用于实现矩形板复杂边界约束的力学测试夹持装置及方法

本发明涉及矩形板的力学测试夹持装置，尤其涉及一种用于实现矩形板复杂边界约束的力学测试夹持装置及方法。

背景技术：

1、金属板材是工程中最为常见的结构类型之一，其广泛应用于汽车、航空航天以及船舶等领域。在船舶行业中，船体结构主要由板材和各种型材构成，从组成船体的船底板、舷侧板、甲板到船体内部分隔空间的舱壁板，板材是船舶制造中金属用量最大的构件。为满足承载要求、实现不同功能，使用的金属板材大多不是简单的平板，需要加工成具有特殊形状、厚度的曲面，涉及到板材成形的内容。

2、板材成形的最基本而常见的方法有四种：剪切、冲压、折弯和拉伸。剪切，通过剪切机将金属板材通过剪切刀的切割进行裁剪成所需的形状和尺寸，可以用手工操作或机械操作，且适用于金属板材的各种厚度。冲压，通过将金属板材放置在冲床上，利用冲头的高速冲击力量，使金属板材形成所需的形状和尺寸。折弯，通过将金属板材利用折弯机的机械力，使其沿着折弯线折叠成所需的形状，目前广泛采用数控折弯机进行自动化操作。拉伸是将金属板材通过拉力的作用在制造模具中拉伸成特定的形状，常用于汽车和航空航天装备的加工过程中。值得注意的是，不管是何种成形方式，在工具及模具的外力作用下来加工、装配和使用金属板材的过程中，实际系统的行为往往偏离理想边界条件，可能导致板材实际变形情况与理想变形情况不同，从而对生产成果、使用效果产生影响，因此准确分析金属板材在非理想边界条件下的实时变形情况对于板材制造的成形环节、乃至最终的工程质量具有重要意义。

3、公开号为cn114577600a，名称为“一种多功能边界约束矩形板力学测试夹持装置”的专利文献，公开了一种可以对矩形板实现边界固支或简支约束的实验装置；公开号为cn115493926a，名称为“一种金属板材双边简支边界加载辅助装置”的专利文献；公开了一种可以对金属板材实现对边简支约束的实验装置；公开号为cn111307431a，名称为“一种四边简支边界条件试验支撑装置”的专利文献，公开了一种可以对矩形板实现四边简支约束的实验装置。但上述三个专利所公开的实验装置均只能对夹持的金属板材实现理想条件下的边界约束，无法在实现矩形板对边固支或简支的情况下，同时在未施加外部载荷的情况下通过使矩形板对边产生小角度扭转以及高度差实现对边的非理想边界条件。

4、然而目前，尚缺乏一种用于实现对薄板施加复杂边界约束的实验装置，可以实现薄板的复杂边界约束，从而模拟薄板在实际成形中的弹塑性变形，为理论探究提供实验验证支撑。

技术实现思路

1、为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供一种用于实现矩形板复杂边界约束的力学测试夹持装置，该装置可以在实现矩形板对边固支的情况下，同时在未施加外部载荷的情况下通过使矩形板对边产生小角度扭转以及高度差实现对边的非理想边界条件，而且该装置结构简单，装卸方便，容易制作，成本低。

2、本发明所采用的技术方案是：

3、一种用于实现矩形板复杂边界约束的力学测试夹持装置，包括装置底座、板材长宽比调节模块、边界高度差调节模块以及边界扭转角度调节模块；

4、所述板材长宽比调节模块安装在装置底座一侧，包括水平滑台组件和第一角座，所述水平滑台组件安装于装置底座上，并能相对装置底座沿水平方向移动，所述第一角座固定安装于水平滑台组件上；

5、所述边界高度差调节模块与板材长宽比调节模块相互平行安装在装置底座另一侧，包括第二角座、竖直滑台组件、水平夹具，所述第二角座固定安装于所述装置底座上，所述竖直滑台组件安装于第二角座上，并能相对第二角座沿竖直方向移动，所述水平夹具固定安装于竖直滑台组件上；实验用矩形板对边的其中一边与水平夹具固定连接实现一边的固支边界条件；

6、所述边界扭转角度调节模块包括扭转夹具和夹具底座，所述夹具底座固定安装于所述第一角座上，所述扭转夹具安装于夹具底座上，且扭转夹具的安装角度能够调节；实验用矩形板对边的另一边与扭转夹具固定连接实现另一边的固支边界条件；

7、通过调节扭转夹具的水平位置以适应不同长宽比的实验用矩形板；通过调节水平夹具的高度实现实验用矩形板对边之间的高度差；通过调节扭转夹具的安装角度实现实验用矩形板对边之间的小角度扭转。

8、上述方案中，所述水平滑台组件包括两个第一直线导轨、两个第一滑块、两个第一限位夹具、第一滑台；两个第一直线导轨水平平行设置，且固定安装于装置底座上；两个第一滑块分别滑动安装于第一直线导轨上，可沿第一直线导轨滑动；两个第一限位夹具分别安装于第一直线导轨上，用于限制第一滑块的水平滑动；所述第一滑台固定安装于两个第一滑块和两个第一限位夹具上；所述第一角座固定安装于第一滑台上。

9、上述方案中，所述竖直滑台组件包括两个第二直线导轨、两个第二滑块、两个第二限位夹具、第二滑台；两个第二直线导轨平行且竖直安装于所述第二角座上；两个第二滑块分别滑动安装于第二直线导轨上，可沿第二直线导轨滑动；两个第二限位夹具分别安装于第一直线导轨上，用于限制第二滑块的水平滑动；所述第二滑台固定安装于两个第二滑块和两个第二限位夹具上；所述水平夹具固定安装于第二滑台上。

10、上述方案中，所述边界高度差调节模块还包括竖直驱动机构，竖直驱动机构的输出端与所述第二滑台固定连接，通过竖直驱动机构驱动第二滑台沿竖直方向移动。

11、上述方案中，所述竖直驱动机构为丝杠传动机构，所述丝杠传动机构竖直安装于所述第二角座上并位于两个第二直线导轨中间；丝杠传动机构包括梯形丝杠、丝杠固定侧支座、丝杠支持侧支座、丝杠螺母、锁紧螺母，所述丝杠固定侧支座和丝杠支持侧支座固定安装于第二角座上，所述梯形丝杠上加工有第一外螺纹和第二外螺纹，其加工有第二外螺纹的一端安装在丝杠固定侧支座上，另一端安装在丝杠支持侧支座上，丝杠螺母配合在梯形丝杠的第一外螺纹上，锁紧螺母安装在梯形丝杠的第二外螺纹上，用于限制梯形丝杠沿竖直方向的轴向移动。

12、上述方案中，限位夹具包括滑体，所述滑体底部开设有垂直于直线导轨的开槽，所述开槽内安装有螺纹柱，所述螺纹柱上安装有两个夹紧块，两个夹紧块分别位于直线导轨两侧，螺纹柱端部设有旋转扳手，通过旋转扳手带动螺纹柱转动，使得螺纹柱上安装的两个夹紧块相互靠近，夹持在直线导轨两侧。

13、上述方案中，所述水平夹具包括第一夹具底板、第一承载板、第一垫片，所述第一夹具底板与竖直滑台组件固定连接，所述第一承载板垂直于第一夹具底板设置并与第一夹具底板固定连接，实验用矩形板对边的其中一边安装在第一承载板与第一垫片之间，并通过紧固件固定连接。

14、上述方案中，所述扭转夹具包括第二夹具底板、第二承载板、第二垫片，所述第二夹具底板与所述夹具底座固定连接，所述第二承载板垂直于第二夹具底板设置并与第二夹具底板固定连接，实验用矩形板对边的另一边安装在第二承载板与第二垫片之间，并通过紧固件固定连接。

15、上述方案中，所述第二夹具底板在第二承载板的两侧分别开设有第一销孔和第二销孔，所述夹具底座一侧开设有与所述第一销孔适配的第三销孔，第二夹具底板的第一销孔与夹具底座的第三销孔对齐后通过第一铰链销固定连接；夹具底座另一侧在以所述第三销孔为圆心的圆弧上开设有若干角度调节销孔，第二夹具底板绕第一铰链销旋转至第二销孔与其中一个角度调节销孔对齐后通过第二铰链销固定连接。

16、相应的，本发明还提出一种矩形板力学测试夹持方法，采用上述用于实现矩形板复杂边界约束的力学测试夹持装置，包括以下步骤：

17、s1、推动板材长宽比调节模块中的第一滑块在第一直线导轨上水平滑动，带动扭转夹具沿第一直线导轨水平移动，调整扭转夹具与水平夹具在水平方向上的间距，以适配不同长宽比的矩形板，并固定扭转夹具与水平夹具在水平方向上的间距不变；

18、s2、通过水平夹具实现对实验用矩形板对边的其中一边的夹持，即实现实验用矩形板一边的固支边界条件；

19、s3、通过扭转夹具实现对实验用矩形板对边的另一边的夹持，即实现实验用矩形板另一边的固支边界条件；

20、s4、通过竖直驱动机构驱动第二滑台沿竖直方向移动，实现搭载在第二滑台上的水平夹具与固定在水平夹具上的实验用矩形板的其中一边沿竖直方向移动，进而调整安装在水平夹具上的实验用矩形板的其中一边与安装在扭转夹具上的实验用矩形板的另一边的在竖直方向上的相对位置，实现实验用矩形板对边之间的不同高度差，然后固定矩形板对边间的高度差不变；

21、s5、调节扭转夹具在夹具底座上的安装角度，使固定在扭转夹具上的实验用矩形板对边的另一边相对于水平方向产生不同角度的夹角，即实现实验用矩形板对边之间不同角度的扭转。

22、基于以上步骤，实现了矩形板对边固支的情况下，同时实现了在未施加外部载荷的情况下通过使矩形板对边产生小角度扭转以及高度差，进而实现了矩形板对边的非理想边界条件。

23、本发明产生的有益效果是：

24、1、本发明夹持装置可通过边界高度差调节模块上的水平夹具与边界扭转角度调节模块上的扭转夹具实现对矩形板对边的夹持，以更简单的结构实现矩形板对边的固支边界条件。此外，可通过板材长宽比调节模块调节水平夹具与扭转夹具之间的距离以适应不同长宽比实验用矩形板的安装；可通过竖直驱动机构带动第二滑台上安装的水平夹具沿竖直方向移动，即使水平夹具相对于扭转夹具产生上下移动，进而实现实验用矩形板对边之间的高度差；可通过使扭转夹具绕第一铰链销产生相对于水平面的不同角度的转角，从而实现实验用矩形板对边之间的小角度扭转。因此本发明可以实现矩形板对边固支的情况下，同时在未施加外部载荷的情况下通过使矩形板对边产生小角度扭转以及高度差实现对边的非理想边界条件。

25、2、本发明结构简单，操作方便，制造运行成本合理，整个装置可以拆卸，方便在不同的地方进行试验和测试，具有一定的便携性。