何宇杰 張祥祥 邢淳輝 王志江 侯鵬亮

摘 要：文章介紹的是一種變角度雙軸拉伸與熱場耦合材料微觀力學(xué)性能原位測試儀，其功能是研究在X軸和Y軸相交任意角度下的雙軸拉伸過程中的材料力學(xué)性能。其中X軸為固定軸，Y軸為動軸，通過旋轉(zhuǎn)伺服電機帶動齒圈旋轉(zhuǎn)，使Y軸可以與X軸相交任意角度。當(dāng)Y軸轉(zhuǎn)到預(yù)定角度以后旋轉(zhuǎn)伺服電機停止，調(diào)整X軸和Y軸的伺服電機到適當(dāng)?shù)奈恢?，安裝預(yù)先制作好的相交角度為30度、45度和90度的試件，再進行相應(yīng)角度下的雙軸拉伸，對材料在不同相交角度下的力學(xué)性能進行表征，為研究材料在不同角度作用下的失效進行評估和預(yù)測。

關(guān)鍵詞：變角度;雙軸拉伸;原位;材料力學(xué)性能;測試儀

1 緒論

材料是社會制造業(yè)的基礎(chǔ)，是社會發(fā)展的必要物質(zhì)條件。由于材料測試技術(shù)發(fā)展緩慢，對材料的破壞機理缺乏研究，制約著材料技術(shù)與制造業(yè)的發(fā)展。在工程實踐中經(jīng)常發(fā)生材料失效而引發(fā)的重大事故如圖1所示，對經(jīng)濟和生命安全造成損失。

目前，雙軸拉伸測試是一種比較常用的獲取材料力學(xué)性能參數(shù)的測試方法[1-3]。然而，材料在實際服役中不僅僅受到的X軸與Y軸相交90度正交載荷的作用，更多的是受到了任意角度多載荷的共同作用。因此，設(shè)計一臺變角度雙軸拉伸與熱場耦合材料微觀力學(xué)性能原位測試儀變得十分必要。通過預(yù)置X軸與Y軸的夾角，并安裝與預(yù)置夾角相同度的雙軸拉伸試件，再進行雙軸拉伸測試，以模擬材料在真實服役工況下，任意角度雙軸載荷對材料變形、損傷的影響，進一步揭示材料在任意角度雙向應(yīng)力下的失效機理，為服役材料在單向和復(fù)雜平面應(yīng)力下的安全性設(shè)計，提供有利的參考。

2 方案設(shè)計

變角度雙軸拉伸與熱場耦合材料微觀力學(xué)性能原位測試儀的功能包括：（1）X軸固定，改變Y軸與X軸的夾角，通過旋轉(zhuǎn)伺服電機驅(qū)動齒圈帶動Y軸旋轉(zhuǎn)，進而實現(xiàn)X軸與Y軸夾角的改變;（2）采用兩根雙向滾珠絲杠實現(xiàn)雙軸拉伸;（3）利用虛擬儀器對設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集和控制;（4）集成光學(xué)顯微鏡實現(xiàn)雙軸拉伸過程的原位表征;（5）實現(xiàn)雙軸拉伸與熱場的耦合加載，選取鹵素?zé)糇鳛闊嵩?，其功率?000W，對于裝置采用的小型試樣，可以做到瞬間的加熱。且鹵素?zé)舻募訜崃靠煽兀軠y出材料在不同溫度場下的應(yīng)變數(shù)據(jù)，實現(xiàn)裝置與熱場的耦合。

3 旋轉(zhuǎn)部分齒輪的設(shè)計計算

3.1 主動齒輪接觸線單位長度上的平均載荷計算及其影響因素

載荷的大小是衡量齒輪在傳動過程中是否失效的重要參數(shù)。影響載荷大小的因素很多，如電動機附加的性能、齒輪精度及裝配誤差、齒輪及其支承變形等。因此需引入載荷系數(shù)K對平均載荷進行修正。

P—電動機功率，取0.4kW;d1—主動輪分度圓直徑，取78mm;L—齒面接觸線長度，取30mm;n—電機轉(zhuǎn)速，取960r/min;α—壓力角，取20°;K—載荷系數(shù)，（K=KAKVKαKβ）;KA—使用系數(shù)，取1.00;KV—動載系數(shù)，取1.2;Kα—齒間載荷分配系數(shù)，取1.00;Kβ—齒向載荷分配系數(shù)，取1.1。

將參數(shù)代入式（2）中得：

3.2 齒輪傳動比

Z1—主動輪的齒數(shù)，取26;Z2—從動輪的齒數(shù)，取120;則有：i=z2z1=4.62。

4 變角度雙軸拉伸與熱場耦合微觀力學(xué)性能原位測試儀的設(shè)計

4.1 旋轉(zhuǎn)部分設(shè)計

儀器是為了測量試件在任意角度受力時材料的力學(xué)性能。齒圈的旋轉(zhuǎn)是實現(xiàn)雙軸拉伸角度調(diào)整的重要機構(gòu)，是變角度雙軸拉伸原位微觀材料力學(xué)性能測試儀的突出特點如圖2所示。

裝置由旋轉(zhuǎn)伺服電機驅(qū)動第一牽引齒輪，控制整個機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)。第一牽引齒輪與從動齒圈傳動連接，帶動齒圈旋轉(zhuǎn)。而且，動齒圈的上端與旋轉(zhuǎn)板固定連接，下端與圓形導(dǎo)軌滑塊固定連接，帶動旋轉(zhuǎn)板隨從動齒圈發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使X軸與Y軸夾角發(fā)生改變。利用底板上安裝的光電傳感器，可以對旋轉(zhuǎn)板旋轉(zhuǎn)的角度進行精準定位，當(dāng)旋轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)到30度，45度時，轉(zhuǎn)動電機停止轉(zhuǎn)動。進而實現(xiàn)預(yù)定角度下的雙軸拉伸材料力學(xué)性能的檢測。

4.2 拉伸部分設(shè)計

儀器的拉伸的速度，拉伸距離以及拉伸的精度是判斷儀器好壞的標準。裝置的拉伸部分是由拉伸伺服電機、電機支座、支撐座、電機配重、聯(lián)軸器、絲杠、主動動齒輪、從動齒輪、支座蓋組成的如圖3所示。由拉伸伺服電機通過聯(lián)軸器驅(qū)動主動齒輪傳遞動力，使從動齒輪開始旋轉(zhuǎn)。從動齒輪與絲杠的一端連接傳遞扭矩，帶動絲杠等速旋轉(zhuǎn)。絲杠的每節(jié)都帶有螺紋部分都裝有梯形絲杠螺母，將絲杠旋轉(zhuǎn)的運動轉(zhuǎn)化為沿著絲杠長度方向的直線運動。絲杠工作時，通過位移傳感器和力傳感器測得材料的拉伸變形量和載荷[5]。此外，拉伸伺服電機的另外一端設(shè)有電機配重，保證裝置重心得平衡，以及旋轉(zhuǎn)板的平行度。

4.3 夾緊裝置的設(shè)計

在試樣在拉伸的過程中，通過上下夾具的夾緊力，試樣逐漸被拉伸，從而得到材料的力學(xué)性能。為了增大上下夾具的夾緊力，在上下夾具中都設(shè)有增加摩擦力的條紋如圖4所示，并且在下夾具的接觸表面上開設(shè)燕尾槽。測試時，將試樣對應(yīng)放置于燕尾槽中，上夾具的表面做一個燕尾的凸臺，上下夾具通過螺紋固定，可以更好的保證試樣的預(yù)緊。

4.4 加熱裝置和原位測試

變角度雙軸拉伸與熱場耦合材料微觀力學(xué)性能原位測試儀器還包括有加熱燈，加熱燈位于夾具機構(gòu)右上方，用于對試件進行加熱如圖5所示。

加熱機構(gòu)包括有加熱燈和底座，加熱燈可以轉(zhuǎn)換角度進行加熱，加熱臺燈固定于底座上。顯微鏡固定于可旋轉(zhuǎn)支架上方，支架上方有旋鈕，可對支架進行旋轉(zhuǎn)定位以便切換不同的角度便于觀察試件的情況，實現(xiàn)試樣的原位監(jiān)測[6]。

5 結(jié)論

變角度雙軸拉伸與熱場耦合材料微觀力學(xué)性能原位測試儀是機電一體化雙軸拉伸材料力學(xué)性能測試儀。該裝置是X軸固定，Y軸旋轉(zhuǎn)改變與X軸的夾角，當(dāng)?shù)竭_預(yù)置角度時停止旋轉(zhuǎn)，裝上相應(yīng)角度的試件，再進行雙軸拉伸。而且，雙軸拉伸能夠與熱場耦合，模擬不同環(huán)境溫度對材料性能的影響，可有效彌補現(xiàn)有儀器的不足，增強材料測試數(shù)據(jù)的可靠性。

參考文獻：

[1]蘭劍，謝官模，夏俊康，等.復(fù)合材料開孔層合板雙軸拉伸的漸進損傷[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報，2020，38（2）：214-219.

[2]李海連，趙宏偉，羅春陽，等.雙軸拉伸-彎曲復(fù)合原位測試裝置設(shè)計與試驗[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2019，40（7）：1340-1346.

[3]魯國富，邱振宇，高成軍，等.基于雙軸拉伸試驗的飛艇蒙皮材料非線性分析[J].復(fù)合材料學(xué)報，2018，35（5）：1166-1171.

[4]譚慶昌，趙洪志，吳鹿鳴.機械設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2007.

[5]楊國標，方如華，曾偉明，等.材料的雙軸拉伸的規(guī)律的研究[J].實驗力學(xué)，2006，21（005）：596-600.

[6]趙宏偉，馬志超，李秦超，等.雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學(xué)測試裝置[P].中國發(fā)明專利，CN201210105657.5.2012-08-22.

鹽城工學(xué)院教改研究項目：基于LabVIEW的測試技術(shù)與信號處理虛擬仿真實驗平臺的設(shè)計（項目編號：JYKT2019B005）

*通訊作者：侯鵬亮（1977— ），男，博士，副教授，主要從事復(fù)合載荷下材料微觀力學(xué)性能原位測試技術(shù)與虛擬儀器研究。