一种新型双层拉伸夹具结构设计及分析*

刁东明,陈 鑫,寇会贤,李品豫,宁惠君

(河南科技大学 土木建筑学院,河南 洛阳 471000)

0 引言

随着材料技术的快速发展,各种类型的新型复合材料被设计研发,并已在多个重要领域普遍使用[1-2]。新型复合材料的生产必须满足生产厂家的性能检测要求[3],材料性能的检验已经成为材料生产研发的必要流程,材料的力学性能是性能检测中重要并繁重的一项工作[4]。拉伸试验是材料力学性能检测的一种经典手段,而现有的传统拉伸试验夹具试验时常出现试件相对于夹具滑移的试验故障[5],极大地影响了拉伸试验的进程与所测数据的准确性,为此,研发一种针对此类试件的夹具解决试件在拉伸过程中的夹持问题,可以大大加快对该类型新型复合材料的力学性能研究,并提高其性能数据的准确性与可靠性。

近些年,新型拉伸试验的夹具设计与开发正成为研究热点。周龙早等[6]针对单轴拉伸试验机不能实现双轴拉伸试验的问题,设计了一种能够将单轴拉伸运动精准地转换成双轴拉伸运动的双轴拉伸夹具。王艳等[7]针对拉伸夹具在测试金属板材、带材的室温拉伸和高温拉伸力学性能时带来的不利因素,设计了一套用于板材、带材室温拉伸和高温拉伸试验的通用夹具。邵长敬等[8]为能在瑞玛高频疲劳试验机上实现做“T”型焊接试样拉伸试验的目的,创新设计了可根据试样厚度调节夹具装夹板长度的拉伸试验夹具。霍天枢等[9]针对传统的液压楔形夹具夹紧试样后,在拉伸过程中,由于夹具自身结构具有不稳定性,会对试样产生一定的轴向位移扰动,从而影响试验的精度,设计了一种新型的单向可调节气动夹具,解决了传统液压楔形夹具在试样夹紧过程中的轴向拉伸扰动。

本文在上述研究基础上设计了一种具有双夹层结构与定位功能的新型夹具,通过双层夹紧可以满足拉伸试验对试件加持力的要求,避免试验中试件出现滑移的情况,并在竖向和水平两个方向对试件定位,以保证拉伸试验的顺利进行以及试验数据的精准度。在此基础上运用有限元软件Ansys Workbench对关键部位的强度进行了校核,并根据仿真分析结果,对拉伸夹具进行了改进设计并验证了改良设计的有效性和可行性。

1 一种能够定位试件的新型双层拉伸夹具结构设计

1.1 新型双层拉伸夹具结构的总体设计

如图1所示,新型双层拉伸夹具总体分为两个部分,外夹组件与内夹组件,内夹组块与外夹组块通过燕尾榫槽的配合连接,在拉伸方向上内夹组件和外夹组件的位置被锁定,而在水平方向上,通过抽拉,即可以将内夹组件从外夹组件上取下,拆装过程十分方便,便于夹具的使用和保养。本夹具能够通过刻度设置对试件进行较为精确的定位,接着内夹板对试件进行预加紧,然后外夹组件对内夹板进一步加紧,且外夹板与内夹板组成楔形结构。通过双层夹板结构与楔形配合结构从而实现对试件的紧固。

图1 新型夹具总体结构

1.2 外夹组件结构设计

外夹组件是夹具的主要传力部件,由外夹固定块、外夹连接头和两个外夹板组成。外夹固定块是是外夹组件的核心部位,其上方设有外夹连接头,可与外部拉伸试验机连接,内部含有外夹传动组件,传动组件直接与外夹板相连,下部为燕尾槽,可与内夹组件配合。

图2所示,外夹传动组块设置在外夹固定块内部,包括交替设置的两个外夹传动齿轮和三个外夹传动齿条,外夹传动齿条的下端外伸部分分别与外夹板连接。外夹传动齿轮的上部设有蜗轮齿,与驱动蜗杆的涡轮齿同时啮合,底部齿轮与传动齿条配合。通过转动外部涡杆驱动传动齿轮转动,使传动齿条向内移动,带动外夹板对内夹组件进行紧固。

图2 外夹传动组件结构示意图

图3 内夹组件结构示意图 图4 内夹传动组件结构示意图

1.3 内夹组件结构设计

内夹组件由内夹固定块与两个内夹片组成。内夹固定块上部设置有与外夹固定块下部燕尾槽配合的燕尾榫,内部设置有内夹传动组,下部与内夹板连接;内夹板的内侧面为夹紧试件的夹持面,设置有粘性涂层或磨砂面以增大与试件的摩擦力,外侧面设计组成为V形斜面,与外夹板内侧配合为楔形结构,进一步增大对试件的夹持力。

图4所示,内夹传动组包括齿轮齿条与一根内夹传动轴,同一齿轮齿条机构中具有分别连接两个内夹板的两个内夹传动齿条,两个内夹传动齿条的移动方向相反。在内夹传动组工作时,传动轴上的多个齿轮与对应的齿条配合,驱动内夹板对试件进行预加紧;拉伸试验时,内夹传动轴通过弹簧与挡板的配合与齿条分离,避免内夹板受外力收紧时对内部传动组造成损坏。

1.4 定位功能设计

图5所示,本新型夹具具有定位功能,其定位功能通过定位刻度与定位器的配合实现。拉伸方向的定位刻度设计在一片内夹板的侧面,可以与试件紧密贴合便于准确定位;垂直于拉伸方向的定位刻度设计在两片外夹板的底部,为了保证试件试验时达到精确的轴心受拉状态,本文在外夹片底部设置水平定位槽,通过与水平定位器的配合确保试件沿拉伸方向竖直对齐,定位器的内部设有可压缩的弹簧,防止夹持力对定位器造成破环。

图5 定位刻度与水平定位器

2 新型双层拉伸夹具强度的有限元计算

2.1 Workbench 静力学理论

任何结构受到载荷作用都会发生变化,静力学分析帮助人们了解结构承受静载荷时,结构的位移、应力、应变和载荷的变化关系,校核结构的刚度和强度是否满足使用要求。根据经典力学理论可知,较完整的动力学公式为:

(1)

其中,[M]为质量矩阵;[C]为阻尼矩阵;[K]为刚度矩阵;{x}为位移矢量;{F}为力矢量。

在静力学分析中,假设结构被充分约束,载荷随时间的变化没有转变或转变极细微,并且不考虑惯性力与阻尼。即:F(t)为常数,质量[M]对结构不造成影响,阻尼[C]对结构没有影响,方程可改写为:

[K]{x}={F}

(2)

静力学包括线性静力学分析和非线性静力学分析,通常针对可恢复的小变形、弹性材料,采用线性静力学分析,结构刚度[K]为常量。而对于大变形,变形后结构刚度明显改变的材料,可采用非线性静力分析。

2.2 有限元模型的建立

为缩短计算时间,减少计算量,本文对双层拉伸夹具的结构进行了简化,省略了内部起传动作用的内、外传动组件,仅保留连接结构和外壳。简化模型如图6所示。

图6 双层拉伸夹具简化模型

利用SolidWorks将建立的双层拉伸夹具的几何模型导出,在Workbench选择Static structural模块并导入几何模型,进入稳态分析。本文采用局部网格加密的方法,对承担拉力连接零件的网格进行局部优化划分,这样不仅能够在计算时节约大量的时间,而且计算的准确度也能够得到有效的保证。

力学试验室较为常用的拉伸试验机的拉力量程为100 kN,为保证夹具满足正常的工作强度,仿真模拟在极限拉力100 kN下使用本夹具进行拉伸试验。根据实际的工作情况来对被分析的模型设置边界条件,为了减少计算,对一些非关键的接触设置为绑定接触。在仿真拉伸试验中,将拉伸试件的两端夹在拉伸夹具内,拉伸夹具通过连接头与万能拉伸试验机相连接,通过万能拉伸试验机装置使上下夹具一个固定,另一个轴向拉伸,实现对试件的拉伸加载。为简便计算,本文只对上方固定夹具进行仿真计算,将夹具的连接头进行固定,对拉伸试件的下表面施加100 kN的拉力载荷。

2.3 仿真结果分析

拉伸过程夹具的总变形结果如图7所示。由图7可知,在拉伸过程中,夹具的最大变形位置发生在外夹具下半端,最大变形为0.77 mm,而且外夹传动装置中传动齿条与外夹连接端也发生了一定程度的变形,导致外夹相对竖直方向发生了一定的偏转,这将影响拉伸试验数据的准确性。

图7 拉伸夹具的总变形云图 图8 拉伸夹具连接构件应力云图

拉伸试验中,外夹板与外夹固定块的连接部件承受较多拉力,由图8可知,在拉伸过程中,等效应力最大位置为外夹传动装置中传动齿条与内夹的连接端的中部两侧,应力最大值为3.51 GPa,且内夹传动装置中传动齿条与内夹连接端以及连接头与外夹固定块连接处也存在较大的等效应力。

通过对双层拉伸夹具进行应力强度分析计算得出,拉伸夹具各部件间的连接结构设计过于薄弱,从而造成拉伸夹具在拉伸过程中整体结构出现变形偏移的情况,而且连接构件上也存在较大的等效应力,不仅降低了拉伸试验数据的精确度而且削弱了拉伸夹具的结构强度。

3 改良设计

3.1 改良方案

基于仿真实验的结果,对双层拉伸夹具进行改良设计。一方面,双层拉伸夹具的一些部件间的连接结构设计会导致应力集中,导致局部应变过大,不能满足拉伸试验的强度需求,因此进行改进设计。另一方面,由于夹具零件尺寸设计的不合理,导致整体结构强度严重不足,需要加强结构强度。最后考虑到内夹固定块与外夹固定块的一体式设计导致装置加工不便,需要改进为可装配结构,便于加工与装配。

具体改进设计措施如下:

1)针对外夹固定块上端面变形过大问题,通过增加外夹固定块上端面厚度,增强结构强度。

2)针对内夹固定块与外夹固定块无法进行装配的一体式设计,将各个部件设计为分离式部件,使用榫卯连接的方式对部件进行连接,将装置变为可装配结构。针对外夹连接组件的应力集中问题,设计增大连接部件与外夹板的配合面积。如图9所示。

图9 外夹传动组件改进设计

3)针对内夹传动装置中传动齿条与内夹连接端强度较弱的问题,增大连接部位尺寸,重新设计传动块结构,将传动齿条与传动块相连接,并将传动块与内夹相连接,最终实现通过传动块传递拉力载荷,使连接部位受拉力载荷大大降低。如图10所示。

3.2 改良后双层夹具模型有限元分析

图12为改良后双层夹具模型在拉伸过程的总变形云图。由图可知,在拉伸试验机最大100 kN的拉力载荷下,夹具整体的最大变形在0.086 mm左右,整体满足强度要求。

由图13可知,在拉伸过程中,改良后外夹连接构件承拉面积大幅度提高,改善了应力集中的问题,改良后连接构件应力最大值为0.189 GPa。

图13 改良后连接构件应力云图

3.3 改良前后仿真数据对比

将双层拉伸夹具原始结构与改良设计后结构的静力学分析结果进行对比,结果如表1所示。

由表1可知:改良设计后双层拉伸夹具的最大总变形值降低了88.8%,同时最大等效应力值降低了94.6%,说明改进设计有效改善了夹具的力学性能,提高了双层拉伸夹具结构的整体强度。

4 结语

本文针对传统拉伸试验装置的不足,设计了一种能够定位试件的新型双层拉伸夹具。利用试验机拉伸时楔形受力作用原理设计了可拆卸的双层结构夹具,其优秀的夹持能力可以满足对较难夹持类新型复合材料拉伸试验的实验要求,可以对试件竖直与水平方向进行精准定位,实现较精确的轴向拉伸试验。与传统夹具相比,避免了进行拉伸试验时因试件滑移而影响试验进程的窘境,提高了试验数据的可靠度与精准度。

通过研究双层拉伸夹具的静力学特征,并通过Solid Works软件与Ansys Workbench软件的联合仿真技术,对双层拉伸夹具进行了改良设计并验证了改良设计的有效性和可行性。