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变温模式偏心拉伸原位力学测试机械装置开发与试验研究

论文编号:lw201711092026142600 所属栏目:工程硕士论文 发布日期:2018年01月22日 论文作者:无忧论文网
第 1 章 绪论

1.1 选题背景及研究意义
人类生产生活所需的器件用品和各类机械装置都是由材料制造而成,材料是生产活动必不可少的物质基础[1-5]。根据各时期材料使用的不同,人类的历史也可划分成几个不同时代[6],所以,在人类历史发展中新材料的推出与应用扮演重要角色。实际服役过程中材料会受到高温、电磁场等物理场和拉伸、弯曲、扭转等多载荷复杂工况加载,失效破坏现象将会产生[7],由此产生了巨大的损失,威胁了人身安全和国民经济。从宏观上研究材料的力学性能和微观上研究材料破坏损伤机制可以分析研究材料的失效破坏,改善人们的生产生活有着重要的意义[8-12]。材料在冲击和交变载荷等外加载荷作用或着温度和加载速度等环境因素作用下抵抗变形和断裂的抗力,体现了材料力学性能[13-14]。如图 1.1 所示,随着新型功能结构材料的普及应用,金属材料、无机非金属材料和各种新兴功能材料是目前材料性能测试领域主要研究的材料[15-18]。外加载荷和环境因素的随时变化,使材料在其作用下失去功能,无法抵御变形和断裂抗力产生“材料失效现象”。现代信息技术、新材料技术和航天技术等高科技领域的迅猛发展,智能结构器件被广泛应用,而新兴功能材料的优越性日益显示出来,提高了人类的安全保障和生活质量。在变温模式偏心拉伸载荷原位测试技术应用之前,做的都是传统的拉伸、三点弯曲、四点弯曲或者它们之间的组合加载,对偏心拉弯载荷确鲜有研究,而由于偏心拉伸载荷产生弯矩导致材料受拉伸弯曲作用更为常见。近些年来,层合板复合材料得到了快速发展,但是由于传统的二维织物增强树脂基层合板材料容易产生分层破坏,因其抵抗板厚方向载荷的能力较弱,阻碍了它的推广应用,其中脱层或层间断裂是复合材料的主要破坏形式。航空机械采用的碳纤维/环氧树脂层合板复合材料承受冲击需增加结构材料的尺寸,使其在拉伸弯曲等力学载荷施加下提高其抗分层能力。而偏心拉伸尤其适合层合板复合材料的研究,以来测试层合板中各组成成分材料的力学性能, 研究复合材料层合板的性能、变形及破坏机理。
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1.2 国内外研究现状及发展动态
材料科学与工程应用的重要手段和方法是材料测试技术[22]。精密力、位移传感器技术和显微镜成像技术的飞速发展,材料力学测试趋向小型化,多载荷多物理场测试对材料进行加载,同时对新材料可进行疲劳或高速率加载测试,材料力学性能测试技术呈现出多元化精密化发展趋势[23-32]。在实际使用过程中所有零部件都要承受力或温度的作用,一定使用时间后材料将发生变形磨损等失效现象。而在失效分析中利用显微观测技术,可以对试样进行裂纹分析和断口分析,以研究材料的微观力学基本性能。偏心拉伸是偏心加载拉伸试样,使其受到拉-弯复合载荷的作用[33-35]。针对拉弯复合载荷测试方面,加载方式可以通过现有拉伸试验机的基础上附加弯曲载荷的施加装置[36-39]。另一方面则是在人为的改变拉伸夹具的结构,对测试试样进行偏心加载产生衍生弯曲力矩,使试样受到拉伸弯曲复合载荷的作用。在拉弯复合载荷材料性能测试方向,密西根大学的 Anthony[40]等人开展了在偏心载荷作用下碳纤维编织物板材的试验研究,如图 1.2 为其采用偏心压缩加载的装置,利用此装置对测试试样施加偏心加载,着重分析了碳纤维编织物板材的失效机制。测试过程中用旋转可变差动变压器(RVDT)测量压缩的转角,用线性可变差动变压器(LVDT)测量压缩的位移,并用力传感器测得偏心轴向载荷。另外,利用该测试装置可得到材料失效时的弯曲载荷和压缩载荷的对应比例关系,同时得到弯曲-压缩加载试验曲线如图1.3所示, 得到载荷和弯曲末端转角的变化关系曲线及载荷与弯曲应变之间的关系,随着载荷的逐渐增大,末端转角和弯曲应变逐渐增加。
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第 2 章 偏心拉伸原位测试装置理论分析

结合本文研究内容,本章主要介绍偏心拉伸测试的基础理论。在总结传统单轴拉伸基本理论的基础上,推导偏心拉伸载荷情况下试件的弯曲挠度方程及转角方程,得出偏心加载下的弹性模量计算公式。同时进行了试件在偏心拉伸载荷作用下中性层位置和断裂位置的理论计算。

2.1 偏心拉伸测试理论分析
在工程中,为了保证材料在各种外力作用下能正常工作,必须通过试验测定材料变形和破坏等方面的性能,如屈服强度、抗拉强度、延伸率、冲击韧性、断裂韧性以及疲劳极限等,为材料的强度设计提供可靠的依据。其中最能体现材料微观和宏观相结合的力学性能是原位拉伸测试方法,利用得到的应力-应变曲线直观分析材料的弹性模量、抗拉强度等力学性能。本文自主设计的原位偏心载荷拉弯测试装置能较好地实现拉伸和弯曲的复合加载测试,研究材料在偏心拉伸作用下的破坏机理特点。为使测试装置中夹持试件能在光学显微镜下进行原位测试试验,将测试装置小型化,原位测试所采用的试件要求结构尺寸尽量小,易于显微处理和成像。借鉴国家标准《金属材料拉伸试验》(GB/T 228.1-2010)对试件的形状、试验条件等的统一规定[83-84].
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2.2 受偏心拉伸试件中性层位置的理论计算
偏心拉伸是工程中常见的组合变形的一种,在其作用下产生拉伸和弯曲两种基本变形。为确定试样横截面上的最大应力,需先确定偏心拉伸试件的中性层位置,因此本文特别构建了受偏心拉伸试件力学模型如图 2.6 所示,推导了受偏心拉伸试件中性层位置确定公式。强度计算时,需要先确定危险截面的位置及危险截面上危险点的位置。对于图2.6 所示偏心拉伸试件,所以在试件末端处zM 达到最大值,所以危险截面在试件标距段的末端处,即会在试件两端处发生断裂失效。对于危险点,纯弯曲时截面中性层上部分为受拉区,下部分为受压区,同时危险截面又受到拉伸应力的作用,所以危险截面的上边缘为危险点所在位置。本章系统的介绍了单轴拉伸测试和偏心拉伸测试的理论基础,得出了力学性能参数理论计算公式,推导了偏心拉伸载荷情况下试件的弯曲挠度曲线方程及转角方程,得出此种加载方式弹性模量的计算公式。同时考虑到试件夹持裸露部分和圆弧过渡部分的尺寸变化,计算结果的准确性将不可避免受影响,所以对这部分进行误差修正,得出了修正后的偏心拉伸挠曲线方程和转角方程理论计算公式。同时本文构建了受偏心拉伸试件力学模型,推导了受偏心拉伸试件中性层位置确定公式,进一步导出了任意截面上最大应力计算公式。以上为本文的偏心拉弯复合载荷测试提供了理论的支撑。
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第 3 章 偏心拉伸原位力学测试装置的设计分析........... 23
3.1 测试装置整机设计......... 23
3.2 关键零部件静动态有限元仿真分析...........303
3.3 整机静动态有限元仿真分析.............35
3.4 偏心拉伸加载测试系统集成.............35
3.5 本章小结.......38
第 4 章 偏心拉伸测试装置的性能测试与试验分析........37
4.1 传感器标定试验 .............394
4.2 偏心拉伸测试装置的重复性试验 .....44
4.3 测试装置的误差分析与校准修正 .....47
4.4 测试装置校准修正准确性验证试验...........52
4.5 本章小结.......53
第 5 章 变温条件金属材料的原位偏心拉伸试验研究.............55
5.1 偏心拉伸载荷材料性能测试试验 .....55
5.2 变温条件下的偏心拉伸试验............ 61
5.3 力学加载下的原位测试试验与分析.......... 645
5.4 本章小结...... 68

第 5 章 变温条件金属材料的原位偏心拉伸试验研究

本章将利用原位偏心拉伸测试装置开展偏心拉伸测试,研究不同偏移量偏心拉伸载荷测试的影响。对金属材料紫铜在偏心拉伸下的力学性能开展试验研究,并通过施加不同厚度的偏移垫片,开展拉伸作用下不同弯曲力矩的试验研究。同时针对工程上广泛应运的 TA2 钛合金材料开展变温拉伸性能测试实验和变温偏心拉伸测试实验,并结合高景深显微镜对黄铜试样开展拉伸载荷下的金相组织试验,并观察试件的断口,分析试件材料的破坏机理。

5.1 偏心拉伸载荷材料性能测试试验

本节利用所设计的测试装置开展偏心拉伸力学测试,研究紫铜在偏心拉伸载荷下应力应变关系的变化,从而得出材料力学性能的变化规律。并通过施加不同厚度的偏移垫片,开展不同偏移量下偏心拉伸试验研究。如图 5.1 所示的偏心拉伸加载测试装置,由偏心拉伸测试装置和弯曲位移检测模块组成。采用 LK-G10 激光位移传感器进行弯曲挠度的测量,其量程为±1mm,分辨率为 10nm。当试件发生较大弯曲时会超过激光位移传感器量程,所以在激光位移传感器下方安装 XY 轴手动微调平台以增大其量程。通过力传感器测得偏心拉伸试验中的拉伸载荷;通过 LVDT 位移传感器测得偏心拉伸试验中的拉伸位移;通过激光位移传感器测得偏心拉伸试验中的弯曲挠度,经数据采集和数据处理后得到不同偏移量下偏心拉伸测试曲线。图 5.2 为受偏心拉伸加载后试样变形图及断裂位置图。

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总结

材料测试技术领域研究主要集中在以下几个方面:一是高温和拉伸没有很好的耦合;二是绝大多数高温拉伸仪无法原位观测,影响实验数据的实时收集;三是偏心拉伸载荷产生弯矩导致材料受拉伸弯曲作用更为常见,但偏心拉弯载荷确研究较少。针对上述问题,本文研制了一台能够原位观测的通过非接触高温加热,实现准静态偏心拉伸实验的测试装置。研制的测试装置只需要一套电机蜗轮蜗杆机构即可实现对试件的拉伸弯曲复合加载。偏心拉弯是由于拉伸力与试样的中心面不在一条直线上,导致了衍生力矩,在生产生活中是一种很常见的现象。对于此装置,通过施加不同厚度的垫片,可以