[发明专利]基于机械差分法的非热稳态力学测试装置及其应用方法

说明书

本发明公开了一种基于机械差分法的非热稳态力学测试装置及其应用方法，该装置包括温控箱、力传感器、下压头机构、上压头机构、横梁和位移测试机构；力传感器、下压头机构、上压头机构和位移测试机构沿竖直方向同轴依次设置，力传感器与下压头机构的底部抵接；位移测试机构沿竖直方向依次贯穿横梁、上压头机构后延伸至与下压头机构抵接。本发明通过在上压头机构和横梁中引入位移测试机构，由位移测试机构配合横梁精确调控上压头与下压头之间的间距，由温控箱调控温度变化，使温度数据、受力数据以及位移数据其中任意一项数据保持恒定，获取另两项数据之间的关系，实现材料在恒位移、恒力、恒温三种情况下响应行为的精确测试。

技术领域

本发明涉及材料测试领域，特别是一种基于机械差分法的非热稳态力学测试装置及其应用方法。

背景技术

特定位移边界条件下，测试试件在热、电、磁、光等作用下的驱动载荷是目前材料评估，结构设计领域亟需解决的问题。如形状记忆合金等用于某些特定展开机构时，需要测试材料在升温相变时能够产生的驱动力；在寒冷地区设计建筑结构时，需要表征冻土等在冻结膨胀时的膨胀力；胶水用于电子器件封装时，需要测试胶水在固结时，胶水产生的收缩力或其在加热条件下，对其粘贴器件能够产生的作用力。但是，现有试验机及相关技术在解决该问题时极具难度，这是因为：传统试验机通常输出的位移响应并不是试件两端的真实位移，试验机通常测试的是横梁的位移，其准确性受横梁刚度、实验机框架刚度、试件上下连接结构刚度的影响；另外，在变温条件，以上结构的热胀冷缩也会影响试件两端位移的精确控制。而现有的位移测试技术，如应变片，也无法实现变温条件下试件的位移控制；引伸计可用于尺寸较大试件的位移控制，但无法用于尺寸较小的试件，并且引伸计也有温度稳定性的问题；光学测量手段如数字图像相关技术，只能用于材料变形测试的后处理，无法与试验机结合实现实时的反馈控制。针对该问题，目前还没有好的解决技术手段。因此发展位移边界条件精确可控条件下，试件在热、电、磁、光等作用下驱动载荷的测试系统，对科研、工业和国家基础建设等领域具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于，提供了一种基于机械差分法的非热稳态力学测试装置及其应用方法，用于解决现有技术难以实现变温条件下对试件端部位移进行精确测量、控制从而影响力学测试效果的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的第一解决方案为：一种基于机械差分法的非热稳态力学测试装置，包括温控箱、力传感器、下压头机构、上压头机构、横梁和位移测试机构；力传感器、下压头机构、上压头机构和位移测试机构沿竖直方向同轴依次设置，力传感器与下压头机构的底部抵接，用于获取受力数据；下压头机构与上压头机构之间设有容纳待测样品的间隙，温控箱环设于待测样品处，用于控制温度并获取温度数据；位移测试机构沿竖直方向依次贯穿横梁、上压头机构后延伸至与下压头机构抵接，用于获取待测样品的位移数据；上压头机构顶部与横梁的底部垂直连接，位移测试机构与横梁的顶部连接，横梁用于控制位移数据或受力数据的变化。

优选的，基于机械差分法的非热稳态力学测试装置还包括框体，温控箱、力传感器、下压头机构、上压头机构、横梁和位移测试机构均设置于框体的内腔中，力传感器的底部与框体的内腔底部抵接，横梁与框体的内腔侧壁滑动连接。

优选的，下压头机构包括沿竖直方向同轴设置的下底座、下管体、下压头座和下压头；下底座的底部与力传感器连接，下管体固定设置于下底座的顶部内腔中，下管体的顶部与下压头座的底部嵌合连接，下压头嵌设于下压头座的顶部；下底座设有第一水冷通道，下管体的内腔通过第一水冷通道同外部水冷装置连通。

优选的，上压头机构包括沿竖直方向同轴设置的上底座、上管体、上压头座和上压头；上底座的顶部与横梁的底部连接，上管体固定设置于上底座的底部内腔中，上管体的底部与上压头座的顶部嵌合连接，上压头嵌设于上压头座的底部，上压头与下压头之间预留有容纳待测样品的间隙，且下压头的上表面与上压头的下表面之间的间距为待测样品的位移数据；上底座设有第二水冷通道，上管体的内腔通过第二水冷通道同外部水冷装置连通。