增材制造鋁合金接頭構(gòu)件靜力試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

宋欣， 劉桐言， 年樂奇， 溫順達(dá)

（1.哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院，哈爾濱 150080；2.中國(guó)商飛北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心，北京 102211）

0 引言

增材制造（Additive Manufacturing，AM）技術(shù)也稱為3D打印技術(shù)，采用材料逐層堆積的方式制造出復(fù)雜構(gòu)型的實(shí)體零件，結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)可以大幅降低傳統(tǒng)方式設(shè)計(jì)和制造的零件質(zhì)量，使其在航空航天、機(jī)械、醫(yī)療和汽車等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。而增材制造工藝，尤其是金屬零件的增材制造，尚存在一些基礎(chǔ)問題，從而限制了其應(yīng)用，需要針對(duì)不同打印材料、打印工藝和構(gòu)件力學(xué)性能之間的影響關(guān)系，開展廣泛的試驗(yàn)研究，其中，靜力試驗(yàn)在試驗(yàn)驗(yàn)證體系中起到重要作用[5-7]。本文以增材制造的鋁合金接頭為研究對(duì)象，并依據(jù)給定的工況條件設(shè)計(jì)了靜力試驗(yàn)方案并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，可為其它增材制造零件靜力驗(yàn)證方案的設(shè)計(jì)提供理論參考和技術(shù)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)工況要求與試驗(yàn)設(shè)備

1.1 靜力驗(yàn)證的工況要求

增材制造鋁合金接頭樣件外形尺寸約為219 mm×172 mm×108 mm，外形如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)件外形

AlSi10Mg材料屬性表如表1所示。

表1 AlSi10Mg材料屬性表

如圖2所示，工作載荷作用于耳片處，大小為60 000 N，斜向上方向與底部面板成30°夾角，接頭底部螺栓孔全部固支約束。

圖2 接頭靜強(qiáng)度試驗(yàn)工況

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

由于試驗(yàn)件的尺寸較小，可利用試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，試驗(yàn)載荷的示值精度可由試驗(yàn)機(jī)載荷精度來保證，本試驗(yàn)采用經(jīng)過定標(biāo)的SDS200 kN系列電液伺服動(dòng)靜萬能試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)前經(jīng)過專業(yè)定標(biāo)保證加載示值精度（0.5%）。

■■應(yīng)力測(cè)量可采用應(yīng)變儀與應(yīng)變片，獲得應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)后，利用公式計(jì)算應(yīng)力。在試驗(yàn)前，利用45鋼標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件對(duì)應(yīng)變儀的輸入?yún)?shù)進(jìn)行定標(biāo)，測(cè)試數(shù)據(jù)通過在試驗(yàn)件上粘貼應(yīng)變花獲得，應(yīng)變花采用中航工業(yè)電測(cè)儀器股份有限公司的BE120-2CA-P200高靈敏系數(shù)三軸電阻應(yīng)變花（0°、45°和90°），應(yīng)變電橋采用適用于測(cè)量拉壓和彎曲應(yīng)變的1/4橋路，并配以溫度補(bǔ)償片。

2 基于載荷誤差分析的夾具設(shè)計(jì)

試驗(yàn)件的加載方向與試驗(yàn)機(jī)加載方向保持一致，加載方式可利用銷軸穿過耳片并通過試驗(yàn)機(jī)對(duì)銷軸中部施加拉載荷，保證加載位置滿足工況要求；載荷大小由試驗(yàn)機(jī)精度保證；因此，只需對(duì)加載方向偏差引起的加載誤差進(jìn)行分析，即可確定夾具設(shè)計(jì)和試驗(yàn)件裝配指標(biāo)。

2.1 載荷方向變化的誤差分析

在總載荷F大小保持不變的前提下，加載方向的變化將導(dǎo)致各坐標(biāo)載荷分量大小的變化。在加載點(diǎn)處建立坐標(biāo)系，如圖3所示。其中X、Y、Z為試驗(yàn)件的整體坐標(biāo)系；X′、Y′和Z′為試驗(yàn)機(jī)坐標(biāo)系，X′為試驗(yàn)機(jī)夾頭的夾持方向，Y′與試驗(yàn)機(jī)加載方向一致；α、β和γ分別為F與X、Y和Z軸的夾角；根據(jù)工況分析可知接頭載荷在Y、Z平面內(nèi)，因此，在保證試驗(yàn)機(jī)上下夾持面共面的前提下，加載方向偏差主要為Z′與Z軸的夾角γ′的變化。

圖3 接頭載荷坐標(biāo)系

根據(jù)理論力學(xué)直接投影法，反求總載荷與各坐標(biāo)軸之間的夾角，計(jì)算公式為：

式中：FX、FY和FZ分別為總載荷F在X、Y和Z軸上的分力；cos2α+cos2β+cos2γ=1。

由接頭幾何結(jié)構(gòu)模型可知，X軸為接頭耳孔環(huán)面的軸線，加載裝置的軸線與其夾角的偏差，可通過夾具的設(shè)計(jì)、加工與裝配公差將角度偏差限制在較小的范圍內(nèi)。因此，F(xiàn)X的變化對(duì)加載方向的影響可忽略。當(dāng)載荷方向偏斜1°時(shí)，利用式（1）計(jì)算可得，載荷偏差為0.015%，因此，在夾具設(shè)計(jì)與試驗(yàn)件裝配時(shí)，需要保證試驗(yàn)件加載方向與試驗(yàn)機(jī)加載方向的角度偏差小于1°。

2.2 試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)與校核

根據(jù)圖2所示工況要求和SDS200 kN系列電液伺服動(dòng)靜萬能試驗(yàn)機(jī)加載方向的特性設(shè)計(jì)夾具，設(shè)計(jì)一個(gè)上夾頭連接接頭，固定在試驗(yàn)機(jī)上夾頭，在接頭試驗(yàn)件耳片處設(shè)計(jì)一個(gè)圓柱銷連接上夾頭，圓柱銷、接頭試驗(yàn)件、上夾頭連接接頭孔之間配合為間隙配合；下夾持板的斜面角度設(shè)計(jì)為30°，試驗(yàn)件通過螺栓固連在下夾持板上，下夾持板的夾持面與下夾持板底部平面垂直，要保證接頭試驗(yàn)件固定在斜面時(shí)上夾頭的加載方向和下夾持板的夾持面中線處在同一平面內(nèi)。

上夾頭連接接頭和銷軸采用調(diào)質(zhì)的45鋼，熱處理制度為850 ℃正火、840 ℃淬火、600 ℃回火，屈服強(qiáng)度不小于355 MPa；接頭試驗(yàn)件與下夾持板采用M6、12.9級(jí)螺栓連接。為保證試驗(yàn)的可靠性，下夾持板材料采用鍛鋼，設(shè)計(jì)為整體式零件，避免因較低成本的多層疊加厚板加工可能存在的層間缺陷引起的強(qiáng)度不足。采用線切割加工保證了加工精度。

在夾具設(shè)計(jì)和制造過程中，通過保證夾具上夾頭連接接頭孔和銷孔的同軸度、下夾持板的夾持面與下夾持板底部平面垂直度及螺紋孔的位置等公差，進(jìn)而降低加載方向的偏差。夾具設(shè)計(jì)完成后，利用ANSYS對(duì)夾具裝配體進(jìn)行靜力學(xué)分析。上夾頭施加遠(yuǎn)端載荷F=60 000 N，方向與試驗(yàn)機(jī)加載方向一致；下夾持板夾持面部分施加固定約束；上夾頭連接接頭孔、接頭試驗(yàn)件銷孔和圓柱銷設(shè)置接觸約束；接頭試驗(yàn)件與下夾持板在螺紋孔處設(shè)置綁定約束；網(wǎng)格單元采用大小為5 mm的四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，單元總數(shù)量為156 763。裝配體模型如圖4所示。

圖4 接頭靜力試驗(yàn)夾具有限元分析模型示意圖

圖5所示為按實(shí)際工況加載后的有限元仿真計(jì)算Mises應(yīng)力云圖，單位為MPa。由分析結(jié)果可知，排除加載區(qū)域和固定約束等邊界處的應(yīng)力奇異結(jié)果，接頭試驗(yàn)件、上夾頭和圓柱銷、下夾持板的最大應(yīng)力均低于材料的屈服強(qiáng)度，滿足工作要求。

圖5 有限元仿真結(jié)果Mises 應(yīng)力云圖

3 鋁合金接頭試驗(yàn)件的靜力試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)件粘貼應(yīng)變片位置的選擇

為提高應(yīng)變花的測(cè)量精度及估算試驗(yàn)件強(qiáng)度，選擇試驗(yàn)件上排除應(yīng)力奇異處的應(yīng)變（應(yīng)力）較大且曲率較小的平面作為應(yīng)變花粘貼區(qū)域，其中：C1和C2應(yīng)變花的0°與X軸方向一致，因此雖然應(yīng)變花測(cè)試點(diǎn)的位置接近，但應(yīng)變花粘貼區(qū)域不同；D1和D2選擇的位置為耳片兩側(cè)外表面，應(yīng)變花測(cè)試點(diǎn)和粘貼區(qū)域一致，即兩片應(yīng)變花的0°和90°應(yīng)變片定義相反，在有限元分析中二者的應(yīng)力應(yīng)變一致，因此可用試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證是否出現(xiàn)偏載情況。試驗(yàn)件和有限元仿真中兩應(yīng)變花的測(cè)試點(diǎn)如圖6、圖7所示。

圖6 有限元中應(yīng)變花位置示意圖

圖7 試驗(yàn)件應(yīng)變花粘貼位置示意圖

3.2 試驗(yàn)件的安裝和預(yù)加載

根據(jù)試驗(yàn)件裝配指標(biāo)，當(dāng)試驗(yàn)夾具與試驗(yàn)件裝配夾緊后，需進(jìn)行加載頭對(duì)中，并應(yīng)利用角度測(cè)量?jī)x測(cè)試夾具的角度偏差是否小于1°。圖8為試驗(yàn)件裝夾后的對(duì)中與角度測(cè)量結(jié)果，滿足要求。

圖8 試驗(yàn)件裝夾后的檢測(cè)

正式試驗(yàn)之前，試驗(yàn)機(jī)和應(yīng)變儀進(jìn)行預(yù)熱后，首先進(jìn)行預(yù)加載。預(yù)試載荷逐步加載至工況載荷，初次加載不超過工況載荷的50%，次級(jí)載荷不大于工況載荷的80%。預(yù)試主要是消除試驗(yàn)件與工裝間隙，檢查各加載和測(cè)試設(shè)備運(yùn)行是否正常，控制參數(shù)是否合理，保護(hù)措施是否穩(wěn)妥可靠，采集設(shè)備是否正常，并排除預(yù)試中檢查出的可能影響試驗(yàn)正常進(jìn)行的問題。

預(yù)試加載和卸載過程中，同步進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量，通過應(yīng)變數(shù)據(jù)判斷是否有偏載情況，螺栓連接是否緊固，當(dāng)應(yīng)變儀和試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)變、位移和載荷示值穩(wěn)定后，開始正式試驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)應(yīng)變花測(cè)量出的3個(gè)方向的應(yīng)變值ε0°、ε45°和ε90°，可用材料力學(xué)式（2）計(jì)算最大/最小主應(yīng)力σmax/min。主應(yīng)力是與人為選擇的參考坐標(biāo)無關(guān)的有符號(hào)的實(shí)數(shù)，是相應(yīng)點(diǎn)處任意截面上正應(yīng)力的最大值或最小值，因此更適合作為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元仿真結(jié)果的比對(duì)參數(shù)。

由于是單一試驗(yàn)件的試驗(yàn)，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，采用四級(jí)加載方式，每級(jí)載荷重復(fù)測(cè)量不少于5次，分別記錄加載和卸載的應(yīng)變數(shù)據(jù)，卸載后的應(yīng)變片殘余值小，表明加載過程中試件處于線彈性狀態(tài)下，應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)可靠。最終結(jié)果為多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。利用應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算的最大/最小主應(yīng)力如表2、表3所示。

表2 鋁合金接頭靜力試驗(yàn)最大主應(yīng)力結(jié)果

表3 鋁合金接頭靜力試驗(yàn)最小主應(yīng)力結(jié)果

由表4所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元分析結(jié)果的對(duì)比情況可知，C1處的數(shù)據(jù)與有限元的偏差較大，原因是應(yīng)變片粘貼靠近加載區(qū)域，對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大；C2、D1和D2的數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定。D1和D2的測(cè)試結(jié)果與有限元較為接近，考慮應(yīng)變片粘貼和有限元參考點(diǎn)與實(shí)際測(cè)試點(diǎn)的偏差，其結(jié)果可認(rèn)為是符合結(jié)構(gòu)對(duì)稱時(shí)應(yīng)力場(chǎng)分布是相同的實(shí)際情況，即反映出試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)是合理的，有限元模型的分析結(jié)果是可靠的。

表4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元分析結(jié)果的偏差

將鋁合金看作塑性材料，采用材料力學(xué)的第三強(qiáng)度理論（最大切應(yīng)力理論）建立的強(qiáng)度條件公式為

σ1-σ3≤［σ］。 （3）

應(yīng)變片測(cè)試區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)件加載下的高應(yīng)力區(qū)，由表2和表3中的數(shù)據(jù)可知，工作載荷為60 000 N時(shí)，最大切應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于試驗(yàn)件材料的屈服強(qiáng)度，增材制造的鋁合金接頭構(gòu)件滿足給定工況下的靜強(qiáng)度要求。

4 結(jié)論

1）增材制造的鋁合金接頭構(gòu)件滿足給定工況下的靜強(qiáng)度要求；基于載荷誤差分析結(jié)果，進(jìn)行了靜力試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，保證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，可為小型鋁合金接頭靜力試驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)提供參考。2）試驗(yàn)結(jié)果與有限元仿真結(jié)果的對(duì)比分析證明了有限元建模的合理性，經(jīng)靜力試驗(yàn)驗(yàn)證的鋁合金接頭有限元模型可用于增材制造的選材和結(jié)構(gòu)減重優(yōu)化設(shè)計(jì)中，在提高設(shè)計(jì)效率的同時(shí)，又具有足夠的設(shè)計(jì)精度。