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1、镁合金单轴拉伸试验件设计背景介绍：现需要对 某镁合金材料进行单 轴的力学拉伸实验， 测量该材料的弹性模 量和拉伸强度。由于 实验条件的要求，只 能采用销钉加载的方 式。采用该方法比较 容易实现试件的对中 ，便于消除了附加弯 矩，并且方便在实验 机上进行装卸，试件 形状如图所示。端部 的孔即为加载用的销 钉孔。镁合金单轴拉伸试验件设计设计要求： 参照GB/ T 228.1- 2010设计试件的具 体尺寸，使得在极 限载荷下销钉不会 被剪断，销钉孔边 不会发生破坏，且 铝镁合金的最终失 效表现为在中间有 效区域（Le）发生 断裂。第一种条件：试件屈服强度180Mpa 参考GB/T 228.1-20
2、10设计拉伸试件并按销钉的剪切强度确定销钉孔尺寸， 为方便加工，采用等厚度设计，使用矩形截面比例试件(编号P9)。最终试件 的销钉孔径初定为10mm，其三维形状如图所示试件的最终加工图纸如下试件及销钉强度校核由于试件销钉接触问题为非线性，孔边应力较为复杂，且要考虑塑 性变形，故采用有限元方法进行试验件的强度校核。不考虑孔与销 钉的间隙及预应力，由于试验件关于中间平面对称，因此可以只考 虑模型的一半进行分析，最终的有限元模型如图所示：载荷及边界条件在对称面处施加对称边界条件，在销钉两端施加X方 向的位移载荷，销钉与孔之间创建面-面接触对施加X方向的位移载荷对称边界条件对称面处施加对称边界条件，对
3、销钉施加位移载荷，销钉与 孔之间为面-面接触对,最终的等效应力云图（von mises stress）如图所示（本次分析中用到的单位为kpa，mm）试件的中间有效区域 （Le）有大范围达到 屈服强度，孔周围有 局部区域也达到屈服 应力试件的塑性变形云图(试件的镁合金材料采用理想的双线性弹塑性模型)可以看出试件的 有效试验段发生 了较明显的屈服 ，而销钉孔周围 的局部区域也有 明显的塑性变形 区，但变形仅限 与孔边，没有扩 展到外边界极限载荷时销钉的XY剪切应力云图通过分别对试件和销钉的强度校核， 可得出所设计的试验件是满足第一种 情况下的强度要求的，即在极限载荷 下销钉不会被剪断，销钉孔边不会
4、发 生破坏，且铝镁合金的最终失效表现 为在中间有效区域（Le）发生断裂。第二种情况：试件屈服强度为550650Mpa设计要求：根据航空材料手册选用销钉材料 ，并设计试件尺寸由于第一种情况的强度裕度较大，拟采用与第一种条件下相同的外形 尺寸，但销钉的受力会较大，查航空材料手册，TC4钛合金在常温下 屈服强度约为830Mpa。考虑用钛合金作为销钉材料。下面同第一种情 况采用有限元方法进行试件及销钉的强度校核单元类型，网格划分，接触对设置载荷与边界条件 与第一种条件类似，给定销钉位移为3mm试件的等效 应力云图（ 虚线表示变 形前位置）通过对两种不同情况下试件与销钉的设计与强度校 核，可知设计的试验件及销钉静强度是满足要求 的。通过专业课程设计，巩固了上学期学习的有限 元软件ansys的基本用法，也复习了相关的三维作 图软件，对接触、弹塑性等简单的非线性问题有了 一个初步的了解，对应力集中区域有了更深的认识 ，基本会查阅相关的标准和手册。谢谢
