(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210793747.1 (22)申请日 2022.07.07 (71)申请人 常州大学 地址 213164 江苏省常州市武进区湖塘滆 湖中路21号 (72)发明人 高光藩　 (74)专利代理 机构 南京天翼专利代理有限责任 公司 321 12 专利代理师 汤志武　王秀娟 (51)Int.Cl. G01N 3/08(2006.01) G01N 3/02(2006.01) (54)发明名称 一种高速回转圆盘试样材料力学性能测试 装置及试验方法 (57)摘要 本发明公开了一种高速回转圆盘试样材料 力学性能测试装置及试验 方法， 利用高速回转的 圆盘式样在旋转惯性力的作用下， 材料质点产生 径向位移， 径向位移的大小与转盘几何形状与尺 寸、 转速及转盘材质有关， 以此原理形成材料力 学性能试验 方法并构建试验装置。 该装置可以实 现圆盘试样从初始变形至接近拉伸失稳的变形 全过程的精确测量。 基于所述实验方法， 本发明 还提供一种材料应力应变关系获得方法， 通过将 计算机模拟的UR‑n模拟关系曲线与试验测得的 U* R‑n试验关系曲线进行比较， 根据比较情况修 正应力应变关系数学模型及初始参数， 使得UR‑n 模拟关系曲线不断逼近U* R‑n试验关系曲线， 直 至获得准真实的应力应 变关系。 权利要求书2页 说明书6页 附图2页 CN 115266332 A 2022.11.01 CN 115266332 A 1.一种高速回转圆盘试样材料力学性能测试装置， 其特征在于， 包括试验台底座(2)， 安装在试验台底座(2)上的变频调速电动机(1)、 试验护壳主箱体(11)和试验护壳侧箱体 (7)， 一端通过单个高速轴承(8)可转动安装在试验护壳主箱体(11)中的动力输入轴(5)， 一 端通过两个高速轴承(8)可转动安装在试验护壳侧箱体(7)中的外端支承转轴(9)， 通过中 央区(6‑5)分别与动力输入轴(5)和外端支承转轴(9)的另 一端同轴固定联接的圆盘试样 (6)， 输入端与变频调速电动机(1)连接、 输出端与动力输入轴(5)连接的增速器(3)， 安装在 试验护壳主箱体(11)上用于测量圆盘试样(6)外圆周径向位移的位移传感器(12)， 安装在 试验护壳主箱体(11)上用于测量圆盘试样(6)转速的转速传感器(13)， 与位移传感器(12) 及转速传感器(13)连接的数据采集系统(14)， 以及与数据采集系统(14)连接的计算机 (15)； 数据采集系统(14)同步采集分别由位移传感器(12)和转速传感器(13)产生的模拟信 号， 并转化为数字信号传入计算机(15)， 通过计算机(15)中的软件实施采集的控制以及数 据的保存。 2.根据权利要求1所述的一种高速回转 圆盘试样材料力学性 能测试装置， 其特征在于， 圆盘试样(6)为轴对称结构， 其盘面自外圆周向圆心依次划分有离心区(6 ‑1)、 离心过渡区 (6‑2)、 主变形区(6 ‑3)、 中央过渡区(6 ‑4)及中央区(6 ‑5)； 所述中央区(6 ‑5)主要用于圆盘 试样(6)的悬中支承， 所述主变形区(6 ‑3)主要用于产生径向变形， 所述离心区(6 ‑1)主要用 于产生离心力， 所述离心过渡区(6 ‑2)主要用于连接离心区(6 ‑1)与主变形区(6 ‑3)， 所述中 央过渡区(6 ‑4)主要用于连接主变形区(6 ‑3)与中央区(6 ‑5)。 3.根据权利要求2所述的一种高速回转 圆盘试样材料力学性 能测试装置， 其特征在于， 所述主变形区(6 ‑3)呈厚度均匀的圆环形， 其厚度最薄且面积最大； 所述离心区(6 ‑1)呈厚 度均匀的圆环形， 其厚度大于主变形区(6 ‑3)的厚度且与中央区(6 ‑5)的有效厚度为同数量 级； 所述离心过渡区(6 ‑2)的外圆厚度等于离心区(6 ‑1)的厚度， 内圆厚度等于主变形区(6 ‑ 3)的厚度； 所述中央过渡 区(6‑4)的外圆厚度等于主变形区(6 ‑3)的厚度， 内圆厚度等于中 央区(6‑5)的有效厚度， 所述有效厚度为中央区(6 ‑5)扣除连接段轴向长度后的最小厚度。 4.根据权利要求3所述的一种高速回转 圆盘试样材料力学性 能测试装置， 其特征在于， 主变形区(6 ‑3)的面积为圆盘试样(6)正投影面积的50％～65％， 主变形区(6 ‑3)的面积与 离心区(6 ‑1)的面积的比值为(2.4～2.9)： 1， 主变形区(6 ‑3)的厚度与离心区(6 ‑1)的厚度 的比值为1： (14～ 25)。 5.根据权利要求1所述的一种高速回转 圆盘试样材料力学性 能测试装置， 其特征在于， 试验护壳侧箱体(7)的外侧设有转轴外端盖(10)， 试验护壳主箱体(11)的外侧设有动力转 轴端盖(4)。 6.根据权利要求1所述的一种高速回转 圆盘试样材料力学性 能测试装置， 其特征在于， 圆盘试样(6)与动力输入轴(5)和外端支承转轴(9)可拆卸式连接 。 7.权利要求1～6任意一项所述的一种高速回转圆盘试样材料力学性能测试装置的试 验方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 7.1、 通过控制变频调速电动机(1)， 使圆盘试样(6)的转速从零缓慢增加至设定值， 随 着转速的不 断上升， 圆盘试样(6)的径向位移随之增加， 并在圆盘试样(6)的外圆周处径向 位移达到最大； 在此过程中， 位移传感器(12)测量圆盘试样(6)外圆周的径向位移， 转速传权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115266332 A 2感器(13)测量圆盘试样(6)的转速； 7.2、 数据采集系统(14)同步采集分别由位移传感器(12)和转速传感器(13)产生的模 拟信号， 并转化为数字信号传入计算机(15)， 通过计算机(15)中的软件实施采集的控制以 及数据的保存。 8.基于权利要求7所述试验方法的材料应力应变关系获得方法， 其特征在于， 包括以下 步骤： 8.1、 对由圆盘试样(6)、 动力输入轴(5)和外端支承转轴(9)组成的单转子轴系进行临 界转速分析与评估， 制定 升速方案； 8.2、 制备圆盘试样(6)， 并对圆盘试样(6)的几何尺寸进行精细测量； 8.3、 将制备好的圆盘试样(6)装配到试验台上， 进行径向位移与 转速关系的初步测量， 获得径向位移 ‑转速曲线， 即U* R‑n实验关系曲线； 8.4、 依据所 得径向位移 ‑转速曲线特 征选择应力应 变关系数 学模型及 初始参数； 8.5、 以圆盘试样(6)的真实几何参数建模， 对圆盘试样(6)进行有限元分析， 获得试样 外圆周径向位移 ‑转速关系模拟结果， 即UR‑n模拟关系曲线； 8.6、 将UR‑n模拟关系曲线与U* R‑n试验关系曲线进行比较， 观察是否符合比较判据， 如 果超过允差 ε， 则根据比较情况修正应力应变关系数学模型及初始 参数， 重新进 行圆盘试样 (6)的有限元分析， 使得UR‑n模拟关系曲线不断逼近U* R‑n试验关系曲线， 直至满足比较判 据， 此时的应力应 变关系即为 准真实的应力应 变关系； 其中， UR表示试样外圆周处的径向位移模拟值， n表示试样回转的转速， U* R代表试样外 圆周处的径向位移实测值， ε为设定的允差 。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115266332 A 3