专利名称：土工合成材料双向拉伸蠕变测试仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种土工合成材料双向拉伸蠕变性能测试装置，属于材料性能试验技
术领域。
背景技术：
目前，对于土工合成材料蠕变力学性能的测试，一直采用简单的单向拉伸试验进行，其试验结果与材料在工程使用中的真实应力应变状态相差较大，无法用来准确地反映土工合成材料在长期拉伸荷载作用下的蠕变力学性能。 在相近领域的板壳类材料的拉伸试验中，有进行双向拉伸的实验方法，其中，十字形拉伸法是最直观、最可靠的一种，最能直接反映板壳类材料双向受力状态的方法。十字形拉伸试验装置主要有机械式和液压式两种。机械式双向拉伸试验装置主要是借助于万能试验机来施加荷载，无法实现双轴任意应力应变比例的拉伸，且装置拉伸范围较小，只能做小变形拉伸试验，不适用于土工合成材料产生大变形情况下的测试。液压式双向拉伸试验装置通过液压控制来施加双轴的拉伸荷载，液压控制要保持双轴拉力相等或成一定比例非常困难，尤其进行小吨位拉伸试验时，会产生较大误差；此外，在进行材料长时间的蠕变试验时，液压驱动不能保证拉伸荷载的长期稳定性和可靠性。 土工合成材料蠕变试验通常需要采用较大的试样尺寸以消除边界效应的影响，此外土工合成材料多为柔性材料在拉伸时易产生较大变形，因此要求试验装置有很大范围的拉伸空间，机械式双向拉伸试验装置无法实现大试样大变形的蠕变试验。土工合成材料变形模量较小， 一般只需要小吨位的拉伸荷载，小吨位拉伸试验时使用液压式双向拉伸试验装置时会产生较大误差，并且土工合成材料蠕变试验历时长达数月，液压驱动不能保证拉伸荷载的长期稳定性和可靠性。因此，现有板壳类材料的双向拉伸试验仪器均无法直接用来进行土工合成材料的双向拉伸蠕变试验。

发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种工作效率高、性能稳定，能够满足复杂应力应变路径下双向拉伸大变形蠕变试验的测试仪。 本发明的目的是这样实现的土工合成材料双向拉伸蠕变测试仪，包括主机架平台和设置在所述主机架平台上的十字形拉伸试验装置，十字形试样位于平台中心，其特征在于所述十字形拉伸试验装置包括夹持装置、导向装置、位移传感器和施力装置，所述夹持装置为四组，夹持着放置在所述十字形拉伸试验装置中间的试件的四个边，并分别通过钢索与设置在所述十字形拉伸试验装置的四个端部的施力装置连接；所述导向装置为四组，在拉力荷载的牵引下，四组夹持装置可分别沿着四组导向装置向施力装置方向滑动；所述位移传感器为四组，分别设置在所述夹持装置与所述施力装置之间，位移传感器的一端与固定夹板相连，用来测量试样的拉伸位移，位移传感器的另一端连接到施力装置上，对试样施加拉伸荷载。此加载方法简单、易行，在长期蠕变试验中比用液压和电机驱动的荷载施性。 本发明中的夹持装置的可以选用任何常规的夹具，优选方案为每组夹持装置包 括固定夹板和活动夹板，通过螺栓锚固。 为了使试样在夹持中受力均匀，所述固定夹板和所述活动夹板的夹口为正弦波 形。 本发明中，每组导向装置包括通过滚轮轴座设置在对应夹持装置底端的滚轮，以 及与滚轮配合的导轨。每组导向装置中的滚轮为两个，对称设置在每组夹持装置底端的两 侧；所述导轨为两条，相互之间平行。在对称拉伸荷载作用下，滚轮将沿两个导轨滚动，牵引 着试样在两个主轴方向上变形，试样中心的位置保持不变。 每组位移传感器通过数据线与采集仪表以及装有数据采集软件的计算机相连。在
进行材料的蠕变试验时，数据采集时间间隔长，可以直接在数据采集仪表上读取。在进行材
料瞬时双向拉伸试验时，数据采集时间间隔较短，可将数据采集仪表连接到计算机中的数
据采集软件，软件可自动采集实时位移，并根据施加的拉伸应力绘制应力应变关系曲线。 所述施力装置包括滑轮组和砝码，钢索绕过滑轮组下轴承和滑轮组上轴承后与砝
码连接。通过改变两个方向的砝码重量来实现双轴的任意应力比，竖直向的砝码重力通过
转向滑轮组转变成平台上的水平向拉力。转向滑轮组实现了拉伸应力从竖直向到水平向的
转变，从而为试样在水平向的大变形提供了更多的空间，这样可以减小平台的平面尺寸。比
拉伸荷载和试样变形在同一个方向的拉伸试验装置更适合进行土工合成材料的大变性试验。 为了使试样在双轴方向保持任意的应变比例，实现任意复杂应力应变路径下的双 向拉伸，需要在试验中试样变形达到任意延伸率时对拉伸进行制动，因而在滑轮组上设置 了制动装置。 本发明中的制动装置可以采用本领域中通用的任何合适的制动装置，优选方案 为所述制动装置包括制动盘和偏心制动手柄，所述制动盘由套在滑轮组上轴承的轮轴上 并包住轴承外沿的两片圆形钢盘组成，两片钢盘间设有弹簧使在滑轮组上轴承的外沿未完 全靠拢而是留有狭槽，所述偏心制动手柄按照常规方法设置在滑轮组上轴承的端部。钢索 绕过滑轮组上轴承外沿并位于两片钢盘间的狭槽中，当向上扳动偏心制动手柄时，两片钢 盘间的弹簧受到压縮，两片钢盘就互相靠拢并压紧钢索，从而实现制动。当向下扳动偏心制 动手柄时，两片钢盘间的弹簧回弹，两片钢盘分开，钢索可以绕轴承自由移动，两片钢盘材 料的硬度要小于钢索的硬度，以免制动中对钢索造成损伤。此制动开关可在试验中试样变 形达到任意延伸率时对拉伸进行制动。 为充分利用空间，提高蠕变试验效率，所述主机架平台为上、中、下三层，三个平台 均为关于试样对称的方形框架结构，每层平台大小及结构布置相同，三层平台上的导轨长 度依次减小，充分利用空间，可以同时进行三组试验，互不干扰。三层平台均为角钢连接而 成的方形框架结构。 在试验前要对拉伸荷载进行校核。传递拉伸荷载的钢索缠绕在滑轮组上时会产生 摩擦力，试样夹持及导向装置中的滚轮与导轨之间也存在一定摩擦力。采用如下方式可消 除两种摩擦力带来的误差。首先用位移传感器代替试样，分别连接在同一方向上的两个夹 具上，然后，施加不同重量的砝码，得到各种砝码对应下的真实拉伸力。如此可得到砝码重
4量和拉伸力之间对应的关系曲线。试验中可以按照需要施加的拉伸力来选择对应的砝码重 试验时，首先将试样安装在试验平台中心，在施加小量砝码，使试样处于平面内初 始拉伸状态，并将四个方向上的滑轮组全部制动。然后根据需要的拉伸力来施加对应重量 的砝码，并打开数据采集系统开始记录。最后同时打开各方向的制动开关来实现双向拉伸。 通过选择两个方向上的砝码重量比可以实现不同的拉伸应力比；通过选择试样在两个方向 上达到某一位移比时刻来制动滑轮组可以实现不同的应变比。
本发明的有益效果为 1、本发明装置可实现双向拉伸荷载作用下进行任意复杂应力应变加载路径下的
蠕变试验，比起简单的单向拉伸试验更接近工程实际中的应力应变状态。 2、本发明装置充分利用主机架平台立体空间，设置三层平台可以同时进行三组试
验，互不干扰，有效解决了蠕变试验耗时长，效率低问题。 3、本发明装置中拉伸荷载使用砝码施加，而不是用液压或电机驱动应力加载，这
样在长时间的蠕变试验中，保证拉伸荷载具有较高的长期稳定性和可靠性。 4、本发明装置利用转向滑轮装置将竖直向的砝码重力荷载转变成平台上的水平
拉伸拉力，使试样具有更大的拉伸变形空间，适合进行土工合成材料的大变形双向拉伸试验。


图l为本发明装置主视图。
图2为本发明装置俯视图。 图3为本发明装置中夹持部及导向装置局部示意图。
图4为本发明装置中夹持部及导向装置局部俯视图。
图5为本发明装置中数据测量及采集装置结构示意图。
图6为本发明装置中施力装置结构示意图。
图7为本发明装置中制动装置结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图，通过实施例的方式，对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明
的保护范围不局限于所述实施例。 实施例1 土工合成材料双向拉伸蠕变测试仪，包括主机架平台1和设置在所述主机架平台 1上的十字形拉伸试验装置2，所述主机架平台1为三层，每层平台大小及结构布置相同，所 述十字形拉伸试验装置2包括夹持装置3、导向装置4、位移传感器5和施力装置6 ;
所述夹持装置4为四组，每组夹持装置3包括固定夹板9和活动夹板10，通过螺栓 11锚固；所述固定夹板9和所述活动夹板10的夹口为正弦波形；夹持装置4夹持着放置在 所述十字形拉伸试验装置2中间的试件7的四个边，并分别通过钢索8与设置在所述十字 形拉伸试验装置2的四个端部的施力装置6连接； 所述导向装置4为四组，四组夹持装置3可分别沿着四组导向装置4向施力装置6方向滑动；每组导向装置4包括通过滚轮轴座12设置在对应夹持装置底端的滚轮13，以 及与滚轮13配合的导轨14 ;每组导向装置中的滚轮13为两个，对称设置在固定夹板9底 端的两侧；所述导轨14为两条，相互之间平行； 所述位移传感器5为四组，分别设置在所述夹持装置3与所述施力装置6之间；每 组位移传感器5通过数据线15与采集仪表16以及装有数据采集软件的计算机17相连；
所述施力装置包括滑轮组18， 19和砝码20，钢索8绕过滑轮组下轴承18和滑轮组 上轴承19后与砝码20连接；滑轮组18， 19上还设置有制动装置，所述制动装置包括制动盘 21和偏心制动手柄22，所述制动盘21由套在滑轮组上轴承19的轮轴上并包住轴承外沿的 两片圆形钢盘组成，两片钢盘间设有弹簧使在滑轮组上轴承的外沿未完全靠拢而是留有狭 槽，所述偏心制动手柄22设置在滑轮组上轴承19的端部。
权利要求
土工合成材料双向拉伸蠕变测试仪，包括主机架平台(1)和设置在所述主机架平台(1)上的十字形拉伸试验装置(2)，其特征在于所述十字形拉伸试验装置(2)包括夹持装置(3)、导向装置(4)、位移传感器(5)和施力装置(6)，所述夹持装置(4)为四组，夹持着放置在所述十字形拉伸试验装置(2)中间的试件(7)的四个边，并分别通过钢索(8)与设置在所述十字形拉伸试验装置(2)的四个端部的施力装置(6)连接；所述导向装置(4)为四组，四组夹持装置(3)可分别沿着四组导向装置(4)向施力装置(6)方向滑动；所述位移传感器(5)为四组，分别设置在所述夹持装置(3)与所述施力装置(6)之间。
2. 根据权利要求1所述的土工合成材料双向拉伸蠕变测试仪，其特征在于每组夹持 装置(3)包括固定夹板(9)和活动夹板(IO)，通过螺栓(11)锚固。
3. 根据权利要求2所述的土工合成材料双向拉伸蠕变测试仪，其特征在于所述固定 夹板(9)和所述活动夹板(10)的夹口为正弦波形。
4. 根据权利要求1所述的土工合成材料双向拉伸蠕变测试仪，其特征在于每组导向 装置(4)包括通过滚轮轴座(12)设置在对应夹持装置底端的滚轮(13)，以及与滚轮(13) 配合的导轨(14)。
5. 根据权利要求4所述的土工合成材料双向拉伸蠕变测试仪，其特征在于每组导向 装置中的滚轮(13)为两个，对称设置在每组夹持装置(4)底端的两侧；所述导轨(14)为两 条，相互之间平行。
6. 根据权利要求1所述的土工合成材料双向拉伸蠕变测试仪，其特征在于每组位移传感器(5)通过数据线(15)与采集仪表(16)以及装有数据采集软件的计算机(17)相连。
7. 根据权利要求1所述的土工合成材料双向拉伸蠕变测试仪，其特征在于所述施力 装置包括滑轮组(18,19)和砝码(20)，钢索(8)绕过滑轮组下轴承(18)和滑轮组上轴承 (19)后与砝码(20)连接。
8. 根据权利要求7所述的土工合成材料双向拉伸蠕变测试仪，其特征在于滑轮组 (18,19)上还设置有制动装置。
9. 根据权利要求8所述的土工合成材料双向拉伸蠕变测试仪，其特征在于所述制动 装置包括制动盘(21)和偏心制动手柄(22)，所述制动盘(21)由套在滑轮组上轴承(19)的 轮轴上并包住轴承外沿的两片圆形钢盘组成，两片钢盘间设有弹簧使在滑轮组上轴承的外 沿未完全靠拢而是留有狭槽，所述偏心制动手柄(22)设置在滑轮组上轴承(19)的端部。
10. 根据权利要求1 9中任一权利要求所述的土工合成材料双向拉伸蠕变测试仪，其 特征在于所述主机架平台(1)为三层，每层平台大小及结构布置相同。
全文摘要
本发明提供一种土工合成材料双向拉伸蠕变测试仪，包括主机架平台和设置在所述主机架平台上的十字形拉伸试验装置，所述十字形拉伸试验装置包括夹持装置、导向装置、位移传感器和施力装置，所述夹持装置为四组，夹持着放置在所述十字形拉伸试验装置中间的试件的四个边，并分别通过钢索与设置在所述十字形拉伸试验装置的四个端部的施力装置连接；所述导向装置为四组，四组夹持装置可分别沿着四组导向装置向施力装置方向滑动；所述位移传感器为四组，分别设置在所述夹持装置与所述施力装置之间。本发明装置可实现双向拉伸荷载作用下进行任意复杂应力应变加载路径下的蠕变试验，比起简单的单向拉伸试验更接近工程实际中的应力应变状态。
文档编号G01N3/04GK101776553SQ201019026078
公开日2010年7月14日 申请日期2010年2月5日 优先权日2010年2月5日
发明者吴海民, 姜晓桢, 曹明杰, 束一鸣, 林刚 申请人:河海大学