一种用于金属薄板轴向拉压疲劳试验的防弯夹具

表 F" 试样不带防弯夹具时受压向载荷时的测量应变值 （ !"） #$%&’ F" (’)*&$+’, -+.$/0 1$&*’ 23/&’ 4567.’--/50 &5$, $77&/’, $0, 2/+35*+ +3’ .’-+.$/0+ （ !"） 应力 （ ;<$） B C =BB 位置 = B C >BE= 位置 > B >=> 位置 ? B =DG 位置 ! B C >B!B 平均应变 B C D>E 不对称应变 弯曲 @ 轴向A B C >>G! >!!
=# 疲劳试验条件与侧向防护板
# # 试验材料是一种厚度 !II 的钛合金薄板和一种厚度 EII 的铝合金板。试样取文献 ［E］ 所推荐的 两种标准型试样， 形状与图 =G 和图 =H 所示一致。光滑试件中部宽度 =$ II， 缺口试样应力集中系数为 E， 中心名义宽度 != II。 防护板形状如图 ! 所示， 两块夹板间用 ? 个螺栓连接并夹紧， 螺栓上采用普通六角螺母用手拧紧， 这样既可以使夹板贴紧试样， 又不至于夹紧力过大导致载荷从夹板传递， 如果使用扳手或蝶形螺母等可 能产生过紧夹持力的方法时， 应避免扭力过大。为防止疲劳振动造成螺栓松脱， 可采用加装螺母等防松
!""? C "E C "E ；修订日期： !""? C == C "A ! 收稿日期： 通讯作者：朱亦钢（ =B%" C ） ， 男， 硕士， 高级工程师。在北京航空材料研究院从事材料力学性能和材料数据库工作。
万方数据
3D3
" " " " " " " " " " " " " " 实" 验" 力" 学" " " " " " " " " " " " " " " " （ 3::C 年） 第 3: 卷"
［ 3， >］ 试验其它条件均依照试验标准方法 进行。
3" 应力测量试验
3& !" 电测试样制备 为检验试验试样安装防弯曲夹具后，试样内的应力变化情况， 用贴片电测方法测量了模拟试样的 应力分布。电测模拟试样从一组疲劳试验用的 3++ 钛合金薄板中切取， 试验材料 ! ! ? @::AB/， !: " 3 ? CD:AB/Leabharlann Baidu 试样长度 3::++ 与疲劳试验用试样长度相同， 宽度 3:++， 介于光滑试样 !C++ 和缺口试样净 宽度 3!++ 之间， 为的是接近两种试样的受力状态。试样形状为直条形无缺口和圆弧过渡， 以使测点数 值沿试样纵向稳定， 不受贴片位置误差影响。 3& 3" 试样贴片与测量过程 在试样长度方向中间位置粘贴应变片。在截面上靠近试验 件的疲劳敏感部位， 对称地贴了 D 个应变片， 试样中心贴片部位 剖面如图 > 所示， 并按图 > 所示对贴片的位置进行编号， 以测量 试样中部应力的分布情况。用同一试样作了多次加载， 加载顺 序见表 ! 。首先在夹具用手拧紧后将试样拉伸到 >::AB/。检查 贴片和应力分布情况， 之后逐渐增加压向载荷， 记录试片内的应
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>H !" 数据分析 从整理的应力测量结果看， 有防弯夹具时不对称应 变所占比例很小， 其中又由两部分组成， 即试样弯曲和测 量误差， 所以实际弯曲成份应小于表中不对称值。试样 受拉时， 由于试样本身的不平直， 加载初期产生有限的弯 曲， 载荷增加时其所占比例减小。测量时在压向加了较 大的载荷， 以至产生了较大的塑性变形 （ 如表 = ） ， 但整个 过程没有很大的弯曲应力出现。为考查夹紧力对试片轴 向力的影响， 用扳手将四个螺钉拧紧， 之后再次测量， 结 果如表 ! 。与徒手拧紧的情况相比， 两次相同载荷下的 变形没有很大的差异， 说明拧紧力在一定范围内对轴向 应力不产生大的影响。当试样没有安装防弯曲夹具时， 测量结果如表 F ， 在很小的压力下产生明显弯曲， 说明此 类试验中的防弯夹具是不可缺少的。即使是一些稍厚的 板片没有产生明显可见弯曲失稳的情况下， 已有弯曲应 力存在， 并将对试验寿命值产生影响。
［ =］ 些疲劳数据， 长期以来对各种规格状态的材料做了大量的测试和研究工作 ， 在这些疲劳试验中， 最基 ［ !， E］ 本也是最常用的是轴向疲劳试验， 它在测试技术上已形成标准的试验方法， 如 FDE"A$ ， 5D$!@A 。在
其中图 =G 是光滑不带应力集中的试样， 图 =H 是带边缺 这些方法中最常用的板材测试试样如图 = 所示， 口的试片， 用于有应力集中存在的试验， 相对于不同的应力集中系数， 缺口底部的半圆直径取不同的值。 过去薄板的疲劳试验所加载荷多是正应力比的拉拉载荷循环， 压向载荷由于引起试样弯曲失稳， 除 对较厚板曾做过很少的一些试验外， 薄板几乎没有测试数据。但在实际使用中薄板也常会有压应力存 在， 如飞机加肋板上蒙皮与型材的组合， 可承受一定的压力而不失稳， 且使用负荷经常拉压交替变化。 从结构设计考虑单有拉拉方向的疲劳数据不足以满足需要。 为解决长期以来疲劳测试中存在的薄板受压弯曲问题， 本文试验一种两侧防护夹板用于存在轴向 压力载荷循环的薄板疲劳检测， 并对检测用试样进行应力测量， 以评估其抗弯曲的效果和对试验结果的 影响。
图 >" 试片中心截面及贴片编号 #$%& >" EF*/5$F,- FG -56/$, +)/-.6) (F$,5-
力变化， 以确定试样是否存在弯曲。为估计两侧夹紧力大小对试片受力的影响， 将夹具用工具扳手拧紧 后， 再次进行测试。最后尝试在没有夹持情况下对试样加少许载荷， 查看应力分布情况。 3& >" 测量结果 在表 ! 中给出了测量的原始记录数据， 不幸的是试验材料在大应力下由于蠕变产生效大塑性变形， 对应变片测量产生影响， 为此重复加载时， 应变量按从零应力处开始的增加量计算， 经此处理后的数据 如表 3 所示。表 3 至表 D 中的平均应变取 D 个应变测量的平均值， 而不对称应变取试样两个表面平均 万方数据 应变的差值。
措施。但不推荐在夹具与螺钉间使用弹性垫片， 以保证夹具的夹紧刚度。
图 !" 标准试验方法推荐的板材试样 #$%& !" ’()*$+),- .-./001 .-)2
图 3" 压缩防弯夹具尺寸形状 #$%& 3" 4)-56/$,5 .-)2 $, 57) 5)-5
" " 试验在 86+-0)6 高频振动疲劳试验机上进行， 试样通过机械夹具夹紧在试验机上。振动频率为 9:;<。 = ! 应力比的对称循环在低寿命区， 载荷及材料变形范围较大， 有时会产生温升和起振困难， 为 不使温升过高， 低寿命的试验在电液伺服试验机上进行， 试样可用液压或机械夹具夹紧， 具体试验频率 视载荷水平与材料情况而定， 本次试验载荷较大时， 试验频率降低到 >;< 以下， 以控制试验温度和液压 试验机在较慢的位移速率下达到控制给定的试验力。
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实# 验# 力# 学
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一种用于金属薄板轴向拉压疲劳试验的防弯夹具
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（ 北京航空材料研究院 力学性能室，北京 ="""B$ ）
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摘要：在金属薄板的轴向疲劳 6 C * 曲线测试中， 研究将一种侧向防弯曲夹具应用于存在压向载 荷的试验。通过粘贴应变片方法测量试样的表面应力， 对试样的受力情况做了定量的分析。测 量结果表明试样安装防弯曲夹具后， 基本消除了由压缩失稳产生的弯曲应力。且通过对不同拧 紧方式的测量， 表明一定的夹紧力下不对试验力产生影响。试验夹具设计成对试样中心轴线的 支撑而让边缘疲劳敏感部位处在非接触状态， 试样断口表明疲劳起源在这些并没有与试样接解 的部位。用钛和铝两种材料的薄板在不同试验机上进行了不同寿命和频率的试验， 试验结果与 正应力比试验同时给出以对比， 各种研究表明本试验有效解决了薄板疲劳受压时的失稳问题。 关键词：疲劳；疲劳试验；压缩；薄板 中图分类号：3DE"!: E ，3F==$: $# # # 文献标识码：+ 金属材料应力寿命的试验曲线是结构安全寿命研究中最基本的材料性能数据。为了取得材料的这
表 ;" 夹具手拧紧时试样受压向载荷时的测量应变值 （ !"） #$%&’ ;" D’,1&$/’3 ./*$+- 0$&1’ 4(+&’ 6)27*’..+)- &)$3 $77&+’3 $-3 /(’ *’./*$+-/ 5+H’3 %I ($-3 （ !"） 应力 （ 89$） = ? !== ? :== ? ;== ? <== ? C== 位置 ! = ? @C= ? !AA@ ? :@=A ? <:<> ? >:BA 位置 : = ? @C= ? !A@! ? :A@C ? <:!< ? >;<@ 位置 ; = ? @B= ? !A@= ? :ACA ? <!;; ? >!:; 位置 < = ? @C= ? !AA: ? :A>@ ? <::! ? >:A= 平均应变 = ? @CC ? !AAA ? :AA: ? <:=< ? >:CA 不对称应变 弯曲 E 轴向F = != C ? !: ? >= ? <; ? !G =C ? =G :> =G <: !G <; =G >@
第 : 期" " " " " " " " " " " 朱亦钢： 一种用于金属薄板轴向拉压疲劳试验的防弯夹具 表 !" 试样受轴向力时的应变测量实际值 （ !"） #$%&’ !" #(’ )*+,+-$& ./*$+- 0$&1’ 2’$.1*’3 4(+&’ 5)*6’ $77&+’3 （ !"） 应力 （ 89$） = !== ;== = ? !== ? :== ? ;== ? <== ? C== = !== ;== = ? !== ? :== ? ;== = !== ;== = ? !== 位置 ! > @:= :AB> !=> ? A<< ? !BA; ? :A=: ? <!<= ? >!B: ? !>!C ? @<@ !:A= ? !!:: ? :=B= ? ;=;@ ? <=!< ? !>!= ? :C: B<B ? !!;! ? ;:!: 位置 : := @!@ :A>< !:= ? A;= ? !BB! ? :BBC ? <=@< ? >::@ ? !C>@ ? CC= !CC= ? A:> ? !B>= ? :B!C ? ;>A< ? !:@@ ? <:@ C;= ? !:A; ? !=B! 位置 ; ?< A@; :A=> !<< ? A:> ? !B<> ? :B!< ? ;@A@ ? C@B@ ? !<:= ? CA@ !>@: ? >C< ? !C>@ ? :C!A ? ;<B; ? !!C< ? !!C A:C ? @AB ? B@! 位置 < ?: @=: :A:> !:= ? A;= ? !B>: ? :B<@ ? <!=! ? >!>= ? !>=B ? @<A !:@@ ? !=C: ? !@AA ? :@<= ? ;@!: ? !CA: ? ;:= >C< ? !!@< ? ;:;< 不带 夹具 工具 拧紧 夹具 手紧 夹具