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Word文件下载.docx
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2015年6月
I
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
Abstract
Whenitcomestothematerialsforengineeringstructure,itisconsideredthatmostofthematerialconditionsofserviceiscoupledbymultiplestressstate,anditsbehaviorsofdeformationandfailurearegeneratedbyavarietyofcomplexinteraction.Traditionally,mechanicalpropertiesofmaterialsaremainlytastedwithinthesingleloadingcase.Duetoitscomplex,bulkystructureanddifficultytotransfer,mosttestinginstrumentcannotbeappliedtospecialoccasionsandthe"
real-time"
demandingapplications.Insummary,anin-situcombinedtensileandbendingtestinginstrumentisdesigned.Thiscompactandprecisioninstrumentcansimulatethematerialstressstateatnearserviceconditions,andcouldusemicroscopicimagingsystemonlinemonitoringmicroscopicdeformationandfailureprocessofmacrospecimensundercomplexloads,therebyexplainingthefailurebehaviorofthematerial.
Firstly,onthebasisofthetraditionalmechanicalpropertieswithinthesingleloadingcase,withtheimprovedArganfixtureachievingtensile-shearcombinedloads,arelevantmodel,couplinganddecouplingloadwithinsuchastresstest,isproposed,andfeasibilityofthemodelisverifiedbymeansofthetestresultslater.
Thispaperbuiltatensile-shearcomplexloadtestingsystem,anddetailedtheclampingunit,thedriveunit,thedriveunitandthesignaldetectionunitandotherconstituentunits.Aftercheckingtheimportanttransmissionpartstheoreticallyandcalibratingthesensors,ensuringaccurateandreliabletestdataacquired,thedifferentmaterialsweretestedwithinpuretension,pureshear,tensile-shearcombinedloadsandotherconditions.Combinedwiththemicroscopicimagingsystem,thetestresultswereprocessedandanalyzedtomakeareasonableexplanationforthefailurebehaviorofthematerial.
Keywords:
tensiletest,shearingtest,combinedload,testingdevice,in-situtest,mechanicalproperty.
II
目录
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1研究背景与意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.2.1国外现状 2
1.2.2国内现状 4
1.3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 6
2.1传统材料力学性能测试理论基础 6
2.1.1传统拉伸试验理论 6
2.1.2传统剪切试验理论 8
2.2拉-剪复合载荷理论基础 9
2.2.1拉-剪复合载荷加载模式的实现 9
2.2.2拉-剪复合载荷的解耦 10
2.2本章小结 12
第3章测试装置的设计分析 13
3.1测试装置的整体结构设计与基本原理 13
3.1.1测试装置驱动单元 14
3.1.2测试装置传动单元 15
3.1.3测试装置夹持单元 15
3.1.4测试装置信号检测单元 16
3.2测试装置关键零部件的校核 17
3.2.1电机的选择计算 17
3.2.2传动轴的校核计算 18
3.2.3滚珠丝杠的校核计算 22
3.2本章小结 25
第4章测试装置的试验研究 26
4.1拉伸—剪切复合加载测试系统组成 26
4.1.1测试系统综述 26
4.1.2测试系统的数据采集与处理 27
4.2传感器的标定 29
4.2.1位移传感器的标定 29
4.2.2力传感器的标定 30
4.3拉伸-剪切复合加载试验研究 31
4.4本章小结 32
第5章总结与展望 33
5.1全文总结 33
5.2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
40
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
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- 关 键 词:
- 毕业论文 拉伸 剪切 复合 载荷 原位 力学 测试 装置 设计 试验