陳 鑫,寇會(huì)賢,刁東明,李品豫,林明明,寧惠君

(河南科技大學(xué) 土木建筑學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471000)

0 引言

新材料的發(fā)展突飛猛進(jìn),新型復(fù)合材料在各領(lǐng)域起著越來(lái)越重要的作用,且隨著時(shí)代的需求,有著向輕薄型方向發(fā)展的趨勢(shì)。但目前針對(duì)輕薄型材料的力學(xué)性能拉伸實(shí)驗(yàn)中,傳統(tǒng)拉伸夾具存在拉伸夾持力不足、試件滑移、無(wú)法精確定位等問(wèn)題。

對(duì)于夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),王霆[1]等人針對(duì)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)傳統(tǒng)拉伸夾具的結(jié)構(gòu)、夾持方式等方面進(jìn)行改進(jìn),研制出一種新型主動(dòng)式內(nèi)外夾緊力恒定的夾具。邢承亮[2]等人根據(jù)金屬絲的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)用于金屬絲拉伸性能測(cè)試的夾具。目前針對(duì)拉伸夾具設(shè)計(jì)的研究多集中在針對(duì)特定試件類(lèi)型以及特定使用環(huán)境[3-5]。在多學(xué)科交叉環(huán)境下,計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用在夾具結(jié)構(gòu)優(yōu)化中成為越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,張智森[6]等人基于 UG 三維軟件進(jìn)行夾具的實(shí)體建模,并利用 ANSYS 有限元軟件對(duì)其進(jìn)行了模態(tài)分析,針對(duì)夾具的固有頻率、振型和響應(yīng)位移等仿真數(shù)據(jù)對(duì)其缺陷進(jìn)行了分析,并據(jù)此對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。王亮[7]等人通過(guò)有限元的方法分析夾具最大變形區(qū)位置,在最大變形區(qū)附近設(shè)計(jì)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)來(lái)減小變形、提高結(jié)構(gòu)剛性。劉偉[8]等人設(shè)計(jì)研發(fā)了一款包含可脹心軸、油缸卡爪、氣密性檢測(cè)的全自動(dòng)化智能臥試加工夾具,并對(duì)其進(jìn)行了理論分析和有限元仿真分析。然而,針對(duì)拉伸夾具的優(yōu)化設(shè)計(jì),在結(jié)構(gòu)參數(shù)化方面的研究則不足。

本文探討了輕薄型材料在力學(xué)性能拉伸試驗(yàn)中,傳統(tǒng)拉伸夾具所存在的問(wèn)題,如拉伸加持力不足、試件滑移、無(wú)法精確定位等,并提出了一種雙夾層結(jié)構(gòu)拉伸夾具,該夾具具有可定位功能,可以有效解決以上問(wèn)題。同時(shí),本文還采用了有限元仿真和響應(yīng)面法(RSM)相結(jié)合的方法對(duì)拉伸夾具的連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),得到了拉伸夾具結(jié)構(gòu)的最優(yōu)模型,從而有效降低了結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)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(gè)部件:外夾裝置和內(nèi)夾裝置。外夾裝置由外夾固定塊、外夾連接頭和兩個(gè)外夾板構(gòu)成,內(nèi)夾裝置由內(nèi)夾固定塊與兩個(gè)內(nèi)夾片構(gòu)成[9]。

圖1 拉伸夾具總體結(jié)構(gòu)示意圖

在測(cè)試樣品的拉力測(cè)試中,將外部夾具的外夾連接頭連接到測(cè)試載荷裝置上。在此基礎(chǔ)上,將試驗(yàn)樣品置于兩塊內(nèi)部板片間,并依據(jù)內(nèi)部板片上垂直定位標(biāo)尺對(duì)其被夾持部位的長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。然后轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)部夾持器的轉(zhuǎn)子,使兩塊內(nèi)部夾持器的夾持器閉合,并將試樣預(yù)先固定。最后,將外部夾持轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)至兩塊外部夾持兩塊內(nèi)部夾持,在保證試樣被夾持后,就可以進(jìn)行抗拉測(cè)試了。

2 可定位雙夾層拉伸夾具的靜力學(xué)分析

2.1 簡(jiǎn)化有限元模型

為了降低分析的復(fù)雜程度,并減小計(jì)算的工作量,對(duì)可定位雙層拉伸夾具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化[10],簡(jiǎn)化結(jié)果如圖2所示。

圖2 拉伸夾具簡(jiǎn)化模型

2.2 拉伸試驗(yàn)仿真模擬

在保證計(jì)算精度的前提下,本文采用局部網(wǎng)格加密的方式以?xún)?yōu)化計(jì)算時(shí)間。在考慮拉伸測(cè)試的真實(shí)情況時(shí),本文采用了綁定接觸來(lái)連接相互焊接的部件,并將相互接觸的部分設(shè)置為摩擦接觸。在內(nèi)外夾板的配合處,則采用了無(wú)分離接觸。此外,對(duì)外夾連接頭施加了固定約束,并對(duì)拉伸試件的下表面施加了豎直向下的1000 N力載荷。同時(shí),本文還對(duì)外夾板的表面施加了水平位移約束,以保證夾具加持狀態(tài)。

夾具網(wǎng)格劃分以及邊界條件設(shè)置結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

夾具仿真計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 夾具等效應(yīng)力云圖

由圖可知,夾具整體結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力最大處為外夾固定塊與外夾板間的連接結(jié)構(gòu)處,最大應(yīng)力值為50.583 MPa,最大總變形處為外夾板以及連接構(gòu)件處,總變形值為0.0044 mm。

3 可定位雙夾層拉伸夾具的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,夾具最大等效應(yīng)力位置在外夾固定塊與外夾板間的連接結(jié)構(gòu)處,由于連接結(jié)構(gòu)是整個(gè)夾具的主要受力部位,因此,連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否恰當(dāng),直接關(guān)系到整個(gè)夾具的安全與可靠。因此,為了提高連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度,應(yīng)用響應(yīng)面法對(duì)拉伸夾具連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[11]。

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)化

對(duì)內(nèi)夾固定塊與內(nèi)夾板間和外夾固定塊與外夾板之間的連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模,具體的優(yōu)化參數(shù)參見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 內(nèi)夾連接結(jié)構(gòu)橫截面優(yōu)化參數(shù)

圖8 外夾連接結(jié)構(gòu)橫截面優(yōu)化參數(shù)

優(yōu)化變量的原始值以及可變幅度如表1所示。

表1 連接結(jié)構(gòu)的幾何尺寸

3.2 敏感性分析

敏感性分析是通過(guò)量化的方式,來(lái)探討在有關(guān)因子改變時(shí),各主要因子對(duì)各因子的作用大小。其本質(zhì)就是用漸進(jìn)式的方式,來(lái)說(shuō)明各因子對(duì)各因子的影響所產(chǎn)生的影響。主要指數(shù)的重要性是由輸入與輸出的相關(guān)性決定的。

在有限元分析中,可以利用局域敏感性來(lái)衡量輸入?yún)?shù)對(duì)輸出量的影響。為了研究連接結(jié)構(gòu)的8個(gè)尺寸參數(shù)(表1)對(duì)最大等效應(yīng)力P19和最大總變形量P20的影響,利用斯皮爾曼分級(jí)相關(guān)系數(shù)方法精確計(jì)算尺寸參數(shù)對(duì)目標(biāo)函數(shù)的靈敏度,敏感性分析結(jié)果如圖9所示[12]。

圖9 各變量敏感性分析結(jié)果

由圖9中的部分靈敏度分析結(jié)果可知,L4、L3、H3、H4對(duì)雙夾層拉伸夾具結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力的影響是最顯著的。而且在響應(yīng)點(diǎn)附近,L4和L3產(chǎn)生正影響,H3和H4產(chǎn)生負(fù)影響,其作用效果從大到小為L(zhǎng)3>H3>L4>H4。與此同時(shí),在響應(yīng)點(diǎn)的局部范圍內(nèi),對(duì)于結(jié)構(gòu)最大總變形,L4和L3的影響程度遠(yuǎn)大于其余變量,并且作用效果L3>L4。

3.3 響應(yīng)面建立

從靈敏性分析可以看出,對(duì)雙夾層拉伸夾具結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力和最大總變形產(chǎn)生影響的主要變量是L4、L3、H4、H3。所以,為了提高計(jì)算效率,只選擇上述4個(gè)變量作為輸入變量,而輸出變量不變。

圖10-圖13是在響應(yīng)面模組中所得到的三維響應(yīng)曲面,其設(shè)計(jì)目標(biāo)隨著不同的設(shè)計(jì)參數(shù)而改變。

圖10 等效應(yīng)力隨L3和H3變化的響應(yīng)曲面

圖11 等效應(yīng)力隨L3和H4變化的響應(yīng)曲面

圖12 總變形隨L3和H3變化的響應(yīng)曲面

圖13 總變形隨L4和H4變化的響應(yīng)曲面

3.4 優(yōu)化結(jié)果

在響應(yīng)曲面優(yōu)化模塊中,以影響連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主要因素:外夾橫截面下端面長(zhǎng)、外夾伸出端長(zhǎng)、外夾橫截面總厚度、外夾伸出端厚度為設(shè)計(jì)變量,以結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力和最大總變形的最小值為優(yōu)化目標(biāo),選擇MOGA算法進(jìn)行優(yōu)化求解,最終得到3組候選點(diǎn),如表2所示。

表2 響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果

候選點(diǎn)的有限元計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 候選點(diǎn)有限元計(jì)算結(jié)果

選取候選點(diǎn)3為最優(yōu)模型,對(duì)比初始模型有限元仿真計(jì)算結(jié)果可知,優(yōu)化后的拉伸夾具連接構(gòu)件的最大等效應(yīng)力下降了17.2%,最大總變形減少13.6%。

4 結(jié)論

通過(guò)簡(jiǎn)化建模和靜力學(xué)分析,得知可定位雙夾層拉伸夾具最大變形和最大等效應(yīng)力均在外夾固定塊與外夾板間的連接結(jié)構(gòu)處,分別為0.0044 mm和50.583 MPa。為了提高連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度,并優(yōu)化拉伸夾具裝置的結(jié)構(gòu)組成,本研究將影響內(nèi)外夾連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主要因素作為變量,以結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力和最大總變形的最小值為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)拉伸夾具進(jìn)行參數(shù)化建模和響應(yīng)面優(yōu)化分析。通過(guò)Optimal Space-Filling Design,在該空間上實(shí)現(xiàn)了樣本點(diǎn)的平均生成,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了響應(yīng)面,并應(yīng)用OMGA算法對(duì)8000個(gè)原始樣本點(diǎn)進(jìn)行篩選以獲取最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)。最終,本研究實(shí)現(xiàn)了在拉伸夾具等效應(yīng)力下降17.2%以及整體變形下降13.6%的優(yōu)化效果,這一結(jié)果具有顯著的實(shí)際價(jià)值,可以有效地節(jié)約研發(fā)和實(shí)驗(yàn)成本。此外,本研究還為多目標(biāo)夾具設(shè)計(jì)等領(lǐng)域提供了有益的參考,具有廣泛的學(xué)術(shù)借鑒意義。