266 工程科学学报，第43卷，第2期 固定板为带有螺栓孔的长方形板材，通过螺 夹板半圆部一端的端部设置有第一配合槽，为试 栓配合将整个实验装置固定在单向试验机上.支 样的运动预留一定的行程，在支撑板一侧设置有 撑板为一侧设有凹槽的长方形板材，支撑板的一 第二配合槽，为夹具的运动预留一定的行程.单向 侧与固定板固接.滑块夹板具体形状为十字形与 试验机的全部预压行程宽度由试样变形区宽度和 半圆形复合形状板材，压片为带有螺栓孔的长方 两个配合槽预留行程宽度共同决定 形板材.压片上的螺栓孔、试样上的螺栓孔和滑 2.4夹具安全性验证 块上的螺栓孔相互配合并通过螺栓连接将试样装 为了检验夹具是否有足够的抵抗破坏的能力 夹在夹具上 和足够的抵抗变形的能力，需对夹具进行强度和 环形导轨在上表面设置均匀分布夹角间距为 刚度校核.本文基于Solidworks软件的Simulation 5的销孔，在外圆环表面设有外滑道，在内圆环表 模块对夹具进行静应力分析，由于在特定的加载 面设有内滑道.滑块夹板十字形连接部的横梁为 角度，夹具的一些特征细节（例如定位孔、试样和 与环形导轨弧度相同的弧形，且两端设有与环形 压片等)对其整体刚度的影响不大，为了提高计算 导轨销孔配合的固定螺栓孔，竖梁上下对称分布 效率，可对夹具结构进行一定的简化.在实验中， 连接滑轮的螺栓孔，内滑轮和外滑轮分别位于横 环形导轨只有装配的两个螺栓孔受力，因此只保 梁的下端和上端.环形导轨上销孔的设置可以很 留相应的两个螺栓孔：下端固定板完全固定，上端 精确使滑块定位在某一预设位置，滑块横梁上的 固定板均匀受力，可把上下固定板的定位螺栓孔 螺栓孔与环形导轨上的销孔对应并通过销钉连接 去掉.本文仅考虑夹具两个配合槽完全接触的极 保证滑块锁紧在预设位置，实现试样加载角度的 限位置.简化后的夹具如图4(a)所示.在设置模 变化.滑轮的设置可以在只改变销钉位置的基础 拟的边界条件时，将下端固定板的下表面完全固 上调整作用力对试样的作用角度，而无需反复在 定，上端固定板的上表面受载，环形导轨与滑块相 试验机上固定夹具和装夹试样 对应的螺栓孔用带螺母的标准螺栓连接，零部件 为了实现单向试验机对试样的压缩，在滑块 间定义全局无穿透接触，摩擦因子设置为0.2 (a) (b) (c) von Mises/MPa 180 MPa 厘284 U/mm 0.086 213 284 MPa 0.068 142 0.051 0.034 0.017 0 图4夹具体安全性分析 Fig.4 Safety analysis of fixture 对于整个夹具装置而言，上端固定板承受的 表1H13钢和40Cr的材料属性 最大载荷出现在试样处于单向压缩应力状态破坏 Table 1 Material properties of H13 and 40Cr 的极限位置.对于研究的TIP8O0钢板，抗拉强度 Young's Tensile Material Density/ modulus/ Poisson's Yield strength/ strength/ (kg'm) ratio MPa 为1160MPa,试样主要变形区的长度L=18mm,厚 MPa MPa 度H,=1mm,可预估最大承受载荷为20.88kN.取 H13 7850 210000 0.3 1550 1800 安全系数为1.5，可得到夹具承受的最大加载力约 40Cr 7900 210000 0.28 785 810 为32kN.夹具要求有较高的硬度和耐磨性，同时 中的U表示沿y方向的位移.由图4(b)可知夹具 要有较高的尺寸稳定性，因此选用模具钢H13钢， 体的最大应力值出现在上端固定板与支撑板的连 螺栓选用具有良好力学性能的合金调制钢40Cr, 接处，最大值om1=180MPa,而Hl3钢的屈服应力 两者的材料属性如表1. ol=l550MPa,om<oo1,同时可知螺栓连接处的最 图4(b)和4(c)分别为模拟得到的应力场和位 大应力值出现在连接边缘点，最大值om2=284MPa, 移场.其中图4(b)中的von Mises表示应力，图4(c) 而40Cr的屈服应力ob2=785MPa,om2<0b2,由此该固定板为带有螺栓孔的长方形板材，通过螺 栓配合将整个实验装置固定在单向试验机上. 支 撑板为一侧设有凹槽的长方形板材，支撑板的一 侧与固定板固接. 滑块夹板具体形状为十字形与 半圆形复合形状板材，压片为带有螺栓孔的长方 形板材. 压片上的螺栓孔、试样上的螺栓孔和滑 块上的螺栓孔相互配合并通过螺栓连接将试样装 夹在夹具上. 环形导轨在上表面设置均匀分布夹角间距为 5°的销孔，在外圆环表面设有外滑道，在内圆环表 面设有内滑道. 滑块夹板十字形连接部的横梁为 与环形导轨弧度相同的弧形，且两端设有与环形 导轨销孔配合的固定螺栓孔，竖梁上下对称分布 连接滑轮的螺栓孔，内滑轮和外滑轮分别位于横 梁的下端和上端. 环形导轨上销孔的设置可以很 精确使滑块定位在某一预设位置，滑块横梁上的 螺栓孔与环形导轨上的销孔对应并通过销钉连接 保证滑块锁紧在预设位置，实现试样加载角度的 变化. 滑轮的设置可以在只改变销钉位置的基础 上调整作用力对试样的作用角度，而无需反复在 试验机上固定夹具和装夹试样. 为了实现单向试验机对试样的压缩，在滑块 夹板半圆部一端的端部设置有第一配合槽，为试 样的运动预留一定的行程，在支撑板一侧设置有 第二配合槽，为夹具的运动预留一定的行程. 单向 试验机的全部预压行程宽度由试样变形区宽度和 两个配合槽预留行程宽度共同决定. 2.4    夹具安全性验证 为了检验夹具是否有足够的抵抗破坏的能力 和足够的抵抗变形的能力，需对夹具进行强度和 刚度校核. 本文基于 Solidworks 软件的 Simulation 模块对夹具进行静应力分析. 由于在特定的加载 角度，夹具的一些特征细节（例如定位孔、试样和 压片等）对其整体刚度的影响不大，为了提高计算 效率，可对夹具结构进行一定的简化. 在实验中， 环形导轨只有装配的两个螺栓孔受力，因此只保 留相应的两个螺栓孔；下端固定板完全固定，上端 固定板均匀受力，可把上下固定板的定位螺栓孔 去掉. 本文仅考虑夹具两个配合槽完全接触的极 限位置. 简化后的夹具如图 4（a）所示. 在设置模 拟的边界条件时，将下端固定板的下表面完全固 定，上端固定板的上表面受载，环形导轨与滑块相 对应的螺栓孔用带螺母的标准螺栓连接，零部件 间定义全局无穿透接触，摩擦因子设置为 0.2. 180 MPa 284 MPa 284 von Mises/MPa U/mm 213 142 71 0 0.086 0.068 0.051 0.034 0.017 0 (a) (b) (c) 图 4    夹具体安全性分析 Fig.4    Safety analysis of fixture 对于整个夹具装置而言，上端固定板承受的 最大载荷出现在试样处于单向压缩应力状态破坏 的极限位置. 对于研究的 TRIP800 钢板，抗拉强度 为 1160 MPa，试样主要变形区的长度 L=18 mm，厚 度 H1=1 mm，可预估最大承受载荷为 20.88 kN. 取 安全系数为 1.5，可得到夹具承受的最大加载力约 为 32 kN. 夹具要求有较高的硬度和耐磨性，同时 要有较高的尺寸稳定性，因此选用模具钢 H13 钢， 螺栓选用具有良好力学性能的合金调制钢 40Cr， 两者的材料属性如表 1. 图 4（b）和 4（c）分别为模拟得到的应力场和位 移场. 其中图 4（b）中的 von Mises 表示应力，图 4（c） 中的 U 表示沿 y 方向的位移. 由图 4（b）可知夹具 体的最大应力值出现在上端固定板与支撑板的连 接处，最大值 σm1=180 MPa，而 H13 钢的屈服应力 σb1=1550 MPa，σm1<σb1. 同时可知螺栓连接处的最 大应力值出现在连接边缘点，最大值 σm2=284 MPa， 而 40Cr 的屈服应力 σb2=785 MPa，σm2<σb2. 由此该 表 1    H13 钢和 40Cr 的材料属性 Table 1    Material properties of H13 and 40Cr Material Density/ (kg·m−3) Young’s modulus/ MPa Poisson’s ratio Yield strength/ MPa Tensile strength/ MPa H13 7850 210000 0.3 1550 1800 40Cr 7900 210000 0.28 785 810 · 266 · 工程科学学报，第 43 卷，第 2 期