基于拉壓試驗(yàn)機(jī)的一種多功能夾具及其配套試件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

魏剛 張永

摘 要：設(shè)計(jì)一種能在拉壓試驗(yàn)機(jī)上開(kāi)展剪切及拉剪耦合試驗(yàn)的夾具，輔以試件設(shè)計(jì)，使其能方便穩(wěn)定地開(kāi)展典型板狀材料的剪切試驗(yàn)，從而獲得材料強(qiáng)度與加載應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：拉壓試驗(yàn)機(jī)；剪切試驗(yàn)；拉剪耦合；應(yīng)力狀態(tài)

本文主要目的是擴(kuò)展現(xiàn)有拉壓試驗(yàn)機(jī)的功能和使用范圍，使拉壓試驗(yàn)機(jī)可以開(kāi)展剪切和拉剪耦合試驗(yàn)。

現(xiàn)有拉壓試驗(yàn)機(jī)不方便開(kāi)展剪切試驗(yàn)，尤其是拉剪耦合加載試驗(yàn)。但在材料力學(xué)、飛機(jī)結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度等課程中都涉及到了不同應(yīng)力狀態(tài)下的加載情況，剪切或拉剪耦合加載是必須考慮的問(wèn)題。現(xiàn)在開(kāi)設(shè)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)主要是拉壓試驗(yàn)，很少涉及到其他應(yīng)力狀態(tài)的加載試驗(yàn)。為了使學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)不同應(yīng)力狀態(tài)下加載試驗(yàn)的區(qū)別，有必要開(kāi)展剪切甚至拉剪耦合試驗(yàn)。但目前的拉壓試驗(yàn)機(jī)沒(méi)法開(kāi)展剪切相關(guān)的試驗(yàn)，或者即使能開(kāi)展，成本也比較高，不適于用在教學(xué)中。

基于以上分析，本文旨在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種多功能夾具，使其能實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)力狀態(tài)的拉剪耦合加載（包括純剪切）。使用本項(xiàng)目設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的多功能夾具，可以方便地實(shí)現(xiàn)從剪切到拉伸之間不同應(yīng)力狀態(tài)的加載試驗(yàn)，使拉壓試驗(yàn)機(jī)的基本功能得以擴(kuò)展。本項(xiàng)目的研究成果可以用在相關(guān)課程（例如材料力學(xué)、飛機(jī)結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度等）的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，有利于學(xué)生對(duì)材料不同應(yīng)力狀態(tài)加載試驗(yàn)區(qū)別的直觀認(rèn)識(shí)，以及對(duì)材料強(qiáng)度、斷裂應(yīng)變等與應(yīng)力狀態(tài)關(guān)系的深入理解。同時(shí)，本文的研究成果也可以為研究生或者教師的相關(guān)科研活動(dòng)提供實(shí)驗(yàn)手段支撐，例如可以研究金屬板材、復(fù)合材料層合板等的強(qiáng)度或斷裂應(yīng)變與應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系等。

1 夾具及試件設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

首先通過(guò)理論研究和文獻(xiàn)調(diào)研[1-5]，提出初步設(shè)計(jì)方案，選取一種典型的鋁合金試件（最好材料性能參數(shù)齊全，例如2A12鋁合金[6]），通過(guò)數(shù)值模擬軟件建模分析，驗(yàn)證設(shè)想的合理性并進(jìn)行可能的優(yōu)化（例如結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布是否均勻，能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求等）；在此基礎(chǔ)上，加工經(jīng)改進(jìn)的夾具結(jié)構(gòu)和配套的試件，并在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行實(shí)際的試驗(yàn)測(cè)試，處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，檢查試驗(yàn)結(jié)果能否達(dá)到預(yù)期要求（包括精確性、可重復(fù)性等），如果滿足要求，則設(shè)計(jì)過(guò)程結(jié)束，此時(shí)得到的夾具結(jié)構(gòu)即為最終設(shè)計(jì)結(jié)果；如果不滿足要求，則需修改設(shè)想結(jié)構(gòu)，重新優(yōu)化，測(cè)試并驗(yàn)證，直到滿足預(yù)期要求。

1.2 設(shè)計(jì)過(guò)程

通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，初步確定了夾具構(gòu)型和試件形式，通過(guò)數(shù)值模擬，改進(jìn)夾具上的應(yīng)力分布和試件受力狀態(tài)，典型的數(shù)值計(jì)算模型及結(jié)果如圖1和圖2所示。數(shù)值模擬中，試件選用2A12鋁合金材料[6]，夾具選用調(diào)質(zhì)處理的45鋼[7]。從應(yīng)力云圖可以看出，這樣設(shè)計(jì)的試件可以實(shí)現(xiàn)中心敏感區(qū)域接近均勻受力。

通過(guò)數(shù)值模擬分析計(jì)算，最終確定夾具和試件的形狀及尺寸，設(shè)計(jì)出的夾具及試件CAD加工圖紙如圖3所示。

加工出的夾具及試件的實(shí)物照片如圖4所示，圖中夾具已經(jīng)裝上了試件。此試件中間部分兩側(cè)開(kāi)槽，最中心厚度1mm，除了開(kāi)槽部分以外，其它厚度均為3mm。這樣設(shè)計(jì)的目的是，無(wú)論沿哪個(gè)方向加載，試件均會(huì)從中心敏感部分?jǐn)嗔选＿@就實(shí)現(xiàn)了不改變?cè)嚰螤睿玫讲煌募虞d應(yīng)力狀態(tài)。這樣做有利于批量加工試件，降低成本，適合于開(kāi)展教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

1.3 輔助部分設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)出的夾具想要連接到拉壓試驗(yàn)機(jī)上，還需要增加轉(zhuǎn)換頭才能實(shí)現(xiàn)，針對(duì)不同類型的試驗(yàn)機(jī)原始夾具，設(shè)計(jì)出了兩種轉(zhuǎn)換頭，轉(zhuǎn)換頭實(shí)物圖如圖5所示。圖5a轉(zhuǎn)換頭可以使用銷軸與試驗(yàn)機(jī)相連（人工施力夾頭多是這種連接方式，這樣連接有利于對(duì)中，使用高強(qiáng)度轉(zhuǎn)換頭也有利于實(shí)現(xiàn)較大載荷）；圖5b轉(zhuǎn)換頭可以通過(guò)夾持一端與試驗(yàn)機(jī)相連（這種更適用于液壓施力夾頭，拉壓試驗(yàn)機(jī)上液壓夾頭通常比較大，拆卸不方便，且液壓夾頭本身能提供較大的加持力，所以可以用這種轉(zhuǎn)換頭，連接更方便），為了提供更大的軸向力，這種轉(zhuǎn)換頭使用強(qiáng)度稍低的材料，直徑大一些，加持能夠更加穩(wěn)定。

夾具、試件和轉(zhuǎn)換頭通過(guò)螺栓連接，最終與試驗(yàn)機(jī)連接完成，安裝到試驗(yàn)機(jī)上的狀態(tài)如圖6所示。

2 夾具功能驗(yàn)證

使用設(shè)計(jì)出的夾具開(kāi)展鋁合金2A12材料的剪切和拉剪耦合試驗(yàn)，試件拉斷后的典型形式如圖7所示。可以看出，三種應(yīng)力狀態(tài)下試件均從中心敏感位置斷裂，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期加載破壞目標(biāo)。2A12鋁合金最大載荷僅為14KN，出現(xiàn)在90度方向，即純拉伸狀態(tài)下。2A12材料典型載荷位移曲線如圖8所示。

同樣的方法，開(kāi)展了低碳鋼剪切和拉剪耦合試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)最大載荷同樣出現(xiàn)在純拉伸狀態(tài)下，達(dá)到了32kN。低碳鋼典型載荷位移曲線如圖9所示。

根據(jù)加載角度可以確定敏感區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)載荷可以計(jì)算不同加載角度下敏感區(qū)域應(yīng)力值，從而得到材料強(qiáng)度與應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系。

為了考察夾具的最大承載能力，重新設(shè)計(jì)了一種能承受大載荷的試件，外觀形狀與圖4中試件一樣，但中心區(qū)域不再開(kāi)槽（即整體厚度均為3mm），材料采用調(diào)質(zhì)處理的45鋼。實(shí)驗(yàn)方式和前面一樣，最終當(dāng)載荷達(dá)到42kN時(shí)，連接螺栓發(fā)生了斷裂，試件和夾具本身都沒(méi)有發(fā)生破壞，所以?shī)A具的承載能力肯定大于42KN。對(duì)于高強(qiáng)度材料的測(cè)試，可以選用更高強(qiáng)度的螺栓，以提高承載能力。

3 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)出了一種多功能夾具，能實(shí)現(xiàn)從純剪切到純拉伸之間不同應(yīng)力狀態(tài)下的材料性能測(cè)試，夾具的承載能力能滿足材料力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用材料的測(cè)試要求，可以用在材料力學(xué)的教學(xué)過(guò)程中，以幫助學(xué)生更好的理解應(yīng)力狀態(tài)對(duì)材料強(qiáng)度和斷裂的影響。同時(shí)，此夾具也可以用在科研中，用以測(cè)試金屬板材、復(fù)合材料層合板等在剪切或拉剪耦合加載下的力學(xué)性能。

參考文獻(xiàn)：

[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]張偉，魏剛，肖新科. 2A12鋁合金本構(gòu)關(guān)系和失效模型[J].兵工學(xué)報(bào)， 2013， 34（3）：276-282.

[7]魏剛.金屬動(dòng)能彈變形與斷裂特性及其機(jī)理研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2014.

作者簡(jiǎn)介：魏剛（1987-），男，漢族，山西古縣人，博士，講師，研究方向：材料力學(xué)性能測(cè)試。