双轴拉伸原位力学测试装置的设计分析与试验研究

发布时间：2017-08-02 15:27

  本文关键词：双轴拉伸原位力学测试装置的设计分析与试验研究

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【摘要】：在实际服役中,材料将不可避免的承受多种载荷的复合作用，这种复杂的受力状态会加剧材料的失效和破坏，由于双轴拉伸测试能够模拟多种平面应力状态，有关十字形试件双轴拉伸的研究受到了研究者的广泛关注。近年来，利用商业化成像设备，集成材料试验机，对试验过程中材料的失效和破坏过程进行实时观测，研究材料的微观破坏机理，这种测试方式逐渐发展成为一种原位测试技术。通过原位观测与双轴拉伸测试技术结合，获得材料接近服役条件下的微观破坏机理，成为材料测试技术的研究热点。 但现有双轴拉伸测试装置也存在体积较大，不利于同显微成像装置进行集成的问题，导致有关双轴拉伸原位测试技术的研究开展的较少。国外虽然已有商业化的小型双轴拉伸原位测试装置出现，但功能较为单一，价格昂贵，且不易引进。国内在双轴拉伸原位测试方面发展较晚，还没有成熟的商业化产品出现。因此，开发具有自主知识产权的双轴拉伸力学原位测试装置，对于推动我国的接近服役条件下材料的微观破坏机理的研究具有重大意义。 本文针对这一需求，在对国内外现有的原位双轴拉伸测试装置进行了综合的分析与评述基础之上，自制了一套新型双轴双向拉伸原位力学测试装置。论文主要工作如下： 1、根据国内外原位双轴拉伸试验装置的研发现状，提出了新型双轴拉伸原位力学测试装置的设计方案，对工作原理进行了分析，对关键零件进行了静力学校核和有限元分析、模态分析，根据分析结果，优化了装置结构，完成了装置的制造和装配。 2、完成了测试系统机械单元和电控单元的集成调试。标定了力和位移传感器。对装置的重复性进行了验证试验。针对试验测得的应变值过大，导致弹性模量偏小，首先用一种算法，修正了试件过渡段和夹持段变形对测试的影响；其次，用实验的方法，测试了装置在加载时所发生的变形，发现机架变形同加载力存在一种线性关系，对机架变形提出一种修正方法。使用校准后的装置进行了准确性的验证试验，完成了多组单轴拉伸试验，并与标准试验机试验结果做对比，结果曲线和各项力学参数均相符，验证了装置的可靠性和准确性。 3、对典型金属材料6061铝、紫铜、AZ31B镁合金在双向应力下的力学性能开展试验研究。通过有限元仿真分析方法，根据单轴试验得到的材料力学参数，对双轴拉伸试验进行模拟，之后对试件进行双轴拉伸试验，仿真结果与试验结果相一致，验证了仿真分析的正确性；开展了变温条件下的紫铜的双轴拉伸试验，发现随温度升高，紫铜强度和延伸率逐渐降低；针对双轴拉伸试验过程中试件的变形行为进行研究，对用6061铝制备的十字形试件在标距段边缘产生的非线性形变提出了一种指数拟合方法；针对紫铜试件表面微缺陷，在受双向拉力时的变形行为进行了研究，发现受双向应力将加剧表面压痕形貌的扩大与压痕深度的减小，对试件施加适当大小的双向应力，将有利于试件表面保持平整；对AZ31B镁合金进行了原位双轴拉伸力学测试，观测了镁合金的金相组织在试验中的塑性变化，，发现微观组织变化同试件宏观上的断裂失效现象的对应关系，验证了材料宏观上的破坏失效，是源自微观组织破坏和变化的聚集与扩展。
【关键词】：双轴拉伸 复合载荷 原位测试 力学性能 测试装置
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH87
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 绪论12-26
• 1.1 选题背景与研究意义12-15
• 1.2 国内外研究现状15-24
• 1.2.1 双轴拉伸力学测试装置与研究进展15-17
• 1.2.2 双轴拉伸原位力学测试装置与研究进展17-21
• 1.2.3 十字形试件形状尺寸设计和变形性能的研究21-24
• 1.3 主要研究内容24-26
• 第2章 双轴双向拉伸原位力学测试装置的设计分析26-40
• 2.1 双轴双向拉伸复合加载的理论模型26-28
• 2.2 双轴双向拉伸原位力学测试装置工作原理与整体设计方案28-29
• 2.3 双轴双向拉伸原位力学测试装置设计分析29-34
• 2.3.1 驱动单元的设计与分析31-32
• 2.3.2 传动单元的设计与分析32-34
• 2.3.3 检测单元的设计与分析34
• 2.4 关键零部件的静动态有限元分析34-38
• 2.4.1 关键零部件的静力学分析34-36
• 2.4.2 关键零部件的模态分析36-38
• 2.5 本章小结38-40
• 第3章 整机的集成调试40-58
• 3.1 双轴拉伸测试系统的集成40-43
• 3.1.1 电控单元控制原理与功能介绍40-42
• 3.1.2 测试系统机械单元与电控单元的集成42-43
• 3.2 传感器的标定43-47
• 3.2.1 力与位移传感器的线性度测试43-44
• 3.2.2 力传感器的标定试验44-45
• 3.2.3 位移传感器的标定试验45-47
• 3.3 双轴拉伸测试装置的重复性试验47-48
• 3.4 双轴拉伸测试装置的刚度校准及修正48-52
• 3.4.1 试件夹持部分变形的修正算法48-50
• 3.4.2 机架变形的修正算法50-52
• 3.5 校准后的装置准确性验证试验52-56
• 3.6 本章小结56-58
• 第4章 典型金属材料的原位双轴拉伸试验研究58-74
• 4.1 6061 铝和紫铜的双轴拉伸试验58-61
• 4.1.1 双轴拉伸试验有限元仿真58-60
• 4.1.2 双轴拉伸试验60-61
• 4.2 变温条件下的双轴拉伸试验61-63
• 4.2.1 变温测试装置61-62
• 4.2.2 变温条件下的双轴拉伸力学测试62-63
• 4.3 十字形试件形变分析63-67
• 4.3.1 测试系统和理论变形模型64-65
• 4.3.2 十字形试件的变形拟合分析65-67
• 4.4 十字形试件表面微缺陷在双轴拉伸下的衍生规律研究67-70
• 4.4.1 预制试件表面初始缺陷67-68
• 4.4.2 压痕形貌在单向拉力下的变形性能68-69
• 4.4.3 压痕形貌在双向拉力下的变形性能69-70
• 4.5 AZ31B 变形镁合金双轴拉伸下的金相组织变化70-73
• 4.5.1 试件的制备过程70-71
• 4.5.2 AZ31B 镁合金双轴拉伸原位测试71-73
• 4.6 本章小结73-74
• 第5章 总结与展望74-76
• 参考文献76-84
• 作者简介与攻读学位期间的主要研究成果84-86
• 一、作者简介84
• 二、主要研究成果84-86
• 1、发表论文情况84
• 2、授权专利情况84-86
• 致谢86

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 陈健;钛板双向强化效应研究[J];现代机械;2004年02期

2 张西正;;材料弹性模量E的计算方法及误差分析[J];西安矿业学院学报;1990年03期

3 任家陶,陈积光,李冈陵;双向拉伸试验研究[J];湘潭大学自然科学学报;1998年02期

4 陈积光,豆志武,李冈陵;TA_2薄板的双向拉伸试验研究[J];岳阳师范学院学报(自然科学版);2000年01期

5 吕晓东,吴向东,万敏,周贤宾;十字形试件双向拉伸试验系统的PID控制[J];中国机械工程;2003年08期

本文编号：609971