高频疲劳实验机薄板试件夹具研究

　　1引 言

　　薄板结构在实际使用中会有压应力存在的情况，因此，需要研究压载荷对薄板结构中疲劳裂纹扩展速率的影响，其理论研究和有限元模拟所得的研究结果都需要实验结果的验证[1-2]。承受拉压载荷的薄板疲劳裂纹扩展速率实验，通常采用中心穿透裂纹拉伸试件，GB/T 6398-2000[3]中对其形状和尺寸都作了详细的规定，对于承受拉压加载的情况，推荐了防止屈曲的约束导板参考图。但研究表明，拉压疲劳实验中的约束导板可能在使夹板贴紧试样而施加夹紧力的过程中，试件承受额外载荷，从而影响小负荷试验结果[4]。所以，本文参考国家保准并结合国外试验卡具[5]的结构，利用三维有限元模拟分析方法，设计了一套无约束导板的，适用于3～5mm铝合金薄板拉压载荷试验卡具，安装在长春实验机厂生产的PLG-100C 高频疲劳试验机上，取得了良好的效果。

　　2夹具结构的有限元分析

　　高频疲劳实验机夹具的结构示意图如图1 所示。其联接螺纹尺寸根据实验机结构确定，压板和联接板尺寸根据试件尺寸，参考 GB/T 6398-2000 中数据确定，材料选用Cr12MoV，调质处理。主体件采用 45 钢，表面淬火处理。

　　根据高频疲劳实验机的工作原理，对于夹具的刚度要求很高，而压板与主体件和联接板之间的联接方式及尺寸，对于夹紧后的夹具整体刚度有很大影响，而刚度的变化，可根据夹具夹紧后整体低阶模态频率的变化来体现，因此，本文利用简化的三维有限元模型模拟了夹具的工作状态，对平面、梯型槽和圆弧凹槽3种联接方式的夹具整体模态进行分析，从而确定刚度较好的联接方式。

　　夹具的简化有限元模型如图 2 所示，在联接螺纹处施加固定边界条件，压板和联接板只保留 X 向自由度。紧固螺栓联接用压板两侧的刚体模拟，以主体件对称轴为基准，两刚体分别沿 X 轴向中心基准压紧 1mm，以体现螺栓拧紧联接后使整体结构的弹性变形。

　　2.1 不同联接结构的模态有限元分析

　　有限元分析的3 种联接结构如图 3 所示。3 种有限元模型都采用模拟接触精度较高的三维线性减缩积分单元，单元数量分别为平面联接 11124 个、梯型槽联 接12685个、圆弧凹槽联接12786个。在有限元计算中，提取了3种联接结构的前20阶振型，由于对于结构刚度起主要作用的是低阶刚度，因此，主要比较3种联接结构的前10阶振型频率的变化，如图 4 所示。并通过参与系数找出夹具整体结构分别在 X、Y、Z 自由度上起主导作用的振型阶数，结合该阶模态频率和 1 阶模态频率的变化，来比较 3 种联接结构对夹具整体刚度的影响。