复杂载荷下的反复弯曲试验设备及方法

摘要

一种复杂载荷下的反复弯曲试验设备及方法，属于检测技术领域。该设备包括：支撑系统，作为系统框架；拉伸加载系统，具有两个夹紧装置，通过将试样两端固定到所述夹紧装置而对试样进行拉伸加载；弯曲加载系统，具有弯曲辊，试样通过弯曲辊形成的S形弯曲通道，以实现对试样进行弯曲加载且不改变施加到试样两端的拉伸载荷；调整系统，用来调整弯曲辊之间距离；和控制系统，拉伸加载系统和弯曲加载系统分别与控制系统连接并被其控制，以使得拉伸加载和弯曲加载独立可控，弯曲加载系统对固定于拉伸加载系统的试样目标区域进行反复弯曲，以使得拉伸和弯曲过程同时加载且断裂破坏在目标区域。本发明还介绍了通过该设备进行复杂载荷下反复弯曲的试验方法。

说明书

技术领域

本发明属于检测技术领域，特别是涉及一种复杂载荷下的反复弯曲试验设备及方法，通过带状试样在复杂载荷下的反复弯曲试验，进行材料在复杂载荷下反复弯曲性能的测试。

背景技术

反复弯曲试验是评价薄板或者薄带反复弯曲条件下塑性变形能力的一种重要方法。

如图1所示，传统的反复弯曲试验多是采用将试样61的一端固定，其余部分穿入摇臂83上的突起82中，其中摇臂83固定在工作台上并可绕固定轴旋转，试验过程中转动摇臂83使试样61绕规定半径的支座81弯曲，再沿相反方向转动摇臂83的反复弯曲试验方法，该方法可测定材料反复弯曲过程中的塑性变形能力。

上述方法的不足在于其仅能测试材料在自由状态下的弯曲性能。工程中材料常常是在复杂载荷情况下进行的反复弯曲，如在恒定或者周期载荷形式下进行的反复弯曲。而在载荷作用下，材料的反复弯曲性能会发生很大的变化。

为测试材料在载荷情况下的双向弯曲性能，近来一些方法试图在试样两端进行加载，例如申请号为200720074944.9的实用新型专利描述了一种带钢弯曲试验装置，其通过重力和弹簧力的共同作用，实现载荷下带钢的反复弯曲试验。

上述方法的不足在于当钢带在活动辊的作用下发生弯曲时，由于受到张力作用弹簧的长度会发生变化，弯曲过程中加载载荷的变化受到弹簧胡克定律的限制，即加载方式单一且弯曲加载与拉伸加载相互干扰。其次，上述方法通过两对固定辊夹持钢带，在双向弯曲试验过程中，夹持部分同时也在发生弯折，材料的破坏有可能发生在夹持部分，而造成试验结果失效。

此外，现有弯曲试验设备中都配套有不同曲率半径的弯曲模(例如传统方法中的支座81或申请号为200720074944.9实用新型专利中不同直径的活动辊3)。为测定不同弯曲半径下的性能，必须根据需要更换弯曲模。成套的弯曲模会增加设备成本，同时试验中换模会增加试验时间和复杂性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复杂载荷下的反复弯曲试验设备及方法，克服上述不足，使得反复弯曲试验能够模拟材料在工程实际情况下进行反复弯曲的状态。实现了：1)拉伸载荷和弯曲载荷可以独立可控的进行加载；2)拉伸载荷不受弯曲过程影响；3)材料的破坏发生在目标区域；4)开发能满足不同试验需求的弯曲模，节省成本和试验时间并简化试验。

本发明的设备包括：支撑系统，作为系统框架；拉伸加载系统，具有两个夹紧装置，通过将试样的两端分别固定到所述夹紧装置而对试样进行拉伸加载；弯曲加载系统，具有弯曲辊，试样通过弯曲辊形成的“S”形弯曲通道，以实现对试样进行弯曲加载且不改变施加到试样两端的拉伸载荷；调整系统，用来调整弯曲辊之间的距离；和控制系统，拉伸加载系统和弯曲加载系统分别与控制系统连接并被其控制，以使得拉伸加载和弯曲加载过程独立可控，其中，弯曲加载系统对固定于拉伸加载系统的试样的目标区域进行反复弯曲，以使得拉伸和弯曲同时加载且断裂破坏发生在目标区域内。

优选地，弯曲加载系统还包括弯曲工作台、弯曲工作台丝杠、连接装置和滑槽，工作台沿丝杠运动，以使得试样沿“S”形通道移动来实现反复弯曲。

优选地，夹紧装置中的至少一个在控制系统作用下施加拉伸载荷。

优选地，调整系统包括调整杆、调整装置和固定装置，通过调整装置改变在滑槽内且与连接装置相连的弯曲辊之间的距离，使得试样不在夹紧装置处发生弯折，而仅在经过弯曲辊时发生弯曲。

优选地，所述设备具有至少两个弯曲辊。

优选地，支撑系统包括横梁和立柱，该立柱作为弯曲工作台运动的导向装置。

优选地，控制系统包括弯曲电机传动装置、弯曲电机、拉伸执行机构、控制器。

优选地，弯曲辊具有圆形横截面。

优选地，弯曲辊具有凸轮状截面，凸轮状截面被设计有多种曲率半径的圆弧，其角度可调，以使得试样在不同弯曲半径下发生反复弯曲，凸轮状弯曲辊角度通过锁紧装置定位确定。

本发明的另一目的是提供一种通过上述弯曲设备来进行模拟材料在复杂载荷下发生反复弯曲的试验方法，其包括以下步骤：

(1)试样制备：将被测材料加工成带状试样，试样制备过程需确保被测试部分位于试样的目标区域，即试样的中部；

(2)选取弯曲辊半径：根据试验需要，确定合适的弯曲半径，选取相应的弯曲辊，其中所选取的弯曲辊半径可以是相同的，也可以是不同的；

(3)弯曲辊定位：将第一弯曲辊、第二弯曲辊安装在弯曲工作台的滑槽中，通过连接装置和调整装置调整两个弯曲辊之间的距离，使得试样两端位于邻近夹紧装置的轴线上；

(4)穿带：将带状试样穿过弯曲辊使其形成“S”形，并将试样两端与夹紧装置相联；

(5)设定程序：以弯曲工作台在上、下极限位置的一次往复为周期，将带状试样的所期望的受力状态输入控制器，并设定程序结束状态，如指定循环次数或直至折断记录次数等；

(6)对试样进行反复弯曲：执行程序，在复杂载荷情况下完成带状试样的反复弯曲，直至结束。

优选地，该方法中所涉及到的试样是均匀的单一材质。

优选地，该方法中所涉及到的试样是带有焊缝和涂层的材料。

优选地，该方法用于薄板在负载载荷下的双向弯曲性能测试。

附图说明

图1为传统反复弯曲方法的示意图。

图2为根据本发明第一实施例的反复弯曲试验设备的示意图。

图3为图2的反复弯曲试验设备中的弯曲工作台32到达上极限位置时整个系统部件相对位置示意图。

图4为图2的反复弯曲试验设备中的弯曲工作台32到达下极限位置时整个系统部件相对位置示意图。

图5为试样61在整个长度上经受的不同受力状态区间示意图。

图6为本发明第二实施例中第一弯曲辊36、第二弯曲辊37结构和位置示意图，第二实施例中的弯曲辊36、37具有凸轮状截面。

具体实施方式

以下说明中用到的术语“水平”、“竖直”、“上下”等都只是为了示例性地描述本发明的实施方式，而不意图限定本发明的具体方位。

下面结合附图2进行进一步描述：

复杂载荷下的反复弯曲试验设备，包括支撑系统1、拉伸加载系统2、弯曲加载系统3、调整系统4和控制系统5。

支撑系统1包括横梁11和立柱12。其中，横梁11由刚性材料制成，在本实施例中被水平地安置，在受力情况下不发生弯曲变形。立柱12由刚性材料制成，在本实施例中沿竖直方向安置，支撑着横梁11；同时，立柱12可作为弯曲工作台32的导向装置，其表面被加工成摩擦系数低的光滑表面，弯曲工作台32可以沿着立柱上下自由滑动。

拉伸加载系统2包括第一夹紧装置21、第二夹紧装置22和拉伸工作台23。在本实施例中，拉伸加载系统2具有两个夹紧装置21和22，分别用于夹持带状试样61的两端。其中，第一夹持装置21固定在横梁11上，第二夹持装置固定在拉伸工作台23上，且两者在水平方向偏移一距离L。在本实施例中，拉伸工作台23水平地放置。

弯曲加载系统3包括第一弯曲辊36、第二弯曲辊37、弯曲工作台32、弯曲工作台丝杠33、连接装置34和滑槽35。弯曲辊36、37置于弯曲工作台32的滑槽35中，并通过诸如轴承这样的连接机构与连接装置34相联。弯曲工作台32与弯曲工作台丝杠33相联，随着弯曲工作台丝杠33旋转，弯曲工作台32在立柱12的导向作用下，沿着竖直方向运动。根据本发明，弯曲辊36、37的数量至少为两个，以使得在弯曲辊36、37之间形成至少一个“S”形弯曲通道。弯曲加载期间，两端夹持在夹紧装置21、22上的带状试样61经由转动弯曲辊36、37形成“S”形弯曲。在本实施例中，当弯曲工作台32往复运动时，使得试样61上的一段区间经历两个弯曲辊的弯曲，即通过弯曲工作台的往复运动使得试样61在“S”形通道中运动以实现反复弯曲。其中，试样61发生双向弯曲的区域被称为目标区域。需要指出的是，为满足不同弯曲半径下反复弯曲的需要，通常设备要提供一系列具有不同半径的弯曲辊。选择相同半径的第一弯曲辊36和第二弯曲辊37成套使用，可实现相同半径下对称的反复弯曲；选择不同半径第一弯曲辊36和第二弯曲辊37成套实用，可实现两个弯曲方向弯曲半径不同的双向弯曲，以满足特殊的现场弯曲情况，如用于轧钢生产线的弯曲情况模拟。

调整系统4包括调整杆41、调整装置42和固定装置43。调整系统的作用是：通过调整弯曲辊36、37之间的距离，使得试样61从第一夹紧装置21和第二夹紧装置22伸出的部分位于试样相邻端部被夹持部分的延长线上，试样61被夹持部位在加载期间不发生弯折，确保试样的破坏发生在反复弯曲的目标区域。在本实施例中，为实现上述调整目的，连接至弯曲工作台32上的固定装置43具有内螺纹；调整杆具有外螺纹，其外螺纹与固定装置43的内螺纹相配合；与弯曲辊36、37相连的连接装置34被设计为中空结构，并且其内径大于调整杆螺纹半径，以使得调整杆可以穿过连接装置；调整装置42为具有内螺纹结构，可与调整杆的外螺纹相配合。调整时，先用固定装置43将调整杆42固定，然后再通过调整装置42将各弯曲辊36、37锁紧。在本实施例中，定义第一弯曲辊半径为R1，第二弯曲辊半径为R2，两弯曲辊轴心之间的距离为L1，为满足上述要求，需确保R1+L1+R2＝L，且试样61从加紧装置21伸出的部分位于试样相邻端部被夹持部分的延长线上(如图2所示)。

控制系统5包括弯曲电机传动装置51、弯曲电机52、拉伸执行机构53和控制器54。拉伸执行机构53与拉伸工作台23相联，在本实施例中拉伸执行机构53为液压机构。随着拉伸执行机构的运动，拉伸工作台可上下移动。弯曲电机52通过弯曲电机传动装置51与弯曲工作台丝杠33相联。弯曲电机52与拉伸执行机构53均与控制器54相联。控制系统中的传动装置51可以是链条、齿轮、皮带等传统机构，但需要说明的是为保证加载精度，传动装置51需要与电机轴、丝杠等同步运动，具有避免打滑的特性。控制器54的作用是控制弯曲电机52的速度和拉伸执行机构53的张力。通过控制拉伸执行机构53，使得夹持在两个夹紧装置21和22之间且穿过弯曲辊36、37的带状试样61受到不同形式的张力的作用，如恒定载荷、周期T1载荷等。通过控制弯曲电机54，可以使得弯曲工作台32上下往复运动，从而使得经过两个弯曲辊36、37的试样61受到反复弯曲作用。通过调整弯曲电机52，可改变弯曲的周期T2。当控制系统5保持拉伸力恒定，可实现恒定载荷下的反复弯曲试验；当控制系统5控制拉伸载荷大小、周期T1和弯曲周期T2，并配合使用不同半径的弯曲辊36、37，可实现上述各种复杂载荷下的反复弯曲试验。控制系统5通过拉伸工作台23和夹紧装置21、22将张力加载至试样61；同时，控制系统5通过弯曲工作台丝杠33、弯曲工作台32将弯曲作用至试样61。

图3和图4分别示出了弯曲工作台32达到上极限位置和下极限位置时整个设备的部件所处的位置。

根据试样61在整个循环过程中经历的不同弯曲形式，将试样61的受力状态进行分类。如图5所示，根据受力状态的不同，由上至下将第一夹紧装置21和第二夹紧装置22之间的试样61分为71-75五个区间。弯曲工作台32在上、下极限位置之间的一个往返工作循环周期内，区间71和75未产生任何弯曲，为纯拉伸区；区间72和74内的各点发生了两次弯曲，且弯曲方向相同，即发生了单向弯曲；区间73内的各点发生了四次弯曲，且每个单程(半个周期)中的弯曲方向相反，即发生了反复弯曲。考察带状试样61在71-75中各段的力学行为，由于73区域内钢带的弯曲次数多，且弯曲形式为双向弯曲，因此为材料最容易被破坏的环节，也是本设备及方法所考证的目标区域。

本发明所述设备可以实现对带状试样、涂层试样及带有焊缝的带状试样在复杂载荷下的反复弯曲性能进行检测，对带有焊缝的试样进行测试时，有利地，需要将焊缝置于有效检测区间73内。

需要说明的是，本发明所述实施例中的弯曲辊36、37数量为两个，实际使用过程中根据弯曲形式所需的弯曲辊数量可多于两个。

本发明第二实施例中，弯曲辊36、37被设计为截面为凸轮状的弯曲辊，其它部分与第一实施例相似。为简化说明，第二实施例中仅给出第一弯曲辊36、第二弯曲辊37结构和位置示意图(图6)，其余部分省略。同样地，为简化说明，图6中所示本实施例的凸轮状弯曲辊上具有两段曲率半径不同的圆弧，分别为r1和r2，弯曲辊36和37设计有围绕弯曲辊轴中心分布的多个定位孔93，改变弯曲辊凸轮的角度并用如销钉等锁紧装置95插入定位孔93中固定，可选择不同的弯曲半径。如需要选择不同弯曲半径时，仅需要改变第一弯曲辊36、第二弯曲辊37的角度并用锁紧装置95定位即可。根据实际需要，弯曲辊36、37凸轮的半径可以设计为更多个，通过这种方式可以代替第一实施例中的一系列不同半径的弯曲辊36、37，从而节约配件成本和换辊时间。

根据本发明所述设备，提出使带状试样61在第一弯曲辊36、第二弯曲辊37形成的“S”形通道中运动，通过控制试样拉伸及弯曲载荷，实现试样在复杂载荷方式下反复弯曲的试验方法。

本发明所描述的复杂载荷下反复弯曲试验方法的步骤为：

(1)试样制备：将被测材料加工成带状试样61，试样制备过程需确保被测试部分位于试样61的目标区域73，即试样的中部；

(2)选取弯曲辊半径：根据试验需要，确定合适的弯曲半径，选取相应的第一弯曲辊36、第二弯曲辊37，其中所选取的第一弯曲辊36、第二弯曲辊37半径可以是相同的，也可以是不同的；

(3)弯曲辊定位：将第一弯曲辊36、第二弯曲辊37安装在弯曲工作台32的滑槽35中，通过连接装置34和调整装置42调整两个弯曲辊之间的距离，使得试样61的两端位于邻近夹紧装置21、22的轴线上；

(5)设定程序：以弯曲工作台在上、下极限位置的一次往复为周期，将带状试样61的所期望的受力状态输入控制器54，并设定程序结束状态，如指定循环次数或直至折断记录次数等；

(6)对试样进行反复弯曲：执行程序，在复杂载荷情况下完成带状试样61的反复弯曲，直至结束。

优选地，该方法中所涉及到的试样61是均匀的单一材质。

优选地，该方法中所涉及到的试样61是带有焊缝和涂层的材料。

优选地，该方法用于薄板在负载载荷下的双向弯曲性能测试。

尽管已通过示例描述了本发明，但对于本领域的技术人员显而易见的是，以上本实施例仅出于阐释本发明的目的而并非限制本发明，本领域的技术人员可以在不偏离由所附权利要求限定的本发明精神和范围的情况下做出各种修改、改变和替换。