魏剛 張永

摘 要：設(shè)計一種能在拉壓試驗機上開展剪切及拉剪耦合試驗的夾具，輔以試件設(shè)計，使其能方便穩(wěn)定地開展典型板狀材料的剪切試驗，從而獲得材料強度與加載應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系。

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

本文主要目的是擴展現(xiàn)有拉壓試驗機的功能和使用范圍，使拉壓試驗機可以開展剪切和拉剪耦合試驗。

現(xiàn)有拉壓試驗機不方便開展剪切試驗，尤其是拉剪耦合加載試驗。但在材料力學(xué)、飛機結(jié)構(gòu)與強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題?，F(xiàn)在開設(shè)的教學(xué)實驗主要是拉壓試驗，很少涉及到其他應(yīng)力狀態(tài)的加載試驗。為了使學(xué)生直觀認(rèn)識不同應(yīng)力狀態(tài)下加載試驗的區(qū)別，有必要開展剪切甚至拉剪耦合試驗。但目前的拉壓試驗機沒法開展剪切相關(guān)的試驗，或者即使能開展，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)計開發(fā)一種多功能夾具，使其能實現(xiàn)不同應(yīng)力狀態(tài)的拉剪耦合加載（包括純剪切）。使用本項目設(shè)計開發(fā)的多功能夾具，可以方便地實現(xiàn)從剪切到拉伸之間不同應(yīng)力狀態(tài)的加載試驗，使拉壓試驗機的基本功能得以擴展。本項目的研究成果可以用在相關(guān)課程（例如材料力學(xué)、飛機結(jié)構(gòu)與強度等）的實驗教學(xué)中，有利于學(xué)生對材料不同應(yīng)力狀態(tài)加載試驗區(qū)別的直觀認(rèn)識，以及對材料強度、斷裂應(yīng)變等與應(yīng)力狀態(tài)關(guān)系的深入理解。同時，本文的研究成果也可以為研究生或者教師的相關(guān)科研活動提供實驗手段支撐，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

1.1 設(shè)計思路

首先通過理論研究和文獻調(diào)研[1-5]，提出初步設(shè)計方案，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]），通過數(shù)值模擬軟件建模分析，驗證設(shè)想的合理性并進行可能的優(yōu)化（例如結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布是否均勻，能否達到設(shè)計要求等）；在此基礎(chǔ)上，加工經(jīng)改進的夾具結(jié)構(gòu)和配套的試件，并在試驗機上進行實際的試驗測試，處理實驗數(shù)據(jù)，檢查試驗結(jié)果能否達到預(yù)期要求（包括精確性、可重復(fù)性等），如果滿足要求，則設(shè)計過程結(jié)束，此時得到的夾具結(jié)構(gòu)即為最終設(shè)計結(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，測試并驗證，直到滿足預(yù)期要求。

1.2 設(shè)計過程

通過文獻調(diào)研，初步確定了夾具構(gòu)型和試件形式，通過數(shù)值模擬，改進夾具上的應(yīng)力分布和試件受力狀態(tài)，典型的數(shù)值計算模型及結(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)計的試件可以實現(xiàn)中心敏感區(qū)域接近均勻受力。

通過數(shù)值模擬分析計算，最終確定夾具和試件的形狀及尺寸，設(shè)計出的夾具及試件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)開槽，最中心厚度1mm，除了開槽部分以外，其它厚度均為3mm。這樣設(shè)計的目的是，無論沿哪個方向加載，試件均會從中心敏感部分?jǐn)嗔选＿@就實現(xiàn)了不改變試件形狀，而得到不同的加載應(yīng)力狀態(tài)。這樣做有利于批量加工試件，降低成本，適合于開展教學(xué)實驗。

1.3 輔助部分設(shè)計

設(shè)計出的夾具想要連接到拉壓試驗機上，還需要增加轉(zhuǎn)換頭才能實現(xiàn)，針對不同類型的試驗機原始夾具，設(shè)計出了兩種轉(zhuǎn)換頭，轉(zhuǎn)換頭實物圖如圖5所示。圖5a轉(zhuǎn)換頭可以使用銷軸與試驗機相連（人工施力夾頭多是這種連接方式，這樣連接有利于對中，使用高強度轉(zhuǎn)換頭也有利于實現(xiàn)較大載荷）；圖5b轉(zhuǎn)換頭可以通過夾持一端與試驗機相連（這種更適用于液壓施力夾頭，拉壓試驗機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)換頭通過螺栓連接，最終與試驗機連接完成，安裝到試驗機上的狀態(tài)如圖6所示。

2 夾具功能驗證

使用設(shè)計出的夾具開展鋁合金2A12材料的剪切和拉剪耦合試驗，試件拉斷后的典型形式如圖7所示?？梢钥闯觯N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，開展了低碳鋼剪切和拉剪耦合試驗，發(fā)現(xiàn)最大載荷同樣出現(xiàn)在純拉伸狀態(tài)下，達到了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)載荷可以計算不同加載角度下敏感區(qū)域應(yīng)力值，從而得到材料強度與應(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)域不再開槽（即整體厚度均為3mm），材料采用調(diào)質(zhì)處理的45鋼。實驗方式和前面一樣，最終當(dāng)載荷達到42kN時，連接螺栓發(fā)生了斷裂，試件和夾具本身都沒有發(fā)生破壞，所以夾具的承載能力肯定大于42KN。對于高強度材料的測試，可以選用更高強度的螺栓，以提高承載能力。

3 小結(jié)

本文設(shè)計出了一種多功能夾具，能實現(xiàn)從純剪切到純拉伸之間不同應(yīng)力狀態(tài)下的材料性能測試，夾具的承載能力能滿足材料力學(xué)教學(xué)實驗中常用材料的測試要求，可以用在材料力學(xué)的教學(xué)過程中，以幫助學(xué)生更好的理解應(yīng)力狀態(tài)對材料強度和斷裂的影響。同時，此夾具也可以用在科研中，用以測試金屬板材、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。

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