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材料拉力试验机液压平推夹具的强度分析

发布时间:2015-3-9 9:6:19  浏览:

1、夹具主体的强度分析

无论对于拉伸实验还是压缩实验,它的实验力都是很大的,所以我们必须考虑实验的安全性和可靠性,并且我们的这个设备能提供的最大实验力比普通设备的最大实验力要大得多,所以对安全性和可靠性要求更高。无论从设备整体设计是否合理,还是到设备选材和加工,我们都要求设备具有较高的强度。最终,争取做出一个安全可靠、使用寿命长,使用范围广的好设备。所以,在设计的过程中,我们对设备薄弱环节、连接部件及连接方式都会进行仿真、验证和校核,确保设备整体的质量达标。

 材料拉力试验机

(1) 夹具主体的选材

为什么选择40Cr 合金结构钢作为夹具主体的材料:因为40Cr 是我国 GB 的标准钢号,经特定处理后,整体具有良好的力学性能。40Cr 成本不高也不低,适合工厂加工使用,还可以通过一定的处理,使其提高性能,比如:韧性、塑性等。40Cr在焊接前需要对其温度进行处理,使其达到要求的条件,否则就会产生细微焊接缝隙。提高零件的使用时间可以通过热处理。淬火时注意:对于形状不规则的零件千万不能用水淬。材料要想提高加工性能可以通过调质,这样就可以具有很低的冲击性及好的材料韧度?;箍梢酝ü渌姆椒ê痛?。总之该钢在温度五百度左右进行回火,就会拥有较好的力特性,经调质等处理后会提高机械性。在此,我们将夹具主体材料进行调质处理,使其硬度达到 HRC32-38。该钢的弹性模量、切变模量和泊松比见下表3.1。

夹具主体的选材

(2) 拉力试验机夹具主体的受力类型

由于我们的湖北微聚网络科技有限公司最大实验力是 48MPa,这是设备的临界值,从使用寿命和安全角度考虑,我们一般会将工作载荷设定在小于 48MPa 的范围内,而根据前面公式可知,只要夹紧力大于等于最大实验力,整个实验就是可靠的,所以我们设定夹紧力为 48MPa。根据牛顿定律可知,设备钳口对试样的最大夹紧力为 48MPa,那么反过来试样对钳口的最大反作用力也为 48MPa,根据夹具结构,不考虑力传递过程的微小损失,这个最大反作用力传递到夹具主体上也为 48MPa。由于拉伸变形的过程是缓慢的,夹具夹紧部位的变形也是极小的,再加上夹紧力是恒定的,我们可以将夹具体受力的数学模型简化成静力分析的数学模型。这个静力模型的受力情况如下图 3.1 所示:左右两侧面受大小为48MPa 的均布力,方向如图3.1 所示。

 拉力试验机夹具主体的受力类型

 

(3) 夹具主体的强度计算

强度定义为在外界作用下材料具有防止不可逆形变的特性。实际中比较常用屈服强度和抗拉强度两个参量来表示材料强度。屈服强度也叫材料的屈服极限,它可以通过材料发生不可逆变形的临界应力表示??估慷仁侵附鹗舨牧显谑芡饨缌Χ狭训牧俳缱刺?,其外力的最大应力。我们借助 ANSYS10.0软件对夹具主体的强度进行分析,更直观、更简单看到夹具主体各个部位的受力变形和受力大小,这样不仅能更加确切的得出薄弱环节的具体位置,还能得出薄弱环节的强度是否满足实验要求。我们将夹具主体的材料性能参数和受力参数都设定好,经ANSYS10.0软件,计算算后得出如下图3.2所说的数据。从图3.2可以看出作用在夹具主体48Mpa 的力最终达到了170Mpa,是原力四倍大小,而且还可以看出微小的变形。从图3.2、3.3可以看出夹具主体最大力为170Mpa,作用位置在夹具体底部偏后,这个地方就是薄弱环节。从图3.2可以看出受力变形最明显的地方也在主视面底部。    

 夹具主体的强度计算1夹具主体的强度计算2

我们知道强度理论分为第一强度理论、第二强度理论、第三强度理论、第四强度理论和莫尔理论。第一强度理论和第二强度理论属于断裂强度理论,适用于脆性材料;第三强度理论和第四强度理论属于屈服强度理论,适用于塑性材料。并且,作为钢类试样,单向受拉时,产生塑性变形,应该选择第三、第四强度理论;三向均拉时,产生断裂破坏,应该选择第一、第二强度理论。由于我们夹具主体材料为40Cr,合金钢,属于塑性材料。再加上属于单向受拉,产生塑性变形,所以应该选择第三、第四强度理论。为了简化计算,我们采用第三强度理论。

抗拉强度:不考虑硬度的情况下,查询机械设计手册,可得 40Cr 合金结构钢的毛坯材料在布氏HBW 为 207 时,其抗拉强度δb为 980,但由于其硬度达不到32,所以要对其进行处理,使其硬度满足要求。处理后查下表 3.2。

 

由夹具主体的技术要求可知,其硬度为 HRC32-38,而材质为铬钢,查上表 3.2可得,抗拉强度

b最大为 1207N?mm-2,最小为1039N?mm-2。即最大抗拉强度为1207MPa。

屈服极限: 经过查询机械设计手册,可以知道 40Cr 合金结构钢的屈服极限为785MPa。

安全系数ns:安全系数通常没有确定的公式来计算,一般是依靠设计者的工作经验来选择。所以,我们在此,对起重机械、矿山机械、冶金机械、锻压机械、橡胶塑料机械、内燃机、气体压缩机、汽车拖拉机、水轮机等类别的所有形状零部件的安全系数进行统计,对于40Cr 材料的所有安全系数的情况进行统计,得出了40Cr材料的安全系数的范围为1.1-3。

 

2、夹具钳口的强度分析

夹具主体和钳口是液压平推夹具的最主要部件,他们的强度直接影响夹具的安全性和可靠性。所以对其进行强度分析是非常必要的、不可或缺的。尤其像钳口直接接触试样,根据牛顿第三定律,在夹具受反作用力的情况下,钳口是最直接的受力对象,受的力比其它部件稍微大一些。为了与活塞伸出杆连接及安装定位,其内部结构也挺复杂。所以,为了可靠性,我们要对其进行强度分析。

通过 ANSYS10.0软件,我们对钳口进行受力计算,其应力分布如下图所示,可见与试样接触表面受力最大,为33.349MPa。发生微变形最明显的地方也在与试样接触的表面。如下图3.4、3.5所示。

 拉力试验机夹具钳口的强度分析拉力试验机夹具钳口的强度分析1

钳口的强度计算:钳口的受力数学模型和夹具主体是一样的,都属于简单应力状态,根据第三强度理论,所以,钳口的强度足够用,夹具是非??煽康?。 

夹具主体和钳口是夹具受力的两个重要部位,直接影响夹具的强度。本章通过分析夹具主体和钳口的受力类型和材料特性,确定了用第三强度理论对其进行强度分析。然后根据夹具主体和钳口的材料分别确定材料的抗拉强度、屈服极限和安全系数,求出材料的许用应力。最后,通过 Ansys 软件进行仿真,求出材料的实际最大应力和受力薄弱环节。最后通过第三强度理论说明了夹具体和钳口的强度是足够的。

 

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