数字图像采集的中心测试孔7，中心测试孔7的圆心与十字形试样的中心同轴设置。
[0037]
具体的，上盖板5上位于中心测试孔7的外圈设有施力螺栓8的安装孔，命名为如图3所示的内圈螺纹孔10，共设置有四个。如图2所示，四个施力螺栓8穿过内圈螺纹孔10从上表面压紧十字形试样3。
[0038]
具体的，上盖板5的位于中心测试孔7外圈的四角处设有外圈螺纹孔11，如图2所示，上盖板5通过四个螺柱9穿过外圈螺纹孔11与底座1紧固连接。
[0039]
如图2所示，本实施例的万向支撑6底部也通过螺柱与底座1可拆卸地连接，螺柱上设有上螺母6-1和下螺母6-2，上螺母6-1用于调节万向支撑6的高度，下螺母6-2用于将螺柱与底座1紧固连接。
[0040]
具体的，万向支撑6的上表面为一支撑面，支撑面与十字形试样3同轴设置，并用于与十字形试样3底面中部位置接触。
[0041]
具体的，支撑面为圆形，圆形的直径为十字形试样的中间轴段宽度的1～3倍。
[0042]
具体的，万向支撑6底部的螺柱的直径应不小于十字形试样的中间轴段的宽度。
[0043]
具体的，万向支撑6采用硬质合金。
[0044]
使用时，处于相对位置的两组电机可由同一编码器统一控制，设置成位移相同、施力方向相反，以确保施加残余应力后的十字形试样中心保持不变。
[0045]
施加应力后，试样厚度变化δh通过下式计算：
[0046][0047]
式中，e，v分别为试样材料的杨氏模量和泊松比，h为试样的厚度，σ1和σ2为对试样的施加的残余应力，拉应力为正，压应力为负。
[0048]
通过旋转上螺母6-1以完成十字形试样的紧固和离面位移的补偿，其中所需调节的螺母旋转角通过下式计算：
[0049][0050]
式中，π为圆周率，δh为试样厚度变化，p为万向支撑所用螺柱的螺距。
[0051]
如图1所示，本实施例的底座1上安装有铁磁性连接座4，其用于安装压入检测仪、光学测量模块等。
[0052]
本实施例的双轴残余应力压入标定装置可配合光学测量装置及压入测试仪使用。
[0053]
如图4所示，光学测量模块的结构包括：
[0054]
光学测量装置：工业相机13、与工业相机13相连的光学镜头16和光源15；
[0055]
高度可调的支撑结构：横梁、紧固旋钮14和滑轨17；
[0056]
以及设置在支撑结构底部的磁力表座18。
[0057]
磁力表座18用于与铁磁性连接座4配合连接。通过调节磁力表座18的开关，可以实现光学测量模块与底座1的快速连接和分离。滑轨17设置两根相互平行，与底座垂直安装，横梁两端分别通过上述紧固旋钮14安装在滑轨17可在滑轨17上的位置从而调整高度。
[0058]
具体的，横梁包含两同心圆孔，且与横梁上表面相连圆孔(即远离底座圆孔)的直径大于与横梁下表面相连圆孔(即靠近底座圆孔)的直径。光源通过磁铁固定在横梁下表面，工业相机13安装于与横梁上表面相连的圆孔中，与工业相机相连的光学镜头16穿过与横梁下表面相连圆孔。横梁上表面安装有水平仪12以判定横梁水平度。
[0059]
具体的，底座本身采用轻质合金，底座上通过铁磁性连接座为安装有磁力表座的压入检测仪和光学测量模块的快速定位和装、拆提供了便利。
[0060]
对于十字形试样，可以通过载荷传感器读数估算残余应力分布，也可以通过光学测量方式(如数字图像相关技术)确定施加应力后十字形压入试样中心区域的应变分布。完成残余应力测定后，将光学测量模块快速拆卸，更换压入检测仪，底座上的铁磁性连接座能够确保仪器压入检测仪压头在十字形压入试样中心区域压入。完成压入测试后将压入检测仪的磁力表座与铁磁性连接座分离，并再次更换光学测量模块，进行压入试样表面残余轮廓和应变分布的图像采集。
[0061]
本技术提供的残余应力压入标定装置采用模块化设计。采用对称分布的四套施力机构，能够根据试验需求对压入试样施加任意组合的双轴应力以模拟残余应力，且能够确保施加应力后的压入试样中心保持原位。底座上的铁磁性连接座为安装有磁力表座的压入检测仪和光学测量模块的快速定位和装、拆提供了便利，能够确保(1)以光学测量方式(如数字图像相关技术)确定施加应力后十字形压入试样中心区域的应变分布；(2)将光学测量模块快速拆卸，更换压入检测仪，并确保仪器压入检测仪压头在十字形压入试样中心区域压入；(3)完成压入测试后快速将压入检测仪拆卸，并更换光学测量模块，进行压入试样表面残余轮廓和应变分布的图像采集。通过旋转上螺母，可以完成压入试样的紧固和离面位移的补偿，确保了数字图像采集精度。
[0062]
本领域普通技术人员可以理解：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。