双向拉伸试验机夹具设计

华侨大学本科毕业论文(设计)开题报告学院：机电学院专业班级：11材料成型2班

姓名

付英杰

学

号

1111412008

指

导

教

师

刘华

职

称

学

历

讲师课题名称高强度钢板双向拉伸试验机夹具设计

设计（论文）类型（划√）工程设计应用研究开发研究基础研究其它

√

1、本课题的的研究目的和意义：

随着国内工业自主研发不断发展，对应于高新材料的需求日益增长，材料拉伸试验的重要性也就不言而喻。国内对于材料拉伸试验主要集中于单向拉伸，由于在工程实际应用中，材料广泛地处于复合应力状态下，例如：航天飞机壳体在航行中受到复杂的压力作用、高强钢在经过辊弯成形过程中受到复合应力等等，为了准确探究这些材料，尤其是各向异性材料如刚强钢板、复合材料等力学性能，就要通过双向拉伸试验提供理论支持。因此，为了得到更好贴合实际、更加精准的材料性能参数以及推导和验证材料屈服准则奠定基础，双向拉伸试验也就显得格外重要。这一方向也成为当前国内外学者在材料研究领域所讨论的热点之一，其中，能够准确描述板料在不同加载路径下力学行为对于板材生产和加工成型更具有现实意义。

当前，国内的材料拉伸试验以单向拉伸为主，多数采用万能试验机，主要适用于航空、材料、冶金、大专院校、科研单位、建筑、轻工、航天等领域。国内的双向拉伸试验机在近些年来逐渐得到发展。其中，以北京航空航天大学研制的基于液压控制的双向拉伸试验机和北方工业大学研发的基于伺服控制的双向拉伸试验机为代表，并进行了许多卓有成效的科研工作。日本于2010年已经完成了双向拉伸领域的国内标准的制定，而德国在国际冲压协会的组织下，也完成了相关领域标准的制定，在此环境下，国内学者对于双向拉伸的研究工作已经刻不容缓，并具有极重要的意义。

一般来讲，板材在生产及应用过程中，会受到复合应力作用，即处于双向应力状态。单向拉伸试验所得到的材料力学性能参数已经不能满足工程实际中的应用，例如：为了描述板材成形性能，采用单向拉伸试验获取总延伸率进行定性评价，但产生的局部变形由于存在颈缩区内，在薄板冲压成型领域是不可取的:在板料辊弯成形领域,由于板材受压辊的横向拉力和纵向拉力,处于双向应力状态,并且把板材回弹的因素考虑进去,进行模拟仿真;在产品的实际应用中,从损伤角度探究产品的损坏断裂等情况:对现有屈服准则进行验证,

对高新材料的屈服准则进行推导和验证等等,以上都需要以双向拉伸试验为基础.随着新兴材料的大量兴起,比如汽车用高强度钢等各向异性材料及复合材料,仅从单向拉伸试验中无法准确描述材料的力学行为,还是要以双向拉伸试验数据为依据.

集合边界条件和摩擦条件等因素会在板料成形过程中产生较大的影响,导致加载路径

与路性路径不一致,对于需要多工序成形的零件以及形状复杂的零件更是如此.在板料成形过程中,可以将其变形特点看作是在双向拉伸下,沿不同的加载路径而成形的.所以能够准

确描述不同加载路径下板料塑性变形力学行为十分重要,其目的是建立合理的板料塑性变

形力学方程,准确描述板料成形过程,为材料力学性能提供依据.

国内在双向拉伸领域中并不成熟,装置大多比较陈旧,精度不能达到要求,试验费用过高,但随着工业化进程的不断提升,在此领域的研究和需求也不断提高,这些因素促进了对

于双向拉伸试验机的研发.由于日本、德国已经制定了双向拉伸的国内标准，并正在向国际迈进，对比于此，国内的双向拉伸领域也应加快对双向拉伸机的研发速度，完成相应的试验研究，制定相应的国内标准，只对于国内材料领域在今后的发展有至关重要的意义。

2、文献综述（国内外研究情况及其发展）：

1910年由德国人A •M • Erichsen发明了杯突试验,并于1912年取得德国专利。由于杯突试验可以利用较少的材料对板料的成形性能进行快速的测定,所以得到了广泛的应用。由杯突试验得到不同材料的杯突值,即使这壁数值很相近,其成形过程及力学性能差别有可能会很大。主要由于是实际生产中多数冲模与杯突试验的冲头相比过大。所以,用杯突值不能精确表示板料的成形性能。上世纪五十年代提出了用塑性应变比和应变硬化指数来评定板材成形性能,但不能够定量地描述其成型性能;六十年代,由Keeler和Goodwin提出的成形极限图(FLD),为探究板料的成形性能奠定了坚实基础,至今,在此领域中仍发挥重要作用。在双向拉伸试验中,对于各向同性板料,常采用拉扭试验与薄壁管拉胀试验,通过不同的试验参数配置,使试件处于不同的加载路径下,主要用于研宄各向同性材料在不同加载路径下的塑性变形过程。对于各向异性板料,常用试验方法是液压胀形实验、刚性模胀形试验以及压延等试验,或缺口、宽板试件拉深试验等基本试验及其组合,但通过这些试验只能确定等双拉点、平面应变点等几个特征点的力学行为,难以获得任意加载比例下板料的力学性能。早在60年代,基于十字形试件进行加载的双向拉伸机这一概念就已提出,但由于十字形

试件的设计、模拟优化以及制备,双向拉伸机的协同运动控制及精度,十字形试件中心区域的应力应变的测定等等问题限制了其发展。近些年来,由于运动控制系统的不断优化,生产加工水平不断提高,使这一概念得到了发展和实现。2008年,日本东京农工大学桑原利彦教授研发了十字形试件双向拉伸试验机,此试验机加载比例可调,但同步性不能控制[8]。我国于上世纪80年代以日本进口 DCS-25T 万能试验机为基础,安装4个传感器,研制出机械式双向拉伸试验机,但也只能简单测定载荷比为1: 1和1:2这两个比例下的应力应变关系⑼。之后,北京航空航天大学自主研发的双向拉伸试验机,基于液压控制,建立了能够对十字形试件进行双向拉伸试验的机械部分、运动控制系统以及操作软件的综合设计搭建,实现了同轴向的两组夹头的位移同步控制,能够完成不同比例加载路径下的双向拉伸试验。

3、本课题的主要研究内容（提纲）和成果形式：

内容：双向拉伸试验机的夹具设计

成果形式：夹具能保证十字形试件的定位、固定并夹紧。重要的是保证其在试验过程中，试件所受的四个方向的拉力要作用在同一平面受力，即试件只受平面应力。试验机由马达带动齿轮驱动两根滚轴丝杠，进行双向不同比例的加载。两个线性液动装置沿着两根轴安装在刚性构架上。拉伸过程中，两根轴上由两个制动器来确保试件的中心点在拉伸时不会变化。随着持续加载，试件经历弹性形变和塑性形变阶段，直至最后断裂。理想断裂情况如下图所示。然后再通过动态电阻应变仪、引伸计、信号采集系统等设备来测量并分析试件中心区域、宽度方向以及长度方向的应变，最后再由分析系统得到其应力应变关系。