| 标题 | 基于拉压试验机的一种多功能夹具及其配套试件设计与开发 |
| 范文 | 魏刚 张永 摘 要：设计一种能在拉压试验机上开展剪切及拉剪耦合试验的夹具，辅以试件设计，使其能方便稳定地开展典型板状材料的剪切试验，从而获得材料强度与加载应力状态的关系。 关键词：拉压试验机；剪切试验；拉剪耦合；应力状态 本文主要目的是扩展现有拉压试验机的功能和使用范围，使拉压试验机可以开展剪切和拉剪耦合试验。 现有拉压试验机不方便开展剪切试验，尤其是拉剪耦合加载试验。但在材料力学、飞机结构与强度等课程中都涉及到了不同应力状态下的加载情况，剪切或拉剪耦合加载是必须考虑的问题。现在开设的教学实验主要是拉压试验，很少涉及到其他应力状态的加载试验。为了使学生直观认识不同应力状态下加载试验的区别，有必要开展剪切甚至拉剪耦合试验。但目前的拉压试验机没法开展剪切相关的试验，或者即使能开展，成本也比较高，不适于用在教学中。 基于以上分析，本文旨在设计开发一种多功能夹具，使其能实现不同应力状态的拉剪耦合加载（包括纯剪切）。使用本项目设计开发的多功能夹具，可以方便地实现从剪切到拉伸之间不同应力状态的加载试验，使拉压试验机的基本功能得以扩展。本项目的研究成果可以用在相关课程（例如材料力学、飞机结构与强度等）的实验教学中，有利于学生对材料不同应力状态加载试验区别的直观认识，以及对材料强度、断裂应变等与应力状态关系的深入理解。同时，本文的研究成果也可以为研究生或者教师的相关科研活动提供实验手段支撑，例如可以研究金属板材、复合材料层合板等的强度或断裂应变与应力状态的关系等。 1 夹具及试件设计 1.1 设计思路 首先通过理论研究和文献调研[1-5]，提出初步设计方案，选取一种典型的铝合金试件（最好材料性能参数齐全，例如2A12铝合金[6]），通过数值模拟软件建模分析，验证设想的合理性并进行可能的优化（例如结构应力分布是否均匀，能否达到设计要求等）；在此基础上，加工经改进的夹具结构和配套的试件，并在试验机上进行实际的试验测试，处理实验数据，检查试验结果能否达到预期要求（包括精确性、可重复性等），如果满足要求，则设计过程结束，此时得到的夹具结构即为最终设计结果；如果不满足要求，则需修改设想结构，重新优化，测试并验证，直到满足预期要求。 1.2 设计过程 通过文献调研，初步确定了夹具构型和试件形式，通过数值模拟，改进夹具上的应力分布和试件受力状态，典型的数值计算模型及结果如图1和图2所示。数值模拟中，试件选用2A12铝合金材料[6]，夹具选用调质处理的45钢[7]。从应力云图可以看出，这样设计的试件可以实现中心敏感区域接近均匀受力。 通过数值模拟分析计算，最终确定夹具和试件的形状及尺寸，设计出的夹具及试件CAD加工图纸如图3所示。 加工出的夹具及试件的实物照片如图4所示，图中夹具已经装上了试件。此试件中间部分两侧开槽，最中心厚度1mm，除了开槽部分以外，其它厚度均为3mm。这样设计的目的是，无论沿哪个方向加载，试件均会从中心敏感部分断裂。这就实现了不改变试件形状，而得到不同的加载应力状态。这样做有利于批量加工试件，降低成本，适合于开展教学实验。 1.3 辅助部分设计 设计出的夹具想要连接到拉压试验机上，还需要增加转换头才能实现，针对不同类型的试验机原始夹具，设计出了两种转换头，转换头实物图如图5所示。图5a转换头可以使用销轴与试验机相连（人工施力夹头多是这种连接方式，这样连接有利于对中，使用高强度转换头也有利于实现较大载荷）；图5b转换头可以通过夹持一端与试验机相连（这种更适用于液压施力夹头，拉压试验机上液压夹头通常比较大，拆卸不方便，且液压夹头本身能提供较大的加持力，所以可以用这种转换头，连接更方便），为了提供更大的轴向力，这种转换头使用强度稍低的材料，直径大一些，加持能够更加稳定。 夹具、试件和转换头通过螺栓连接，最终与试验机连接完成，安装到试验机上的状态如图6所示。 2 夹具功能验证 使用设计出的夹具开展铝合金2A12材料的剪切和拉剪耦合试验，试件拉断后的典型形式如图7所示。可以看出，三种应力状态下试件均从中心敏感位置断裂，能够实现预期加载破坏目标。2A12铝合金最大载荷仅为14KN，出现在90度方向，即纯拉伸状态下。2A12材料典型载荷位移曲线如图8所示。 同样的方法，开展了低碳钢剪切和拉剪耦合试验，发现最大载荷同样出现在纯拉伸状态下，达到了32kN。低碳钢典型载荷位移曲线如图9所示。 根据加载角度可以确定敏感区域应力状态，根据载荷可以计算不同加载角度下敏感区域应力值，从而得到材料强度与应力状态的关系。 为了考察夹具的最大承载能力，重新设计了一种能承受大载荷的试件，外观形状与图4中试件一样，但中心区域不再开槽（即整体厚度均为3mm），材料采用调质处理的45钢。实验方式和前面一样，最终当载荷达到42kN时，连接螺栓发生了断裂，试件和夹具本身都没有发生破坏，所以夹具的承载能力肯定大于42KN。对于高强度材料的测试，可以选用更高强度的螺栓，以提高承载能力。 3 小结 本文设计出了一种多功能夹具，能实现从纯剪切到纯拉伸之间不同应力状态下的材料性能测试，夹具的承载能力能满足材料力学教学实验中常用材料的测试要求，可以用在材料力学的教学过程中，以帮助学生更好的理解应力状态对材料强度和断裂的影响。同时，此夾具也可以用在科研中，用以测试金属板材、复合材料层合板等在剪切或拉剪耦合加载下的力学性能。 参考文献： [1]Arcan M， Hashin Z， Voloshin A. A method to produce uniform plane-stress states with applications to fiber-reinforced materials[J]. Experimental Mechanics， 1978， 18（4）：141-146. [2]Cognard J Y， Sohier L， Davies P. A modified Arcan test to analyze the behavior of composites and their assemblies under out-of-plane loadings[J]. Composites Part A Applied Science & Manufacturing， 2011， 42（1）：111-121. [3]Legendre J， CréacHcadec R， Gilbert F， et al. A new method to measure the adhesion capability of the metallic surface under shear loading using a modified Arcan test[J]. Journal of Adhesion， 2017. [4]Valès B， Marguet S， CréacHcadec R， et al. Experimental & numerical study of the Tensile/Compression-Shear Arcan test under dynamic loading[J]. International Journal of Adhesion & Adhesives， 2017， 78：135-147. [5]Malyszko L， Rutkiewicz A. The shear behaviour of pine wood in the Arcan test with the digital image correlation[C]. 2017：00113. [6]张伟，魏刚，肖新科. 2A12铝合金本构关系和失效模型[J].兵工学报， 2013， 34（3）：276-282. [7]魏刚.金属动能弹变形与断裂特性及其机理研究[D].哈尔滨工业大学， 2014. 作者简介：魏刚（1987-），男，汉族，山西古县人，博士，讲师，研究方向：材料力学性能测试。 |
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