一种用于胶粘结构疲劳寿命检测的压电驱动疲劳试验机

摘要

一种用于胶粘结构疲劳寿命检测的压电驱动疲劳试验机，属于疲劳试验机技术领域。该机将压电驱动器置于试样内部，因而疲劳载荷可以更为直接地施加于胶粘剂/被粘物界面，可以实现小载荷的精确控制，并且能够实现胶粘结构在环境介质作用下的疲劳，可以更好地模拟胶粘剂的实际服役环境。该机疲劳载荷和频率范围宽，支持多种载荷谱，可以采用外输波形；载荷大小、频率通过驱动电源上的旋钮调节，操作方便。还集成了摄像头和计数器，可实时监控和采集疲劳裂纹扩展长度。该机具有体积小、成本低、功耗小、结构简单等优点。

说明书

技术领域

本发明属于疲劳试验机技术领域，特别提供了一种用于胶粘结构疲劳寿命检测的压电驱动小载荷疲劳试验机。

背景技术

胶粘剂广泛应用于金属、陶瓷和塑料等构件的连接，胶粘结构的主要失效形式为疲劳载荷作用下胶粘剂/被粘物界面脱粘。当界面有裂纹时很容易发生失效，因此胶粘结构的疲劳寿命就是含界面裂纹胶粘接头的疲劳寿命。含裂纹胶接接头的强度很低，测试疲劳寿命时需要小载荷疲劳试验机；胶粘结构服役过程中，通常处于水、油和有机溶剂等环境介质中，疲劳试验机应包含环境舱。但是，目前还没有一种完整的能够模拟胶粘结构实际服役环境进行疲劳寿命检测的小载荷疲劳试验机。

《一种旋转弯曲腐蚀疲劳试验装置》(中国专利200810057159.1)公开了一种旋转弯曲疲劳试验装置及腐蚀液供给系统，其优点是可以实现腐蚀疲劳，但是这种试验机只能用于材料的弯曲疲劳，无法提供适于胶粘结构的拉伸疲劳载荷。

目前，胶粘结构疲劳寿命通常在用于测定金属疲劳强度的电液或电机驱动疲劳试验机上，采用图1所示的双悬臂梁试样进行，该试样用胶粘剂将两块被粘物薄板粘接在一起，形成“三明治”结构。试验开始前，在胶粘剂/被粘物界面预制一个裂纹，然后在垂直于粘接界面方向施加拉伸疲劳载荷。该方法的主要缺点是难以实现腐蚀疲劳，如果在试样周围安装环境舱，在疲劳载荷以及自重的作用下，环境舱很容易发生移位、泄露等现象，无法使待测胶粘结构处于稳定的环境介质当中。此外，该方法很难实现高周疲劳，无法模拟胶粘结构的实际服役环境，原因是含裂纹胶粘结构的抗拉强度很低，当疲劳试验机的小载荷控制精度不高时，往往形成低周疲劳。

发明内容

本发明的目的在于弥补胶粘结构疲劳试验机难以实现腐蚀疲劳和高周疲劳，无法模拟胶粘结构的实际服役环境之不足，提供一种小载荷疲劳试验机，专门用于胶粘结构疲劳寿命测试，并能够实现腐蚀疲劳。

一种用于胶粘结构疲劳寿命检测的压电驱动疲劳试验机，由摄像头、压电驱动器、标尺、样品台、驱动电源、计数器、样品台高度调节旋钮、样品台水平位置调节旋钮、框架和环境舱组成，摄像头垂直于裂纹扩展方向放置，并与电脑相连，可实时观测和记录裂纹长度。压电驱动器和待测试样置于环境舱中和标尺同时固定在样品台上，以实现胶粘结构腐蚀疲劳寿命测试，待测试样与标尺并排放置，利用标尺可得出裂纹长度a。通过调节样品台高度调节旋钮，可控制样品台的升降，将摄像头观测的图像调节清晰。通过样品台水平位置调节旋钮，可改变待测试样前后、左右的位置，便于摄像头观测裂纹。计数器与驱动电源相连，驱动电源通过电缆与压电驱动器相连，记录驱动信号中驱动脉冲的数量，换算成疲劳循环周次；试验结束时，计数器显示疲劳寿命。

待测试样为胶粘剂和被粘物形成的双层结构，将待测试样与压电驱动器相结合，形成被粘物/胶粘剂/压电驱动器的“三明治”结构，并且在胶粘剂/被粘物界面边缘，预制一个裂纹。驱动电源输出驱动信号至压电驱动器，使得驱动器产生往复运动，由于驱动器与胶粘剂层结合在一起，载荷通过胶粘剂传递至胶粘剂/被粘物界面，在垂直于粘接界面方向形成拉-拉疲劳载荷，在疲劳载荷的作用下，预制裂纹逐渐扩展，直至整个粘接界面发生脱粘。计数器与驱动电源相连，记录驱动信号中驱动脉冲的数量，然后换算成疲劳循环周次N；试验结束时，可从计数器读出疲劳寿命。疲劳载荷的大小，可以通过调节驱动信号的峰值电压和占空比来控制；疲劳载荷的频率与驱动信号的频率相等，可在驱动电源进行调节；载荷谱可以通过改变驱动信号的波形(方波、正弦波或三角波等)进行调节。摄像头与电脑相连，通过与试样并排放置的标尺，实时记录裂纹扩展长度a，绘制a-N曲线，得出裂纹扩展速率da/dN。

该试验机采用压电驱动器作为动力源，因而具有载荷控制精度高、成本低、体积小、能耗低、噪音低以及便于观测和记录等优点。具有如下技术优势：

(1)采用压电驱动器施加疲劳载荷，可实现小载荷的精确控制，能够实现胶粘结构的高周疲劳，可以更好地模拟胶粘剂的实际服役环境；

(2)设置了环境舱，能够实现胶粘结构在环境介质作用下的疲劳(腐蚀疲劳)，由于驱动器放置于环境舱中，因而环境舱稳定性强；

(3)体积小(大小与普通显微镜相当)、成本低、功耗小、结构简单；

(4)疲劳载荷和频率范围宽，支持多种载荷谱，载荷大小、频率以及载荷谱通过驱动电源上的旋钮调节，操作方便；

(5)在疲劳试验机中集成了摄像头和计数器，便于疲劳裂纹的观测和疲劳寿命的记录。

附图说明

图1是用于测试胶粘结构疲劳寿命的双悬臂梁试样

图2是本发明疲劳试验机的左视图

图3是本发明压电驱动器和待测试样的俯视图

图4是本发明实施例1中压电驱动器的结构图

图5是本发明实施例1的一种驱动波形

图6是本发明实施例2中压电驱动器的结构图

1-摄像头、2-压电驱动器、3-待测试样、4-标尺、5-样品台、6-驱动电源、7-计数器、8-样品台高度调节旋钮、9-样品台水平位置调节旋钮、10-框架、11-环境舱。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明提出的试验方法与试验机的细节和工作情况，以及其与传统测试方法的区别。

本发明提出的疲劳试验机由摄像头1、压电驱动器2、标尺4、样品台5、驱动电源6、计数器7、样品台高度调节旋钮8、样品台水平位置调节旋钮9、框架10和环境舱11组成。本试验机用于测试由胶粘剂/被粘物组成的胶粘结构(待测试样)的腐蚀疲劳寿命，进行疲劳试验前，需将待测试样3与压电驱动器2结合，具体方法如下：采用胶粘剂将被粘物31与压电驱动器2粘接在一起，胶粘剂完全固化后，形成胶粘剂层32(图3中，虚线表示胶粘剂/被粘物界面)，然后在待测试样3的一端，沿宽度方向制作裂纹33(图2中，待测试样的宽度方向与样品台垂直)，裂纹33位于被粘物31与胶粘剂层32的界面(图3给出的是待测试样的长度方向和厚度方向，其宽度方向垂直于纸面)。

在环境舱11中注入腐蚀介质，将压电驱动器2和待测试样3完全浸没，压电驱动器采用绝缘良好的材料密封，以防漏电。调节驱动电源6，向压电驱动器2输出合适的驱动信号，使得压电驱动器2产生往复运动，运动方向垂直于胶粘剂/被粘物界面，由于压电驱动器2的下表面与胶粘剂层32粘接在一起，压电驱动器2的往复运动转换成循环载荷，加载于胶粘剂/被粘物界面。由于界面存在预制裂纹33，使得胶粘剂/被粘物界面处强度远低于胶粘剂/压电驱动器界面，因而在被粘物/胶粘剂/压电驱动器的“三明治”结构中，压电驱动器2向该结构输入的能量，绝大部分耗散于胶粘剂/被粘物界面，促使裂纹33不断扩展。裂纹33沿图3箭头所示方向进行扩展，长度逐渐增加，摄像头1垂直于裂纹扩展方向放置，并与电脑相连，可实时观测和记录裂纹长度。压电驱动器2、待测试样3和标尺4同时固定与样品台5上，待测试样3与标尺4并排放置，利用标尺可得出裂纹长度a。通过调节样品台高度调节旋钮8，可控制样品台的升降，将摄像头观测的图像调节清晰。通过样品台水平位置调节旋钮9，可改变待测试样3前后、左右的位置，便于摄像头观测裂纹。

驱动电源6通过电缆与压电驱动器2相连，输出的驱动信号可以是方波、正弦波、三角波、锯齿波或是组合波，波形可以通过驱动电源6上的旋钮来互相切换，从而实现几种不同的载荷谱；也可以通过外输波形来实现驱动，驱动电源6设置了电脑接口，可将用户设定波形从电脑传输至驱动电源6内部的存储器。当驱动波形一定时，压电驱动器2输出的驱动力一般与驱动信号的峰值电压成正比，因此，通过调节驱动电压，可以在较宽的范围内调节疲劳载荷大小。此外，驱动信号的频率和占空比也可在驱动电源6上通过旋钮方便地调节。因此，疲劳载荷大小、频率和载荷谱都可以通过旋钮直接调节，大大简化了试验过程。驱动电源6与计数器7相连，记录下驱动信号中驱动脉冲的数量，换算成疲劳循环周次N；试验结束时，可从计数器读出疲劳寿命。本试验机可实时监控和采集裂纹扩展长度a，借助与摄像头相连的电脑，绘制a-N曲线，得出裂纹扩展速率da/dN。

本试验机的测试方法与传统疲劳试验机的区别在于：本试验机将压电驱动器置于试样内部，因而疲劳载荷可以更为直接地施加于胶粘剂/被粘物界面，可以实现小载荷的精确控制，并且能够实现胶粘结构在环境介质作用下的疲劳，可以更好地模拟胶粘剂的实际服役环境。

实施例1：

压电驱动器2采用单片压电陶瓷，如图4所示，在陶瓷片上下表面涂覆金属电极，制作电极引线。沿着厚度方向对压电陶瓷进行极化，极化方向如图4中箭头所示，压电陶瓷下表面(与胶粘剂粘接表面)的电极引线与驱动电源6的正极相连，压电陶瓷上表面的电极引线与驱动电源6的负极相连。金属电极表面以及电极引线连接处，采用绝缘良好的材料密封。典型地，压电陶瓷选用锆钛酸铅型压电陶瓷(PZT)。施加图5所示的方波，将对胶粘剂/被粘物界面施加拉-拉疲劳载荷。典型的驱动信号参数为，驱动电压40V、信号频率5Hz、占空比1∶2。为提高裂纹长度观测的清晰度，可以在待测试样3表面涂覆特定物质。

实施例2：

压电驱动器2采用双层压电陶瓷结构，如图6所示，两片压电陶瓷21、22上下表面分别涂覆金属电极，制作电极引线并极化后，粘接在一起，形成压电驱动器2。压电陶瓷21、22都是沿着厚度方向极化，粘接时，保证两片陶瓷的极化方向相对，如图6中箭头所示。压电陶瓷22下表面(与胶粘剂粘接表面)的电极引线与驱动电源6的正极相连，压电陶瓷22上表面和压电陶瓷21下表面的电极引线都与驱动电源6的负极相连，压电陶瓷21上表面的电极引线与驱动电源6的正极相连。金属电极表面以及电极引线连接处，采用绝缘良好的材料密封。施加图5所示的方波，将对胶粘剂/被粘物界面施加拉-拉疲劳载荷。