[发明专利]复合应力下微构件高温疲劳性能测试装置及方法

摘要

本发明涉及一种复合应力下微构件高温疲劳性能测试装置及方法，属于精密驱动领域。三个内置封装型压电叠堆的多载荷压电驱动器呈等边三角形拓扑安装形式，通过球面副和转动副的运动传递，其在不同时序电压下的轴向伸长运动对应于被测微尺度构件不同模式的拉伸‑弯曲复合受载形式，即可实现试件其中一夹持端的三自由度高频交变运动。带有规则沟槽结构的拉伸压电驱动器亦可实现较大运动行程的单轴拉伸载荷的预加载。此外，氮化硅加热片嵌入式安装于夹具体的矩形卡槽中，可构建出具有可控温度梯度的服役温度场。本发明结构紧凑，测试内容丰富，可对航空发动机材料等在高温服役环境下的多应力疲劳失效行为进行研究。

主权项

一种复合应力下微构件高温疲劳性能测试装置，其特征在于：包括压电式三自由度加载单元、高温加载及水冷单元、压电式拉伸加载单元、检测单元及支撑单元，其中压电式三自由度加载单元中的多载荷柔性铰链（10）与支撑单元中的转动副（11）为一体，球面副移动端（6）与支撑单元中的球面副固定支架（3）以及球面副活动支架（4）的球形凹面保持球面接触；高温加载及水冷单元中的氮化硅加热片（24）嵌入式安装于压电式拉伸加载单元中的下夹具体（23）和上夹具体（26）的矩形卡槽中，压电式拉伸加载单元中的铰链支撑架（20）通过螺纹连接方式与支撑单元中的固定平台（15）刚性连接；检测单元为三向力传感器（27），其分别通过螺纹连接方式与支撑单元中的传感器法兰（1）以及压电式拉伸加载单元中的上夹具体（26）刚性连接；所述压电式三自由度加载单元包括三个球面副移动端（6）和三个多载荷压电驱动器，每个多载荷压电驱动器由预紧楔形块（7）、预紧螺钉（8）、多载荷封装式压电叠堆（9）和多载荷柔性铰链（10）组成，圆柱形多载荷封装式压电叠堆（9）具有输出位移自检测功能；所述高温加载及水冷单元包括外层水冷管（22）、氮化硅加热片（24）、水冷板（30）、隔热板（31）和导热板（32），其中水冷板（30）、隔热板（31）和导热板（32）固定安装在上夹具体（26）和下夹具体（23）内，氮化硅加热片（24）嵌入式安装在两夹具体的矩形卡槽中，对被测试件（25）进行均布高温加热；所述压电式拉伸加载单元包括拉伸压电驱动器、耐高温隔热棉（16）、平垫片（18）、膨胀螺栓（19）、铰链支撑架（20）、下夹具法兰（21）、下夹具体（23）、试件（25）和上夹具体（26），其中拉伸压电驱动器由拉伸柔性铰链（17）和拉伸封装式压电叠堆（29）组成，拉伸压电驱动器、下夹具法兰（21）、下夹具体（23）和上夹具体（26）采用串联式安装方式，其安装轴线为竖直方向的几何对称轴线；所述检测单元包括传感器法兰（1）、三向力传感器（27）和传感器法兰安装螺钉（28），移动平台（2）的倾覆运动通过三向力传感器（27）和上夹具体（26）传递至被测试件（25），三向力传感器（27）用于检测试件（25）所受的拉伸及弯曲载荷；所述支撑单元包括球面副移动部分和转动副固定部分，其中球面副移动部分由移动平台（2）、球面副固定支架（3）、球面副活动支架（4）和球面副紧固螺钉（5）组成，转动副固定部分由圆锥滚子轴承（12）、转动副螺母（13）、转动轴（14）和固定平台（15）组成，通过球面副活动支架（4）、球面副紧固螺钉（5）和球面副移动端（6）组成的球面副实现移动平台（2）的三自由度运动。