基于參數敏感性的拉伸夾具響應面優化*

陳 鑫,寇會賢,刁東明,李品豫,林明明,寧惠君

(河南科技大學 土木建筑學院,河南 洛陽 471000)

0 引言

新材料的發展突飛猛進,新型復合材料在各領域起著越來越重要的作用,且隨著時代的需求,有著向輕薄型方向發展的趨勢。但目前針對輕薄型材料的力學性能拉伸實驗中,傳統拉伸夾具存在拉伸夾持力不足、試件滑移、無法精確定位等問題。

對于夾具的結構設計,王霆[1]等人針對萬能材料試驗機傳統拉伸夾具的結構、夾持方式等方面進行改進,研制出一種新型主動式內外夾緊力恒定的夾具。邢承亮[2]等人根據金屬絲的結構特點設計了專門用于金屬絲拉伸性能測試的夾具。目前針對拉伸夾具設計的研究多集中在針對特定試件類型以及特定使用環境[3-5]。在多學科交叉環境下,計算機仿真的應用在夾具結構優化中成為越來越廣泛的應用,張智森[6]等人基于 UG 三維軟件進行夾具的實體建模,并利用 ANSYS 有限元軟件對其進行了模態分析,針對夾具的固有頻率、振型和響應位移等仿真數據對其缺陷進行了分析,并據此對其進行了結構優化。王亮[7]等人通過有限元的方法分析夾具最大變形區位置,在最大變形區附近設計增強結構來減小變形、提高結構剛性。劉偉[8]等人設計研發了一款包含可脹心軸、油缸卡爪、氣密性檢測的全自動化智能臥試加工夾具,并對其進行了理論分析和有限元仿真分析。然而,針對拉伸夾具的優化設計,在結構參數化方面的研究則不足。

本文探討了輕薄型材料在力學性能拉伸試驗中,傳統拉伸夾具所存在的問題,如拉伸加持力不足、試件滑移、無法精確定位等,并提出了一種雙夾層結構拉伸夾具,該夾具具有可定位功能,可以有效解決以上問題。同時,本文還采用了有限元仿真和響應面法(RSM)相結合的方法對拉伸夾具的連接結構進行了優化設計,得到了拉伸夾具結構的最優模型,從而有效降低了結構的等效應力以及總變形。

1 可定位雙夾層拉伸夾具的工作原理

從圖1中可以看出,可定位雙夾層拉伸裝置整體被分成兩個部件:外夾裝置和內夾裝置。外夾裝置由外夾固定塊、外夾連接頭和兩個外夾板構成,內夾裝置由內夾固定塊與兩個內夾片構成[9]。

圖1 拉伸夾具總體結構示意圖

在測試樣品的拉力測試中,將外部夾具的外夾連接頭連接到測試載荷裝置上。在此基礎上,將試驗樣品置于兩塊內部板片間,并依據內部板片上垂直定位標尺對其被夾持部位的長度進行調節。然后轉動內部夾持器的轉子,使兩塊內部夾持器的夾持器閉合,并將試樣預先固定。最后,將外部夾持轉子轉動至兩塊外部夾持兩塊內部夾持,在保證試樣被夾持后,就可以進行抗拉測試了。

2 可定位雙夾層拉伸夾具的靜力學分析

2.1 簡化有限元模型

為了降低分析的復雜程度,并減小計算的工作量,對可定位雙層拉伸夾具的結構進行了簡化[10],簡化結果如圖2所示。

圖2 拉伸夾具簡化模型

2.2 拉伸試驗仿真模擬

在保證計算精度的前提下,本文采用局部網格加密的方式以優化計算時間。在考慮拉伸測試的真實情況時,本文采用了綁定接觸來連接相互焊接的部件,并將相互接觸的部分設置為摩擦接觸。在內外夾板的配合處,則采用了無分離接觸。此外,對外夾連接頭施加了固定約束,并對拉伸試件的下表面施加了豎直向下的1000 N力載荷。同時,本文還對外夾板的表面施加了水平位移約束,以保證夾具加持狀態。

夾具網格劃分以及邊界條件設置結果如圖3、圖4所示。

圖3 網格劃分

夾具仿真計算結果如圖5、圖6所示。

圖5 夾具等效應力云圖

由圖可知,夾具整體結構等效應力最大處為外夾固定塊與外夾板間的連接結構處,最大應力值為50.583 MPa,最大總變形處為外夾板以及連接構件處,總變形值為0.0044 mm。

3 可定位雙夾層拉伸夾具的優化設計

根據數值模擬結果,夾具最大等效應力位置在外夾固定塊與外夾板間的連接結構處,由于連接結構是整個夾具的主要受力部位,因此,連接結構的設計是否恰當,直接關系到整個夾具的安全與可靠。因此,為了提高連接結構的強度與剛度,應用響應面法對拉伸夾具連接結構進行了優化設計[11]。

3.1 結構參數化

對內夾固定塊與內夾板間和外夾固定塊與外夾板之間的連接結構進行參數化建模,具體的優化參數參見圖7、圖8。

圖7 內夾連接結構橫截面優化參數

圖8 外夾連接結構橫截面優化參數

優化變量的原始值以及可變幅度如表1所示。

表1 連接結構的幾何尺寸

3.2 敏感性分析

敏感性分析是通過量化的方式,來探討在有關因子改變時,各主要因子對各因子的作用大小。其本質就是用漸進式的方式,來說明各因子對各因子的影響所產生的影響。主要指數的重要性是由輸入與輸出的相關性決定的。

在有限元分析中,可以利用局域敏感性來衡量輸入參數對輸出量的影響。為了研究連接結構的8個尺寸參數(表1)對最大等效應力P19和最大總變形量P20的影響,利用斯皮爾曼分級相關系數方法精確計算尺寸參數對目標函數的靈敏度,敏感性分析結果如圖9所示[12]。

圖9 各變量敏感性分析結果

由圖9中的部分靈敏度分析結果可知,L4、L3、H3、H4對雙夾層拉伸夾具結構的最大等效應力的影響是最顯著的。而且在響應點附近,L4和L3產生正影響,H3和H4產生負影響,其作用效果從大到小為L3>H3>L4>H4。與此同時,在響應點的局部范圍內,對于結構最大總變形,L4和L3的影響程度遠大于其余變量,并且作用效果L3>L4。

3.3 響應面建立

從靈敏性分析可以看出,對雙夾層拉伸夾具結構最大等效應力和最大總變形產生影響的主要變量是L4、L3、H4、H3。所以,為了提高計算效率,只選擇上述4個變量作為輸入變量,而輸出變量不變。

圖10-圖13是在響應面模組中所得到的三維響應曲面,其設計目標隨著不同的設計參數而改變。

圖10 等效應力隨L3和H3變化的響應曲面

圖11 等效應力隨L3和H4變化的響應曲面

圖12 總變形隨L3和H3變化的響應曲面

圖13 總變形隨L4和H4變化的響應曲面

3.4 優化結果

在響應曲面優化模塊中,以影響連接結構強度的主要因素:外夾橫截面下端面長、外夾伸出端長、外夾橫截面總厚度、外夾伸出端厚度為設計變量,以結構的最大等效應力和最大總變形的最小值為優化目標,選擇MOGA算法進行優化求解,最終得到3組候選點,如表2所示。

表2 響應面優化結果

候選點的有限元計算結果如表3所示。

表3 候選點有限元計算結果

選取候選點3為最優模型,對比初始模型有限元仿真計算結果可知,優化后的拉伸夾具連接構件的最大等效應力下降了17.2%,最大總變形減少13.6%。

4 結論

通過簡化建模和靜力學分析,得知可定位雙夾層拉伸夾具最大變形和最大等效應力均在外夾固定塊與外夾板間的連接結構處,分別為0.0044 mm和50.583 MPa。為了提高連接結構的強度與剛度,并優化拉伸夾具裝置的結構組成,本研究將影響內外夾連接結構強度的主要因素作為變量,以結構的最大等效應力和最大總變形的最小值為優化目標,對拉伸夾具進行參數化建模和響應面優化分析。通過Optimal Space-Filling Design,在該空間上實現了樣本點的平均生成,利用神經網絡建立了響應面,并應用OMGA算法對8000個原始樣本點進行篩選以獲取最佳設計點。最終,本研究實現了在拉伸夾具等效應力下降17.2%以及整體變形下降13.6%的優化效果,這一結果具有顯著的實際價值,可以有效地節約研發和實驗成本。此外,本研究還為多目標夾具設計等領域提供了有益的參考,具有廣泛的學術借鑒意義。