CN114910347A - 一种用于板材十字搭接接头力学性能测试的夹具结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于板材十字搭接接头力学性能测试的夹具结构，涉及工业制造技术领域。本发明夹具结构由第一夹具和第二夹具组成；第一夹具和第二夹具均包括转接头、角度盘和U型块，转接头底端的内侧销钉连接有角度盘，角度盘底部的外侧设置有U型块，其中一个U型块由上U型块‑A和上U型块‑B组成，上U型块‑B设置在上U型块‑A的底端，其中一个U型块‑B的底端设置有压块。本发明通过分体式设计，夹具与试样、夹具与厚度补偿片的接触面都加工防滑齿，厚度补偿片安装在分体式夹具之间，不与试样直接接触，以此提高摩擦力，以及采用带侧壁的U型压块，可以有效防止试样在含剪力的测试过程中发生旋转现象。

Description

一种用于板材十字搭接接头力学性能测试的夹具结构
技术领域
本发明属于工业制造技术领域，特别是涉及一种用于板材十字搭接接 头力学性能测试的夹具结构。
背景技术
在汽车、航空航天等制造业中，板材之间的连接有多种多样的工艺可 供选择：电阻点焊连接、激光焊接、搅拌摩擦焊接、螺栓连接、拉铆连接、 热熔自攻丝连接、自冲铆接、胶接等；由于每种方法都有其优点和局限性， 因此它们或多或少的应用于特定的场合，相关的评价指标包括接头系数、 接头装配和设计、接头强度和刚度、接头断裂方式、成本效益(设备成本、 生产效率等)；因此通常需要采用试验的方法对接头在不同工况下的强度、 刚度、吸能性能、接头系数等力学性能进行测试与评估，为连接工艺类型 选择、材料搭配组合方案制定、工艺参数设置提供基本参考，并根据实验 情况的不同进行设计不同的配套夹具，现有的十字搭接接头测试存在很多 问题，针对这些问题我们提出了改进方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于板材十字搭接接头力学性能测试的夹 具结构，以解决上述背景技术中提出的问题。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明为一种用于板材十字搭接接头力学性能测试的夹具结构。
所述夹具结构由第一夹具和第二夹具组成；
所述第一夹具和第二夹具均包括转接头、角度盘和U型块，所述转接 头底端的内侧销钉连接有角度盘，所述角度盘底部的外侧设置有U型块。
进一步地，其中一个所述U型块由上U型块-A和上U型块-B组成，所 述上U型块-B设置在上U型块-A的底端。
进一步地，其中一个所述U型块-B的底端设置有压块。
进一步地，其中另一个所述U型块由下U型块-A和下U型块-B组成， 所述下U型块-B设置在下U型块-A的底端。
进一步地，其中另一个所述U型块-B的底端设置有U形压块。
进一步地，所述上U型块-A和所述下U型块-A一端的内部均开设有矩 形槽。
进一步地，所述上U型块-A和所述下U型块-A的内侧均开设有观测窗。
进一步地，所述上U型块-A和上U型块-B之间、下U型块-A和下U型 块-B之间均装配有厚度补偿片。
进一步地，所述U形压块两侧的内部开设有通孔，所述通孔的内部设 置有螺栓，所述U形压块与所述下U型块-A之间通过螺栓连接。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过分体式设计，使得夹具与试样、夹具与厚度补偿片的接触 面都加工防滑齿，厚度补偿片安装在分体式夹具之间，不与试样直接接触， 以此提高摩擦力，以及采用带侧壁的U型压块，可以有效防止试样在含剪 力的测试过程中发生旋转现象。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动 的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种用于板材十字搭接接头力学性能测试的受力结构示 意图；
图2为本发明一种用于板材十字搭接接头力学性能测试的接头在不同 工况下的受力示意图；
图3为本发明一种用于板材十字搭接接头力学性能测试的十字搭接试 样受力示意图；
图4为本发明一种用于板材十字搭接接头力学性能测试的第一种
Figure BDA0003660293420000031
J K开发的十字试样配套夹具；
图5为本发明一种用于板材十字搭接接头力学性能测试的第二种
Figure BDA0003660293420000032
开发十字搭接试样配套夹具；
图6为本发明一种用于板材十字搭接接头力学性能测试的十字剪切试 验试样安装示意图；
图7为本发明一种用于板材十字搭接接头力学性能测试的十字搭接试 样右侧板材变薄对接头安装的影响示意图；
图8为本发明一种用于板材十字搭接接头力学性能测试的十字搭接试 样右侧板材变厚对接头安装的影响示意图；
图9为本发明一种用于板材十字搭接接头力学性能测试的十字搭接试 样剪切试验中试样夹持区域旋转现象示意图；
图10为本发明一种用于板材十字搭接接头力学性能测试的十字剪切试 验示意图；
图11为本发明一种用于板材十字搭接接头力学性能测试的夹具分体式 设计与厚度补偿片安装示意图；
图12为本发明一种用于板材十字搭接接头力学性能测试的十字试样取 向定义示意图；
图13为本发明一种用于板材十字搭接接头力学性能测试的夹具三视 图；
图14为本发明一种用于板材十字搭接接头力学性能测试的夹具上半部 分轴测图；
图15为本发明一种用于板材十字搭接接头力学性能测试的夹具下半部 分轴测图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进 行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没 有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的 范围。
请参阅图1-图10所示，为本发明的现有技术及技术分析，其如下：
如图1所示，剥离(Peeling)、短搭接拉伸(Lap Shear)、十字拉 伸(CrossTension)试验常用于焊接、胶接、机械连接接头的力学性能测 试，三种试验接头受力情况如图1所示，但是，上述三种搭接方式并不能 完全表示接头在实际工况下的力学行为；
此外，为了对接头结构进行数值仿真分析，通常还需要额外开展更多 不同工况下的接头力学性能试验，作为标定或验证经验型接头数值模型的 试验依据。这些额外的试验工况包括剪切、以及不同组合比例因子下的拉 剪组合，如图2所示；
有学者采用十字搭接和配套夹具对接头进行拉伸、剪切以及拉剪组合 的加载测试(简称为十字法)，接头的受力示意图如图3所示，夹具结构 可以分为两种：一种是通过调整夹具在角度盘上的安装位置，对接头实现 拉伸、剪切以及4种不同比例因子下的拉剪组合测试，如图4所示；另外 一种是一套夹具对应一种工况下的接头加载测试，如图5(c)、(e)、(f) 所示，三套夹具分别对应接头的拉伸、剪切和45°拉剪组合加载测试；
当前十字法测试缺点——以下采用十字剪切试验为例进行说明：
(1)、展示了拉力试验机的示意图，一般来讲，拉力试验机下方夹头 固定在底座上，上方夹头安装在试验机横梁上，试验机横梁仅能够上下移 动，试验机的夹持中心(即载荷中心线)在整个试验过程中始终保持在一 条直线上。根据试样在剪切工况下的约束条件和运动情况(如图3)，首先 需要将试样其中一侧板材固定在夹具下半部分，接着将另一侧板材固定在 夹具上半部分，然后将夹具下半部分的圆杆转接头装卡进试验机下夹头， 此时夹具整体的运动均被限制(非全约束状态)，只能通过调整试验机上 横梁的位置，才能调整夹头位置实现夹具上半部分的夹持固定。由上述安 装过程可以发现，当十字试样总厚度发生变化时，夹具上半部分的左右相 对位置也将发生变化，以下结合图7、图8对产生该现象的原因进行详细说 明(夹具、夹头均假设为刚体)；
当试样总厚度变薄时(图7中假设右侧板材厚度变薄)，仍然进行试 样安装，当完成的安装过程后，可以发现：夹具上半部分的圆杆转接头位 置相对于载荷中心线发生了右移，如果此时仍然将圆杆转接头强行装卡进 试验机夹头，就会对接头施加试验预期外的拉拔载荷。特别是对于强度较 低的接头，将导致接头发生塑性变形，显著降低试验结果的精度；
当试样总厚度变厚时(图8中假设右侧板材厚度变厚)，与上述过程 类似，当完成安装过程后，可以发现：夹具上半部分的圆杆转接头位置相 对于载荷中心线发生了左移，若此时仍然将圆杆转接头强行装卡进试验机 夹头，就会对接头施加试验预期外的压缩载荷。对于强度较低的接头，也 将导致接头的初始损伤，显著降低试验结果的精度。
事实上，只要是含剪切力的十字接头试验，均会存在上述问题，但在 现有文献资料中提出的试验方法均没有考虑到试样厚度变化引起的安装问 题；
(2)十字搭接试样在剪切试验中，出现试样旋转的现象，如所示。图 10对该现象的产生原因进行了受力分析：当上层板向上运动时，上层板受 到铆钉的支反力F1；单独对右侧夹持区域进行受力分析，截面上有与F1大小 相等方向相同的内力F1′，夹持区域的面上受到摩擦力的合力Fμ和摩擦力产 生的合力矩Mμ；当F1′和Fμ产生的力矩大于Mμ时(即接头强度较大时，比 如粘接接头、粘铆复合接头等)，试样右侧夹持区域在试验过程中相对夹 具出现逆时针旋转现象；对于试样左侧夹持区域的分析与上述过程类似， 对高强度接头的进行剪切试验时将导致左侧夹持区域相对夹具出现顺时针 旋转现象；
由上述分析可知，对接头进行含剪切力的试验时，力矩的不平衡是导 致接头最终变形模式与试验预期出现差异的根源，增大试样与夹具之间的 摩擦力，能够有效抑制旋转现象的产生；
请参阅图11-图15所示，本发明为一种用于板材十字搭接接头力学性 能测试的夹具结构。
针对图1—图10的现有技术问题，本发明提供了一下解决方案：
(1)安装厚度补偿片：在夹具的设计阶段，按照试样最大夹持厚度进 行设计；在测试的过程中，若接头试样不足最大夹持厚度，则添加相应厚 度的厚度补偿片，就能够避免试样厚度变化引起的安装问题。
(2)分体式夹具设计：虽然采用厚度补偿片能够解决试样厚度变化带 来的安装问题，但随之而来的还有厚度补偿片的安装位置问题；根据前文 的分析可知：对强度较大的接头进行含剪切力的试验时，力矩的不平衡将 导致试样的旋转，而增大试样与夹具之间的摩擦力是抑制该现象发生的有 效手段。根据摩擦力公式：(此处为摩擦系数，为正压力，为摩擦力)， 增大摩擦系数和正压力是提高摩擦力的两个途径：
ⅰ.增大正压力，如选用高强度螺栓并施加大的预紧力；
ⅱ.提高试样、厚度补偿片和夹具接触面之间的摩擦系数，如在夹具和 厚度补偿片的接触面加工防滑齿；
但是，当厚度补偿片厚度较小时，难以在其表面上直接加工防滑齿， 若将光滑表面的厚度补偿片直接放置在夹具和试样之间，将导致厚度补偿 片与试样之间所能提供的最大摩擦力明显小于没有安装厚度补偿片时带有 防滑齿的夹具与试样之间所能提供的最大摩擦力，增大了试样夹持区域产 生旋转现象的风险。因此该夹具采用分体式设计，夹具与试样、夹具与厚 度补偿片的接触面都加工防滑齿，厚度补偿片安装在分体式夹具之间，不 与试样直接接触，以此提高摩擦力；图11展示了夹具的分体式结构、防滑 齿的加工位置和厚度补偿片的安装位置。
(3)采用带侧壁的下U形压块：为了方便叙述带侧壁压块的作用，定 义板材的长度方向(长边)为纵向、宽度方向为横向、厚度方向为法向(上 下板材均采用局部坐标系定义)，图12对板材取向的定义进行了进一步说 明。图14、图15中分别展示了不带侧壁的上压块和带侧壁的下U形压块。 在十字剪切试验中，夹持区域的旋转趋势仅发生在沿横向运动的板材上(另 一侧板材作为参考原点，即相对静止状态)，若采用不带侧壁的压块，则 只能约束板材法向的平动、绕纵向和横向的转动，板材绕法向的旋转趋势 依靠摩擦力平衡；若采用带侧壁的U形压块，则可以进一步约束板材绕法 向的旋转，从而获得更接近于纯剪切工况下的接头失效模式；
上述给出该种夹具的具体结构设计方案，并结合附图对其进行详细说 明；
如图11-图15，本发明设计了一种用于板材十字搭接接头力学性能测 试的夹具结构，由第一夹具和第二夹具组成，且第一夹具和第二夹具之间 通过矩形槽配合外六角螺栓进行连接，矩形槽防止螺栓拧紧过程中转动， 其中：
第一夹具由转接头、角度盘、U型块、厚度补偿片和压块组成；
转接头底端的内侧销钉连接有角度盘，进而能够更改转接头在角度盘 外侧的位置，并通过销钉对转接头进行定位，可以通过调整转接头的安装 位置，对试样进行拉伸、剪切和5种不同比例的拉剪组合测试，角度盘底 部的外侧设置有U型块；
U型块由上U型块-A和上U型块-B组成，上U型块-B设置在上U型块 -A的底端，上U型块-B的底端设置有压块，上U型块-A一端的内部开设有 矩形槽，上U型块-A的内侧开设有观测窗，用于进行接头加载测试过程的 视觉监测；
厚度补偿片装配在上U型块-A和上U型块-B之间，上U型块-B和压块 之间装配有试样，采用螺栓对试样、厚度补偿片等进行夹紧；
优选的，夹具与试样、夹具与厚度补偿片的接触面都加工防滑齿；
第二夹具也由转接头、角度盘、U型块、厚度补偿片和U形压块组成；
转接头底端的内侧销钉连接有角度盘，进而能够更改转接头在角度盘 外侧的位置，并通过销钉对转接头进行定位，可以通过调整转接头的安装 位置，对试样进行拉伸、剪切和5种不同比例的拉剪组合测试，角度盘底 部的外侧设置有U型块；
U型块由下U型块-A和下U型块-B组成，下U型块-B设置在下U型块 -A的底端，下U型块-B的底端设置有U形压块，下U型块-A一端的内部开 设有矩形槽，下U型块-A的内侧开设有观测窗，用于进行接头加载测试过 程的视觉监测；
厚度补偿片装配在下U型块-A和下U型块-B之间，下U型块-B和U形 压块之间装配有试样，采用螺栓对试样、厚度补偿片等进行夹紧；
进一步的，U形压块两侧的内部开设有通孔，通孔的内部设置有螺栓， 进而能够将U形压块与下U型块-A之间通过螺栓连接；
优选的，夹具与试样、夹具与厚度补偿片的接触面都加工防滑齿；
本实施例的一个具体应用为：以第一夹具部分为例详细说明对十字搭 接试样进行含剪切力拉伸测试时的安装方法：首先需要根据板料厚度规格 选择合适的厚度补偿片，接着按照上U型块-A、厚度补偿片、上U型块-B、 试样、压块的顺序依次叠放对齐，然后使用螺栓进行夹紧紧固，第二夹具 和第一夹具的安装方法相同，不同之处在于需要额外安装压块下的侧面螺 栓，再将上下两个U型块整体连同角度盘、转接头安装在拉力试验机上， 即可进行拉伸试验。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体 示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或 者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述 术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体 特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合 适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例 并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该本发明仅为所述的具体实施方式。 显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具 体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使 所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求 书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (9)

1.一种用于板材十字搭接接头力学性能测试的夹具结构，其特征在于：所述夹具结构由第一夹具和第二夹具组成；
所述第一夹具和第二夹具均包括转接头、角度盘和U型块，所述转接头底端的内侧销钉连接有角度盘，所述角度盘底部的外侧设置有U型块。
2.根据权利要求1所述的一种用于板材十字搭接接头力学性能测试的夹具结构，其特征在于，其中一个所述U型块由上U型块-A和上U型块-B组成，所述上U型块-B设置在上U型块-A的底端。
3.根据权利要求2所述的一种用于板材十字搭接接头力学性能测试的夹具结构，其特征在于，其中一个所述U型块-B的底端设置有压块。
4.根据权利要求2所述的一种用于板材十字搭接接头力学性能测试的夹具结构，其特征在于，其中另一个所述U型块由下U型块-A和下U型块-B组成，所述下U型块-B设置在下U型块-A的底端。
5.根据权利要求4所述的一种用于板材十字搭接接头力学性能测试的夹具结构，其特征在于，其中另一个所述U型块-B的底端设置有U形压块。
6.根据权利要求4所述的一种用于板材十字搭接接头力学性能测试的夹具结构，其特征在于，所述上U型块-A和所述下U型块-A一端的内部均开设有矩形槽。
7.根据权利要求4所述的一种用于板材十字搭接接头力学性能测试的夹具结构，其特征在于，所述上U型块-A和所述下U型块-A的内侧均开设有观测窗。
8.根据权利要求4所述的一种用于板材十字搭接接头力学性能测试的夹具结构，其特征在于，所述上U型块-A和上U型块-B之间、下U型块-A和下U型块-B之间均装配有厚度补偿片。
9.根据权利要求5所述的一种用于板材十字搭接接头力学性能测试的夹具结构，其特征在于，所述U形压块两侧的内部开设有通孔，所述通孔的内部设置有螺栓，所述U形压块与所述下U型块-A之间通过螺栓连接。
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