基于拉壓試驗機的一種剪切試件設計及優化

李仲華　余志丹　鄭策　張繼鑫　葉子健　魏剛

摘要：運用有限元數值模擬和實驗相結合的方法，設計一種能在拉壓試驗機上開展剪切性能試驗的試件，使其能方便穩定地開展典型金屬材料的剪切試驗。

關鍵詞：金屬剪切加工；剪切試驗件；拉壓試驗機；數值仿真模擬

本文的主要涉及低速范圍內金屬剪切試驗，主要以有限元數值模擬和實驗室內的拉壓試驗相結合的方法開展研究。針對鋁合金材料的剪切試驗件，首先運用ABAQUS進行數值模擬，然后在拉壓試驗機上開展剪切試驗進行相應的驗證，對獲得的實驗結果中的各變形和斷裂模式進行比較，驗證模擬的有效性，并選取出滿足設計要求的剪切試驗件。

1 剪切試驗件的設計及模擬

1.1 設計思路

在參考了應力集中的剪切應力模型后可知：在金屬內部缺口附近及其向基體過渡的某一個區域內，存在有一個過渡應變場，或稱為協調性應變場，這種應變場的性質是以剪切應變模式存在的，為一個與缺口相關、區域性的、獨立的、主導性剪切應變缺口處的剪應變正相關，也可以說是與缺口的尖銳程度或過度的圓角大小有關，結構突變的程度越大，局部尖端的主導剪應變越嚴重。要設計一種單向拉伸剪切試驗件，就必須通過設計凸凹型試樣和改變加載方向來獲得剪切變形區內的拉剪或壓剪應力狀態，實現單向剪切條件下變形區內心部應力三軸度由負到正的近純剪切成形。首先，我們優先考慮了剪切核心部位的形狀，通過半圓或者尖角來實現最大化的應力集中，其次是試件連接根部的部位，大多采用了較為光滑的過渡，斜向延伸至后方來保持良好的力的傳輸特性。參考了相關的文獻資料和不斷改進設計后，得到了以下幾種初步的模型（如下圖），其中型號為4和5的試件厚度為4mm其余試件厚度均為1mm。

1.2 建模過程

在原有模型的基礎上運用CAE軟件進行了仿真模擬，并不斷優化了剪切試件核心部位的關鍵尺寸。衡量試件剪切性能的主要參數指標是試件剪切核心部位的應力三軸度，應力三軸度又稱三軸應力度，定義為靜水（平均）壓力與Mises等效應力的比值，即σm[]σe。

其中靜水壓力為主應力平均值，即：

σm=1[]3（σ1+σ2+σ3）

Mises等效應力為：

σe=（σ1-σ2）2+（σ2-σ3）2+（σ1-σ3）2[]2

當應力三軸度或靜水壓力的值越趨向于0時，越接近高純度的剪切效果。

有限元模型的建立：首先按圖紙建立幾何模型，然后指定材料特性、分析類型，定義邊界條件、施加載荷，形成具有完整分析屬性的分析模型，最后進行網格劃分。

具體以試件4為例：進入部件模塊，簡歷幾何模型。 進入屬性模塊，完成材料的定義（密度2770kg/m3，楊氏模量717000000000 N/m^2，泊松比0.33），創建截面類型為實體，勻質，完成均勻實體截面屬性的定義，然后把截面屬性賦予整個部件。進入裝配模塊，選擇創造實例再選擇相應部件，創建類型為獨立的實例。進入分析步模塊，創建一個分析步，程序類型為靜力通用，幾何非線性關，設時間長度為50，初始增量步為0.1。進入載荷模塊，在試件一端面施加大小為2500N的表面載荷，在試件另一端面施加完全固定的邊界條件。進入網格模塊，近似全局種子尺寸為0.004，剪切帶區域設為為邊布種，近似單元尺寸為0.0005，網格控制屬性對話框中選擇單元形狀為四面體，技術為自由，單元類型是C3D10.進入作業模塊，創建作業開始分析，各試件仿真情況如圖所示。其中，個別模型由于剪切關鍵位置的形狀設計不合理導致了非預期位置的剪切力的增大，使試件未發生斷裂失效，無法完成純剪切。其效果圖如下所示：

當剪切應力分布均勻，剪切關鍵部位應力云圖顯示為一條紅色的高亮區域帶時，試件剪切效果良好，達到預期設計要求，有限元分析圖如下所示：

在可視化模塊，選擇創建XY數據/ODB場變量輸出，在彈出的對話框中選擇變量/S/Mises和Pressure，并選擇剪切帶區域若干個單元。根據應力三軸度=平均應力/等效應力，選擇創建XY數據/操作XY數據，則通過Pressure/Mises可得應力三軸度如圖，應力三軸度接近0。

2 實驗驗證過程及結果

2.1 實驗設置和概況

剪切試驗在電子萬能試驗機上進行，該拉壓試驗機型號為UTM6104（最大試驗力為10kN，功率0.4kw準確度等級0.5），整個實驗裝置設置如下圖所示。

具體的實驗步驟如下：

（1）將五種試件分別編號1～5，每種試件進行多次試驗并選取最具代表性的；

（2）測量試件的長度和剪切橫截面尺寸；

（3）按圖示放置位移引伸計，調整試驗機上、下夾頭的距離至適合高度，用擺錘檢查上、下V型槽是否錯位，確保沒有錯位后將試件裝入V型槽內；

（4）試驗件豎直放置，設定拉力大小，拉伸速率2mm/min后控制計算機開始實驗；

（5）實驗結束后，逐級卸掉載荷，仔細觀察試件斷面。

2.2 實驗結果

進入實驗階段的試件模型在進行有限元仿真模擬時應力三軸度都接近于零，但只有型號為4和5的試件發生剪切斷裂，且斷裂面平整，整體符合設計要求。型號為1、2、3的試件因為試件材料屬性、加工精度過低以及剪切應力分布不均勻等原因沒有發生斷裂失效，與仿真模擬的結果基本一致。各試件試驗后的斷面情況如圖所示：

實驗過程中獲得的載荷—位移曲線如圖所示：

3 總結

通過CAE數值模擬和實驗驗證，得到了兩種能夠進行純剪切試驗的試件（編號4和5），可以在萬能拉壓試驗機上方便穩定地開展典型金屬材料的剪切試驗，并獲得剪切性能相關參數。

指導教師：魏剛

參考文獻：

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