毕业论文-拉伸-剪切复合载荷原位力学测试装置设计及试验.docx

吉 林 大 学机械科学与工程学院本科生毕业论文拉伸-剪切复合载荷原位力学测试装置设计及试验The design and experimental research on in-situ combined tension and shearing testing instrument学生姓名： 学 号：班 级： 专 业：机械工程及自动化指导教师：2015年6月I摘 要吉林大学学士学位论文（设计）承诺书 本人郑重承诺：所呈交的学士学位毕业论文（设计），是本人在指导教师的指导下，独立进行实验、设计、调研等工作基础上取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的作品成果。对本人实验或设计中做出重要贡献的个人或集体，均已在文中以明确的方式注明。本人完全意识到本承诺书的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 日期： 年 月 日摘 要摘 要在工程实际中，材料的服役条件大多为多种应力状态的耦合，而其发生变形乃至失效的行为也是在多种复合载荷共同作用下产生的。而传统的材料力学性能测试基本上是在单一载荷下进行的，并且当前大多测试装置结构复杂，体积笨重，不易转移，无法适用于特殊研究场合及对“实时性”要求较高的场合。综上，本文设计了拉伸-剪切复合加载的原位力学测试装置，该装置体积小巧、结构紧凑，测试精度高，能够模拟出材料在接近服役条件下的应力状态，并可利用微观成像系统在线监测宏观试件在复合载荷作用下的微观变形和破坏过程，从微观角度对材料的失效行为做出理论解释。本文首先以传统的单一载荷力学性能测试为理论基础，借助改进型Argan夹具，实现拉伸-剪切复合载荷的加载，并对此种应力状态下试件载荷的耦合与解耦提出相关模型，并通过之后的试验结果验证模型的可行性。本文搭建了拉伸-剪切复合载荷测试系统，并详细介绍了系统夹持单元、传动单元、驱动单元与信号检测单元等组成单元。在对重要传动件进行理论校核、传感器进行标定等一系列前提工作后，确保了试验数据采集的准确可靠。之后针对不同材料进行了纯拉伸、纯剪切、拉伸-剪切复合载荷等试验，并可结合微观成像系统，对试验结果进行处理与分析，对材料的失效行为作出合理性解释。关键词 拉伸测试 剪切测试 复合载荷 原位测试 测试装置 力学性能AbstractAbstractWhen it comes to the materials for engineering structure, it is considered that most of the material conditions of service is coupled by multiple stress state, and its behaviors of deformation and failure are generated by a variety of complex interaction. Traditionally, mechanical properties of materials are mainly tasted within the single loading case. Due to its complex, bulky structure and difficulty to transfer, most testing instrument cannot be applied to special occasions and the real-time demanding applications. In summary, an in-situ combined tensile and bending testing instrument is designed. This compact and precision instrument can simulate the material stress state at near service conditions, and could use microscopic imaging system online monitoring microscopic deformation and failure process of macro specimens under complex loads, thereby explaining the failure behavior of the material.Firstly, on the basis of the traditional mechanical properties within the single loading case, with the improved Argan fixture achieving tensile - shear combined loads, a relevant model , coupling and decoupling load within such a stress test, is proposed, and feasibility of the model is verified by means of the test results later.This paper built a tensile - shear complex load testing system, and detailed the clamping unit, the drive unit, the drive unit and the signal detection unit and other constituent units. After checking the important transmission parts theoretically and calibrating the sensors, ensuring accurate and reliable test data acquired, the different materials were tested within pure tension, pure shear, tensile - shear combined loads and other conditions. Combined with the microscopic imaging system, the test results were processed and analyzed to make a reasonable explanation for the failure behavior of the material.Keywords: tensile test, shearing test, combined load, testing device, in-situ test, mechanical property.39目 录目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 研究背景与意义11.2 国内外研究现状21.2.1国外现状21.2.2 国内现状41.3 本文主要研究内容4第2章 拉伸-剪切复合加载原位测试装置相关理论基础62.1 传统材料力学性能测试理论基础62.1.1传统拉伸试验理论62.1.2传统剪切试验理论82.2 拉-剪复合载荷理论基础92.2.1 拉-剪复合载荷加载模式的实现92.2.2 拉-剪复合载荷的解耦102.2 本章小结12第3章 测试装置的设计分析133.1 测试装置的整体结构设计与基本原理133.1.1 测试装置驱动单元143.1.2 测试装置传动单元153.1.3 测试装置夹持单元153.1.4 测试装置信号检测单元163.2 测试装置关键零部件的校核173.2.1 电机的选择计算173.2.2 传动轴的校核计算183.2.3 滚珠丝杠的校核计算223.2 本章小结25第4章 测试装置的试验研究264.1 拉伸剪切复合加载测试系统组成264.1.1 测试系统综述264.1.2 测试系统的数据采集与处理274.2 传感器的标定294.2.1 位移传感器的标定294.2.2 力传感器的标定304.3 拉伸-剪切复合加载试验研究314.4 本章小结32第5章 总结与展望335.1 全文总结335.2 论文展望33参考文献35致 谢38第1章 绪论第1章 绪论1.1 研究背景与意义千丈之堤，以蝼蚁之穴溃；百尺之室，以突隙之烟焚。 韩非韩非子喻老古云：九层之台,起于垒土。从古至今，人类社会的发展便伴随着材料的发展。100万年以前，原始人使用天然石制品或对石器进行粗加工作为工具，称为旧石器时代。1万多年以前，人类将石器制成器皿等生活用品，人类社会从此迈入新石器时代。到了新石器时代的后期，人类学会了利用粘土烧制陶器。而在上述发展历程中，人类在对石器的探索过程中逐渐认识了矿石，并在烧陶生产中发展了冶铜术，开创了冶金技术，自此，材料的发展进入了一个新时代。公元前5000年，青铜器冶炼技术的成熟标志着人类进入青铜器时代。青铜器虽然有着卓越的力学性能，但在当时较为珍贵，并未普及，所以人类仍在探索一种可广为应用的高性能材料。到了公元前13世纪左右，人类发现了铁，从而进入了铁器时代。随着冶金技术的发展，人们学会在铁的基础上对其力学性能进行改造炼钢。值得一提的是，由于钢铁技术的发展，使其成为工业革命的重要内容和物质基础。之后，伴随着人们对自然的探索，铜、铅、锌等金属材料也得到了大量应用，铝、镁、钛等力学系能卓越的金属相继问世，并得到应用，并沿用至今。时至今日，金属材料在工程应用中仍占着主导地位。但近些年来，随着科学技术的迅猛发展，以非晶合金、纳米复合材料、薄膜材料、超硬材料为代表的新材料正扮演着越来越重要的角色。回首材料的发展历程，石器陶器青铜器铁器金属新材料的发展，其实是其力学性能的发展，而研究材料力学性能的重要性不言而喻。图1.1 材料的发展历程材料力学性能是指材料在常温、静载作用下的宏观力学性能。是工程设计中的重要参考依据。都需要通过相应的试验对材料的力学性能进行测试，很多新材料的探索与研究也是按照上述方法进行的。工程实际中，小到微型机器人，大到航天飞机、跨海大桥，材料都不会只是在传统单一载荷测试所设定的理想条件下工作，这些材料的服役条件大多为多种应力状态的耦合。材料在实际工况下的受力情况远比现有的材料学测试仪器设定的条件复杂1-14。在设计者制订材料选用依据的时候，表征材料力学性能的重要参数，是设计者重要的参考指标，也是诸多研究人员迫切希望能研究的目标。研究材料在实际服役条件下或接近服役条件下的所表现的力学性能将具有十分重要的意义。市场上一般的材料力学性能测试机体积较大，携带不方便，而对于某些研究现场或对实时性要求较高的场合，需要一种“便携式”的实验机，可以在现场对材料的力学性能进行测试，从而便于之后的进展。本文旨在设计一种小型拉剪组合原位试验机，可以进行材料在拉剪组合下的“实时”测试，而原位测试则为微观方法研究材料在复合场的晶体结构提供便利。1.2 国内外研究现状1.2.1国外现状在工业的发展历程中，新材料、新工艺、新产品层出不穷。在对材料广泛应用之前，判断材料的力学性能与制品的结构性能就显得尤为重要，于是材料力学性能测试装置应运而生。历史第一台拉伸试验机可以追溯到200多年前的西欧，其运用杠杆原理，通过改变砝码调节载荷大小，用于测定钢铁等金属的抗拉强度。之后随着冶金技术的发展与材料力学的研究，拉伸试验机逐渐成为一种专门用于测量材料各种力学性能的工具。二战以后，随着各国对材料领域的重视，试验机产业得到了飞速的发展。国外的试验机技术因其起步较早，性能良好，比较具有代表性的有MTS、岛津、英斯特朗等国外品牌。图1.2 现有的商业化试验机（1）美国MTS公司 谈及试验机，就不得不提及MTS系统公司。它是全球最大的力学性能测试及模拟试验系统供应商如图1.2所示为MTS的一款压（拉）剪试验机15，采用全数字闭环控制系统；控制范围广，精确度高。在试验过程中能够自动、精确地实现应力、应变等闭环控制功能和载荷力、位移与变形等试验数据的测量；而对于装置的剪切加载部分，其采用了滚动限位导向，使其能抵抗较大的侧向载荷的同时又将摩擦力降至最低，从而保证了试验的可靠性与准确性。主要用于检验减震器等产品的力学性能，可对橡胶支座成品进行抗拉强度、抗压模量等相关力学性能技术指标的试验。并能对相关产品进行在载荷试验下轴向和径向变形的检测。对于拉压部分，其最大试验力为5000kN, 试验力分辨力为最大试验力的1/300000，变形量检测范围为0-10mm，变形测量分辨力为0.001mm。对于剪切部分，其最大试验力为1000kN，试验力分辨力为最大试验力的1/300000，位移测量范围为0-190mm，位移测量分辨力为0.01mm。（2）日本岛津公司 岛津公司16自1875年创业以来，在分析测试仪器领域享有很高的评价。如图1.2所示为岛津公司最新型的AGS-X电子万能试验机（立式）。AGS-X系列试验机采用主机与控制装置一体化结构，占地面积小。其显著特点：主机与控制装置采用一体化设计，超薄形设计，适合安装在小的空间内；采用交流伺服电机驱动，控制精确度高；卸载回程时可进行高速返回，从而缩短试验周期，提高试验效率；夹具模块化，可根据不同的试件进行夹具更换；机架可进行加长，特别适合于高塑性材料拉伸试验。主要用于各种金属材料、非金属材料、复合材料的拉伸试验、压缩、弯曲试验；机械部件、电子部件的拉伸、剥离、焊接强度试验；控制或循环试验；应力松弛或蠕变试验。其载荷容量为100KN、300KN，载荷精度为显示值的0.5%，位置检测分辨率为0.033um。（3） 美国Instron（英斯特朗）公司英斯特朗公司17成立于1946年，其设计了世界上第一台闭环控制的材料试验机和第一个应变片式载荷传感器。 如图1.2所示为英斯特朗公司用于小载荷的5944单立柱台式试验机。其结构紧凑，占地面积小，刚度高，且对中准确，保证了数据采集的准确性与可靠 其广泛用于生物材料，食品纺织、微电子产业、塑料薄膜等。其最大载荷为2kN，载荷测量精度为示值的0.5%。1.2.2 国内现状由于我国的工业基础较为薄弱，缺乏核心技术与创新能力，在试验机的开发和应用领域与国外先进技术还有一定的差距。产品的稳定性与可靠性问题得不到根本解决，一些“高精尖”的仪器主要依赖进口，严重制约产业的发展。令人欣慰的是，随着国家对材料以及制造业的重视，近些年来国内崛起不少如长春试验机等的研究机构，弥补了国内试验机领域的空白。图1.3 某国产单轴原位疲劳试验机1.3 本文主要研究内容本文将在已有工作基础上，进行拉剪复合载荷的原位实验置的设计，并据此开展一系列测试的理论和实验研究。同时改善现有装置中大多测试结果分散性大、重复性不足等问题18-29。使测试装置与显微成像设备具有一定的兼容性并具有一定的功能扩展性，以便实现多物理场的耦合。本设计拟采用高性能无刷直流伺服电机作为动力源，配合大减速比减速机构起到减速增扭的作用，实现低速运动的平稳性。并采用左/右旋双向滚珠丝杠传动，从而实现原位的目的。在加持部分，采用Arcan夹具30-37实现拉剪载荷的加载。结合载荷和位移的同步检测与误差补偿技术及测试系统的闭环控制方法，展开对以工程金属材料为主，配以非晶合金、纳米复合材料、薄膜材料、超硬材料及硅、锗、砷化镓等半导体材料的原位试验，利用得到的应力-应变曲线获得相关重要力学参数，结合微观成像技术，对材料在复合载荷下的力学行为、损伤机制和金相变化等进行分析，并展开若干探索性研究。综合以上本文的主要内容可以分为以下几个方面：1、以传统的单一载荷力学性能测试为理论基础，借助改进型Argan夹具，实现拉伸-剪切复合载荷的加载，并对此种应力状态下试件载荷的耦合与解耦提出相关模型，并通过之后的试验结果验证模型的可行性。2、分析设计装置和其他商业化仪器的优缺点，建立机械系统的三维模型； 3、设计并优化系统各子模块，实现总体尺寸与微观成像系统观测尺寸相符合，对关键零部件的强度进行理论校核，保证刚度的同时保证机器的小型化、集成化、模块化。4、对信号检测单元进行标定，对试件进行拉伸、剪切测试，得出其拉伸、剪切曲线。对比材料的相应标准参数及标准商业化仪器的输出曲线，修正相关参数，调试相关模块，验证试验数据的可靠性与准确性。 5、对试件进行试验，获取不同载荷类型的力学曲线，结合微观成像系统，对数据分析，进一步揭示材料变形、损伤和破坏机理。 6、总结设计、开发、实验中遇到的问题，优化整个系统。第2章 拉伸-剪切复合加载原位测试装置相关理论基础第2章 拉伸-剪切复合加载原位测试装置相关理论基础对于在工程实际中广泛应用的金属材料，塑性变形与断裂是材料在静载荷下发生失效的主要形式。而不同的加载方式会在材料中产生不同的应力状态，从而使得材料表现出不同的力学行为。因此，文章以传统的材料力学性能测试的理论为基础，初步探讨了材料在拉伸-剪切复合载荷下，材料力学性能测试技术的基本理论及计算公式。2.1 传统材料力学性能测试理论基础所谓材料力学性能，主要是指材料在外力作用下，所表现出的变形与破坏方面的特性。而通过选用不同应力状态的实验方法，便于了解材料受力与变形之间的关系，从而测定出表征材料力学性能的的各项重要指标。2.1.1传统拉伸试验理论拉伸试验38-39是指采用标准的拉伸试验机，在可控的拉伸力作用下，将试件从开始弹性变形一直拉伸，直至材料发生破坏的整个过程测试过程。由于拉伸试验操作较为简单并且测试结果可以直观的反应材料诸多方面的力学性能，从而使拉伸试验成为工业应用最为广泛的材料力学性能测试方法之一。通过拉伸试验，可以获得相应材料在静载荷作用下常见的力学行为，如弹性变形、塑性变形与断裂；还可以通过对试验数据的分析与处理，测定表征材料力学性能的重要指标，如屈服极限、抗拉强度、断后伸长率与断面收缩率。材料拉伸试验主要获取的原始数据为拉力及试件标距的伸长量，根据试验测得的一系列数据，作出和关系的曲线，称为拉伸图或曲线。但曲线与试件尺寸有关，为消除试件尺寸的影响，定义应力；应变。从而获得应力-应变图。如图2.1 所示，根据试验结果，对于典型如低碳钢的塑性材料，可分为弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和局部变形阶段等几个典型的变形阶段。图2.1 典型低碳钢拉伸曲线38（1） 弹性阶段在拉伸的初始阶段，与成正比，即（2-1）这就是著名的胡克定律，式中，为与材料自身性能有关的比例系数，称为弹性模量或刚度，它表示材料的弹性性能，体现了材料抵抗弹性变形的能力，是金属材料重要的力学性能指标之一。由公式（2-1），并从曲线的前半段直线部分可以看出（2-2）所以是直线的斜率。最高点所对应的应力称为比例极限，用表示从点到点，与不再为线性关系，但仍是弹性变形，即解除载荷后试件可完全恢复。点的应力状态为材料只存在弹性变形的极限，称为弹性极限，用表示。而因、两点非常接近，在工程的实际应用中，两者并不严格区分，所以常说，当应力在低于弹性极限的范围内，应力与应变正相关，材料服从胡克定律。（2） 屈服阶段如图2.1所示,当应力超过点达到某值后，应力出现明显的波动，在曲线上出现水平变化的诸多小锯齿形线段。我们把这种应力值基本不变，而应变显著增加的现象，称为屈服。在屈服过程中，其应力对应的最大值与最小值分别称为上屈服点和下屈服点。实际上，上屈服点与加载速率等诸多不确定因素相关，一般不稳定。而相比而言，因为下屈服点可以稳定的反映材料性能，称其为屈服极限，用表示。而产生屈服现象是金属材料出现宏观塑性变形的标志。而构件出现塑性变形后其力学性能会发生改变，从而影响其正常服役，使整体结构存在潜在危险，所以屈服极限是衡量材料强度的重要指标。（3） 强化阶段材料经过屈服阶段后，应力-应变曲线恢复稳定，材料又恢复了对变形的抵抗能力，我们把这种现象称为材料的强化。如图2.1所示，强化阶段最高点所表示的应力值，是该种材料在实际中所能承受的最大应力，我们称其为强度极限或抗拉强度。它是衡量材料力学性能的又一重要指标。（4） 局部变形阶段经过点后，在试件标距的某一局部范围，其横截面面积突然迅速降低，形成缩颈现象。试件被拉断后，由于保留了塑性变形，标距段长度由变为。对于伸长率有（2-3）伸长率是衡量材料塑性这一力学性能的重要指标，材料的塑性变形越大，对应的伸长率也就越大。工程实际中通常根据伸长率的大小将材料分为两大类，我们把如低碳钢、铝合金等的材料称为塑性材料；而把如铸铁、陶瓷等的材料称为脆性材料。同样的，我们也可以用径向尺寸的变化来衡量材料的弹塑性能力，若试件原始的横截面积为,断裂后缩颈处的最小截面尺寸变为，对于断面收缩率有（2-4）2.1.2传统剪切试验理论剪切变形是杆件常见的变形形式之一。在工程实际中，很多零部件都受到剪切力的作用，如螺钉图（2.2a）、销钉（图2.2b）、螺栓、焊缝（图2.2c）、键块（图2.2d）等。这类零部件的受力特点为：作用于其两侧面的载荷大小相等，方向相反，且作用轴线相距很近。这些连接件虽然相对于箱体类零件体积较小，但却在机械结构中扮演着重要的保障角色。图2.2 工程实际冲常见的剪切变形由图2.2可见，剪切变形只发生在受剪构件的局部，而且外部载荷也作用于附近，因此，切应力在其分布较为复杂。对于可能发生破坏的构建的计算校核，工程中常假定剪切面上载荷均匀，从而进行近似计算38。图2.3 螺栓联接结构剪切示意图如图2.3所示，当钢板受拉力时，螺栓受力如图2.3b所示，当外力增大到一定值时，螺栓可能沿着截面被剪断（图2.3c），我们将这个截面称为剪切面。如图2.3d所示，假定剪力分布均匀，则对于切应力有（2-5）式中，为剪切面面积。于是，剪切强度条件为（2-6）同样的，对应于典型拉伸试验的弹性模量，剪切过程中也有对应的剪切模量 （2-7）式中，表示剪应力，表示剪应变。在均值且同向性的材料中，弹性模量与剪切模量有如下关系（2-8）式中，表示泊松比。2.2 拉-剪复合载荷理论基础2.2.1 拉-剪复合载荷加载模式的实现1977年M. Arcan提出了利用拉伸方向与试件轴线方向角度变换的方法，来构建不同的平面应力状态，并设计了可实现拉伸-剪切复合加载的Arcan夹具。之后，Arcan夹具被多次改造并应用于多种材料在拉伸-剪切平面应力状态下的力学性能研究，这些研究发现平面复合加载时材料表现出的力学性能，与单轴拉伸及纯剪切测试的结果并不一致。因此，本节主要针对拉伸-剪切复合加载下材料缩变现出的力学行为及变形机理，提出相应的解耦方法。如图2.4所示为利用改进的Arcan夹具40对被测试件分别施加单轴拉伸、拉伸-剪切复合载荷以及纯剪切试验的原理示意图。，通过调整Arcan夹具与试验平台的相对角度位置，即当不同定位孔的圆心与试件轴线同轴时，外部载荷与试件轴线方向可互成的偏移角为0、45或90。当偏移角为0时，被测试件的受载形式为单轴拉伸；当为90，且两Arcan夹具体的间距足够小时，被测试件在两力间的截面（剪切面）将产生相对错动，试件的受载形式可认为是纯剪切；而当为45时，可将外部载荷分解为沿试件轴线方向的拉伸和垂直于轴线方向的剪切，此时试件实际承受拉伸-剪切复合载荷作用（与工程中广泛应用的螺栓等连接件的服役条件相似），该复合载荷作用模式若能准确解耦出导致材料发生变形损伤的主导因素，将利于进一步揭示材料在接近服役条件下的损伤机理，同时为工程的实际应用提供理论基础。图2.4 改进Argan夹具实现拉-剪复合载荷原理示意图40（a）为试件夹持方式立式夹持；（b）为燕尾形试件的结构尺寸；（c）为通过改变夹具体与试验装置的相对角度以实现不同加载模式的原理示意图。2.2.2 拉-剪复合载荷的解耦为使模型具有普遍性，我们假设偏移角为任意锐角。为得到试件在此时的实际拉伸应变与切应变，我们从宏观角度建立如下计算模型（如图2.5a）。假设试验前试件标距段的原始长度为,力的加载方向与试件轴线的偏移角为。在外部载荷的作用下，试件发生形变，标距段长度变为，偏移角由原来的变为（，其中为试件沿载荷施加方向旋转的角度）。不难看出，随着试验的进行，试件的变形越来越大，从而使得偏移角产生变化，而偏移角又决定了纯拉力与纯剪力的矢量分量。由此可知，试件在实际试验过程中等效的纯拉伸及纯剪切的应力、应变与直接通过力传感器和位移传感器采集并计算获取的应力、应变之间并非固定的正余弦关系。如图2.5所示，蓝色线段代表试验开始前试件的位置，红色线段代表试验进行一段时间后，试件受力形变后的位置。由于试验过程中外载荷为单轴双向同时加载，即力大小相等，方向相反，所以试件在试验过程中始终保持中心对称。因此，试件的理论计算应变值与实际测量应变值的关系可通过图2.5b中所示的钝角三角形OAB的边长关系建立，其中线段AB的长度为通过位移传感器读取的沿加载方向的单端伸长量（即位移传感器示数的一半），借助余弦定理可推得，、与的关系可表述为：（2-9）图2.5 拉-剪复合载荷解耦示意图类比与传统单轴拉伸试验，试件在标距段内的应变，对于拉-剪组合解耦后等效的拉应变，有（2-10）由上式可知，随着试验的进行，位移传感器示数逐渐增大，拉应变逐渐增大。与此同时，由于剪切作用形成的剪切角可认为是试件的切应变，且可直接由直线OA与OB的夹角确定，如图2.5b所示，切应变可表示为：（2-11）进一步，根据上述角度关系，提取出试件受拉-扭复合载荷时等效的实际拉伸力及剪切力，同样类比于传统单轴拉伸试验的正应力（A为横截面的原始面积），设本试验所用试件标距段的宽为b，厚为h。则原始横截面积，将外部载荷力分解到沿试件轴线方向和垂直于试件轴线方向可得（2-12）（2-13）代入正应力与切应力的定义式可得（2-14）（2-15）由上式可知，正应力与切应力不仅与原始的偏移角有关，还与切应变的角度有关，这意味着在试验过程中，正应力与切应力是不断变化的。2.2 本章小结本章简单介绍了表征材料力学性能的重要性能指标，并阐述了材料在传统拉伸试验与剪切试验中所表现出的一些力学特征。并在此基础上，借助改进的Argan夹具，构建拉-剪组合的复合载荷，并通过改变拉力与试件轴线的夹角，调整等效拉伸和剪切作用在试验过程中的影响。在本章最后，针对拉-剪复合载荷，建立了相应的力学模型，提出解耦方法，并将通过之后的试验验证模型的正确性。第3章 测试装置的设计分析第3章 测试装置的设计分析本章对拉伸-剪切组合原位试验机的各部分基本组成及其工作原理进行了系统的阐述，特别对动力单元、传动单元、加载单元和检测单元进行详细的介绍。并针对所设计的拉伸-剪切组合原位试验机中的关键零部件及传动件进行理论校核计算，以验证其设计强度刚度满足实际使用要求。3.1 测试装置的整体结构设计与基本原理拉伸-剪切组合原位试验机由精密驱动单元、精密传动单元、载荷/位移信号检测及控制单元以及夹持单元组成。其优点在于：体积小，结构紧凑，具有便携性，适用于实时性要求较高等其他特殊应用场合；测试精度高，变形/位移/载荷速率可控，可安装于各种主流微观成像系统的载物平台上，可与成像设备兼容使用，从而可进一步从微观角度探寻材料的失效机理 。首先运用CATIA软件进行三维建模，对整机进行建模，设计并完善各零部件，确认各种配合和接触关系。确保各零部件之间没有干涉，同时也为运用ANSYS等仿真软件进行动力学仿真提供了三维模型。下图3.1为整机的总装配三维CATIA模型。 图3.1 测试装置总装配图下图为三维模型标注零件序号线图，下文将参照线图标注，对各零部件的装配关系进行介绍。图3.2 整体外观示意图如图3.2所示，各个序号所指的零部件分别为：1. 直流伺服电机组件；2. 蜗轮蜗杆组件A；3. 轴承座；4.深沟球轴承；5. 蜗轮蜗杆组件B；6. 传动轴；7. 丝杠螺母支撑端；8.左右旋丝杠螺母副；9. 滑动导轨组件；10.交叉滚子导轨；11. 底板；12.丝杠螺母连接板A；13. 高精密力传感器；14.力传感器转接板；15.试件装夹端；16.夹具盖板；17.高精密位移传感器；18. 位移传感器支撑座；19.位移传感器转接板；20. 丝杠螺母连接板B。下文将使用这些零件编号来描述详细的机械结构。3.1.1 测试装置驱动单元拉伸-剪切组合原位试验机的精密驱动单元指的是直流伺服电机组件（1）的输出轴与蜗轮蜗杆组件A（2）连接；编码器连驱动器、电机驱动器直接连接计算机，通过软件控制电机，实现动力初始输出；如此，通过传动机构实现对被测试件的拉伸（剪切）载荷模式下的准静态加载。3.1.2 测试装置传动单元拉伸-剪切组合原位试验机的精密传动单元包括传动轴（6）、蜗轮蜗杆组件B（5）、左右旋丝杠螺母副（8）、滑动导轨组件（9）、丝杠螺母连接板A（12）、丝杠螺母连接板B（20）。图3.3 装置驱动单元与传动单元直流伺服电机组件（1）输出轴连接蜗轮蜗杆组件A（2）的蜗杆，蜗轮蜗杆组件A（2）的蜗轮固定在传动轴（6）轴端，蜗轮蜗杆组件B（5）的蜗轮固定在传动轴（6）的中部，蜗轮蜗杆组件B（5）的蜗杆连接在左右旋丝杠螺母副（8）的丝杠轴端；左右旋丝杠螺母副（8）通过丝杠螺母支撑端（7）固定在底板（11）上；左右旋丝杠的两螺母副（8）分别与丝杠螺母连接板A（12）和丝杠螺母连接，两连接板借助滑动导轨组件（9）可实现沿丝杠轴线方向的“原位”运动。3.1.3 测试装置夹持单元拉伸-剪切组合原位试验机的夹持单元包括交叉滚子导轨（10）、力传感器转接板（14）、位移传感器转接板（17）、试件装夹端（15）、夹具盖板（16）。力传感器转接板（14）通过螺纹连接高精密力传感器（13），高精密力传感器（13）另一端固定在丝杠螺母连接板A（12）上；同样的 ，位移传感器转接板（19）固定在丝杠螺母连接板B（20），构成测试平台。值得一提的是，为防止因为两平台高度不同而造成的非对中误差，在零件加工及装配过程中需格外注意。图3.4 装置夹持单元与信号检测单元试件装夹端（15）安装在两转接板（14,19）上。特别地，对于试件装夹端（15），多数的试验机一般采用表面滚花等以摩擦力为主的夹紧方式，但这种方法对于试件尺寸略大、强度较高的材料，显得“力不从心”，往往会在试验过程中出现试件的“窜动”，从而使得曲线产生很大的误差。因此本测试装置采用更为可靠的“燕尾型”试件在试验过程中以螺钉的外表面进行定位与“夹紧”，避免了由于夹紧摩擦力小于拉伸力时出现的试件“窜动”现象。另外，本测试装置的试件装夹采用区别于多数装置水平夹持的方案，采用立式夹持，避免了在剪切试验中，试件夹持端由于变形导致位置“窜动”而造成的误差。3.1.4 测试装置信号检测单元拉伸-剪切组合原位试验机的信号检测单元由高精密力传感器（13）、高精度位移传感器（17）组成。力传感器转接板（14）通过螺纹与高精密力传感器（17）连接，高精密力传感器（17）另一端又通过螺母固定在丝杠螺母连接板A（12）上；高精度位移传感器（17）主体固定在位移传感器支撑座（18）上，位移传感器支撑座（18）又与位移传感器转接板（19）连接，高精度位移传感器（17）的探头顶在力传感器转接板（14）上；如此，可实时精确记录在试件料拉伸（剪切）过程中的受力和变形量，并通过换算得到应力、应变等重要数据；同时可提供包括变形速率、载荷速率在内的模拟或数字量作为直流伺服电机组件（1）的脉冲/方向闭环控制模式的反馈信号源，即可实现恒变形速率、恒载荷速率及恒位移速率三种加载/卸载方式。3.2 测试装置关键零部件的校核为了确保所设计的测试装置获取数据的可靠性，仪器本身的传动驱动能力以及各部分机械结构的强度/刚度设计便显得尤为重要，本小节对测试装置所涉及的关键零部件从理论计算的角度出发，进行了相应的校核工作。3.2.1 电机的选择计算如上文介绍，本测试装置采用直流电机进行驱动，因此首先需要根据测试工况对电机进行选型，来确定测试装置的电机额定转矩与转速。针对本测试装置，电机的运动经两级蜗轮蜗杆减速增扭之后，由滚珠丝杠将旋转运动转化为直线运动。本测试装置选用的精密力传感器的量程为1000N（对于多数工程材料已足够，若欲对特殊高强度材料进行性能测试，可更换测试装置的信号检测单元），本小结将根据以上原始条件对传动过程中各部件中的力及转速进行计算。（1）选择电机的容量所需电机功率：（3-1）式中电机功率（W）工作阻力（N）v工作台加载速率（m/s）总效率，滚珠丝杠效率减速机效率蜗轮蜗杆效率根据已知条件，最大工作阻力；因为为左右旋丝杠，双向同时加载，所以工作台最大加载速率；滚珠丝杠效率；减速机效率；蜗轮蜗杆效率；所以，电机所需的最小额定功率（3-2）由此可见功率不是制约电机选型的因素。（2）确定电机转速电机至工作台的关系为（3-3）式中v工作台的移动速度（mm/min）n电机转速（r/min）u减速比丝杠导程（mm）根据已知条件，；本测试装置中所用双向滚珠丝杠型号为SFK1002，丝杠导程；本测试装置中所采用的两组蜗轮蜗杆减速组型号均为，总减速比u=1：900，所以电机所需的最小转速（3-4）所选电机为maxon空心杯直流减速机，其具体参数如下表所示所选电机能满足功率与转速要求。3.2.2 传动轴的校核计算中间传动轴上固联有蜗轮蜗杆组件，并且是依靠两个轴承支撑于底板上， 其受力情况比较复杂，为了保证其在传动过程中稳定可靠，现对其受力状况进行校核计算。（1）确定各轴转矩对于滚珠丝杠的驱动转矩，有（3-5）式中滚珠丝杠与螺母传递的实际转矩（Nmm）F滚珠丝杠工作过程中承受的轴向力（N）丝杠导程（mm）滚珠丝杠的传动效率因滚珠丝杠预紧引起的附加摩擦转矩（粗略计算时可忽略）本测试装置中所用双向滚珠丝杠型号为SFK1002，丝杠导程；进给丝杠的正效率=0.96；丝杠轴向力F=1000N;忽略丝杠预紧的影响，有（3-6）对于传动轴上的转矩，有（3-7）同样的，对于电机轴上的转矩，有（3-8）（2）计算轴的外力蜗轮蜗杆组件的受力分析如图3.5所示。图3.5 蜗轮蜗杆传动的受力分析对于蜗轮蜗杆组件A，传动轴上蜗轮的受力，有（3-9）（3-10）（3-11）同理，对于蜗轮蜗杆组件B，传动轴上蜗杆的受力，有（3-12）（3-13）（3-14）图3.6 传动轴的受力分析将图3.6中作用在蜗轮蜗杆上的力向传动轴轴线简化，得到图3.7。图中a=29mm,b=c=26mm。图3.7 传动轴的计算简图其中（3-15）（3-16）（3-17）（3-18）（3）内力分析根据传动轴的受力情况，可相应地作出轴的内力图。其中图3.8a为扭矩图；图3.8b、c为垂直平面和水平面内的弯矩图；图3.8d为轴力图。图3.8 传动轴的内力图由图3.8可见，传动轴为扭转与弯曲及拉伸的组合变形情况（这也印证了多数零部件在服役阶段受力的“多样性”，从而间接说明了复合载荷试验机的应用价值与意义。）从内力图上可以看出，传动轴的危险截面为蜗轮蜗杆组件B所在截面的左侧或右侧。下面对两危险截面的应力情况做具体分析。（4）应力分析对于左截面，其合成弯矩（3-19）对于右截面，其合成弯矩（3-20）对于左截面，其最大正应力（3-21）对于右截面，其最大正应力（3-22）所以判断得危险截面为左截面，其上最大切应力（3-23）（5）强度校核根据第四强度理论，有（3-24）显然，故满足强度条件。3.2.3 滚珠丝杠的校核计算在整个试验过程中，滚珠丝杠作为重要传动件，将旋转运动转化为直线运动，需要承受较大的工作载荷。为了保证其在试验过程中的可靠性与稳定性，本小结将对滚珠丝杠的额定静载荷和疲劳寿命进行校核计算，测试装置中选用的滚珠丝杠的基本参数如下表所示。（1）最大轴向载荷的计算为了保证滚珠丝杠螺母副在试验过程中运动的平稳、可靠，需要根据滚珠丝杠螺母的额定静载荷对其所能承受的最大轴向载荷进行校核，校核过程中通常用额定静载荷除以一个静安全系数来表示（3-25）式中滚珠丝杠工作过程中所能承受的最大轴向力（N）基本额定静载荷（N）静安全系数，根据负载条件按下表进行选取根据所选用的滚珠丝杠型号可以确定：基本额定静载荷=3050N；根据负载条件取静安全系数=1.2，故对于滚珠丝杠所能承受的最大轴向力，有（3-26）因为最大工作载荷，所以滚珠丝杠最大轴向载荷满足设计要求。（2）疲劳寿命的计算所有借助接触摩擦进行相对运动的传动件，工作一段时间后，都会产生磨损，当磨损达到一定程度后，便无法正常工作，滚珠丝杠亦然。我们把滚珠丝杠从开始使用直至不能使用前的使用时间称为滚珠丝杠的寿命。为了保证其在服役阶段具有较高的传动效率和传动精度，一般需要对其疲劳寿命进行估算，工程应用中常借助滚珠丝杠的疲劳寿命来推算其额定寿命，对于其寿命的计算有（3-27）（3-28）式中以工作中总转数表示的额定疲劳寿命（r）以工作中运行时间表示的疲劳寿命（h）螺母额定动载荷（N）平均轴向载荷（N），当缓慢加载时有最小轴向载荷（N）最大轴向载荷（N）N滚珠丝杠的实际工作转速（r/min）滚珠丝杠导程（mm）n滚珠丝杠螺母副每分钟往复次数（次/min），计算公式为滚珠丝杠螺母副实际工作行程（mm）载荷系数，与工况及运行速度有关，详见下表根据设计参数，螺母额定动载荷=1850N；最小轴向载荷=0.035 N，最大轴向载荷=1000 N，所以对于得平均轴向力，有（3-29）一般为减少试验过程因载荷冲击造成的影响，确保其为“准静态”过程，常控制应变速率，对于本测试装置采用的对称拉伸，则有，螺母副实际工作行程=2mm，则对于螺母副每分钟往返次数，有（3-30）又加载属于微速运动情况，取载荷系数为1，故（3-31）（3-32）对于滚珠丝杠的设计寿命，参考如下表对于本测试装置，取参考额定寿命为15000h,因为滚珠丝杠的疲劳寿命，所以其满足寿命要求。3.2 本章小结本章详细介绍了拉伸-剪切组合原位试验机机械部分的结构设计与基本原理，并在此基础上，为了确保所设计的测试装置获取数据的可靠性，对关键零部件进行了校核计算，对仪器进一步的零部件选型及优化、机械加工及装配具有指导意义。第4章 测试装置的试验研究第4章 测试装置的试验研究本文所介绍的拉伸-剪切复合加载原位测试装置可分为两大部分：机械部分与控制部分。在上一章中，已对测试装置的机械部分进行了系统的阐述，本章将对测试装置的控制部分进行进一步的介绍。在此基础之上，将对于测试装置中的信号检测单元（位移和载荷等数据采集元件）进行测试与标定实验，以保证试验数据的准确可靠。最后会对某些工程材料进行相关的原位试验，将所得原始数据进行分析处理，以初步验证前述拉-剪解耦模型的准确性。4.1 拉伸剪切复合加载测试系统组成4.1.1 测试系统综述图4.1 拉伸剪切复合加载测试系统如上一章介绍，拉伸-剪切复合加载测试系统主要包括机驱动单元、传动单元、夹持单元与信号检测单元。机械部分是整个测试系统的主体，载荷的加载与载荷形式的变化均靠机械部分实现。对于控制部分，其主要包括驱动单元与信号检测单元。驱动单元借助电机控制信号实现电控功能，其信号通过相应的放大电路和驱动电路与采集卡通讯，进而通过工控机进行信号处理与电机控制。而信号检测单元又包括载荷信号的检测和位移信号的检测。在测试过程中，将整个测试装置置于微观成像系统之下，通过金相显微镜头等微观成像设备实时的采集试件在变形过程中的金相组织变化，实现宏观力学性能测试与微观组织结构观测的有效结合。而以上功能的实现，是以数据采集与处理软件为核心的。整个测试系统之间通过数据和图像信号流进行通信，如图4.1所示。4.1.2 测试系统的数据采集与处理本测试装置采用了北京阿尔泰科技发展有限公司的USB281741数据采集卡，主要性能指标如下表所示性能指标规格参数转换器类型AD7610BSTZ输入量程(Input Range)10V、5V、2.5V、010V、05V 转换精度16位（Bit）采样速率(Frequency)31Hz250KHz物理通道数16通道（单端SE），8通道（双端DI）触发模式(Trigger Mode) 软件触发（内触发）和硬件后触发（外触发）触发类型(Trigger Type) 边沿触发和脉冲触发（电平）模拟输入阻抗10MAD芯片转换时间1.45us非线性误差1.5LSB系统测量精度0.01%信号检测单元中的精