拉伸特性

拉伸特性（共4篇）

拉伸特性 篇1

1 玉米秸秆皮

玉米秸秆皮是世界上非常重要的物质资源, 在资源逐渐紧张的今天, 秸秆资源依然成为人们获取能量的一个重要来源。现阶段, 我国每年的秸秆产量已经达到6亿吨, 秸秆的产量已经占据木材产量的一半, 我国农业的发展较快, 农作物秸秆资源比其他国家丰富。在秸秆资源中, 玉米秸秆的产量达到总秸秆产量的1/3, 农作物秸秆之所以受欢迎, 主要是因为农作物秸秆有两点好处。首先, 农作物秸秆可以作为燃料, 做生产能源;其次, 秸秆还可以用来造纸, 由于玉米秸秆皮中的木质素能达到60%, 因此, 也可以将其生产为人造板材, 如果可以有效的运用玉米秸秆, 就可有效的节省大量的森林资源, 减少人类对森林的砍伐, 进一步保护人类的居住环境, 为了高效获取玉米秸秆外皮, 先研究一下玉米秸秆皮的拉伸和剪切等力学方面的特性, 目前, 已经有很多国家对玉米秸秆的秸秆力学特性进行了研究, 但是, 我国对玉米秸秆的力学特征研究相对比较分散, 因此, 有必要对其进行针对性的试验。

2 材料和方法

2.1 试验材料

本文所试验的玉米秸秆是东农253品种, 在去掉折断的有病虫害的秸秆之后, 统一选择了茎秆长度在2 000 mm以上的秸秆, 将其作为试验材料, 试验材料的木质含量见表1。

在对其试验之前, 先对在自然条件下放置的玉米秸秆皮的含水量范围进行随机抽样测定, 要求测定的含水量范围要在8%~58%, 测量拉伸特性的玉米秸秆皮样品长度要在150 mm左右。

2.2 试验因素及相关的评价指标

目前, 我国对农作物秸秆力学特性研究的范围很广泛, 很多学者都在研究秸秆的拉伸特性以及剪切特性, 对弯曲特性的研究也比较多, 而在研究弯曲特性时, 主要研究方向是在农作物的抗倒伏上。本文主要是以玉米秸秆皮的拉伸和剪切特性为主要的研究目标, 以抗拉伸强度和剪切的强度作为拉伸和剪切试验的一个评价标准。此时, 需要确定玉米秸秆皮的含水量以及取样的高度, 这些试验因素缺一不可。

3 试验结果

从试验结果来看, 玉米秸秆的失拟性并不是特别明显, 而回归模型却非常明显, 也就是说, 玉米秸秆皮的二次回归模型才是最合适的。由于秸秆皮取样高度的一次项系数的绝对值要大于含水率的一次项系数, 基于此种情况, 在取样高度和含水量这两个影响因素中, 秸秆皮的取样高度对拉伸强度的影响是比较明显的。

4 结论

从整个试验结果来看, 玉米秸秆的含水率在进行二次项的时候对玉米秸秆皮的抗拉伸强度影响最明显, 此时, 取样的高度对玉米秸秆皮的抗拉强度也是有很大影响的。随着玉米秸秆取样高度的不断变化, 玉米秸秆皮的抗拉强度在整体上也会呈现出上升的趋势。从玉米秸秆皮含水率以及取样高度的影响上可以发现, 玉米秸秆皮的含水率在30%的时候, 玉米秸秆皮的抗拉强度是最大的, 在一定程度上, 有利于提高玉米秸秆皮穰分离之后秸秆皮的完整性。从剪切试验结果看, 取样的高度对玉米秸秆皮的剪切强度影响并不是特别的明显, 比较明显的是玉米秸秆的含水率和剪切的速度。当玉米秸秆的含水率变高的时候, 玉米秸秆的剪切强度会随着剪切速度的提升而有所提高。

参考文献

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拉伸特性 篇2

关键词：土工格栅,拉伸抗拉强度,伸率

0 引言

由于土工格栅具有提高地基的承载力, 延长道路的使用寿命, 减缓路面塌陷或产生裂纹等特点, 已广泛应用于道路交通等工程领域。随着土工格栅的应用推广, 格栅的类型也由单向格栅逐步发展成多向格栅。多向拉伸塑料土工格栅在多个方向上都具有较大的拉伸强度, 这种结构机构均一、在土体中能够提供一个有效的力的承担和扩散连锁系统, 均匀分散荷载应力, 减少不均匀沉降。抗拉强度是土工格栅的重要指标。所以, 针对拉伸速率对土工格栅强度的影响进行测试研究具有重要的实际意义。

土工格栅的生产过程是将HDPE或PP及改性剂进行计量混配, 通过挤出机组挤出、压延值得厚度精确控制和表面光滑平整的高质量板材, 经冲孔机精密冲孔, 再经预热装置缓慢拉伸, 使聚合物的分子链沿拉伸方向高度取向而成。纵向拉伸后直接定型、切断收卷即得单向格栅产品, 如果在纵向拉伸后再横拉, 就得到双向格栅产品, 类似的方法可以得到四向格栅。目前土工格栅类型如图1所示。

1 试验仪器、材料、方法和内容

1.1 试验仪器和材料

试验设备采用某专业土壤仪器厂生产的TZY-1型土工合成材料综合测定仪。水平荷载采用应变控加荷方式, 有20、50、60、100mm/min4种速率档位可供选择, 最大推力为10kN, 最大剪切位移为10cm, 拉压应力由拉压力传感器测读。数据采集和处理由单片机自动控制、自动判断峰值。

1.2 试验方法

为了防止土工格栅打滑, 产生应力集中现象, 夹具都夹在格栅的节点处, 并使格栅保持在一个水平面上。为了使试验据结果更具有可比性, 试样的初始尺寸采取一致, 分别采用不同的档位进行拉伸试验, 记录抗拉强度和延伸率。

1.3 试验内容

试验研究拉伸速率对土工格栅抗拉强度以及延伸率的影响。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

由表1可知二向和四向土工格栅的抗拉强度随拉伸速率增加而增大。随拉伸速率增大, 双向格栅的延伸率减小, 四向格栅延伸率变化不大。

同时还发现四向节点处先破坏, 双向整体断开。继而显示出双向格栅受力均匀, 而四向格栅破坏以后还有相当的强度, 四向格栅并不是整体破坏。破坏形式如图2。

2.2 试验成果的分析

由其生产过程可知土工格栅是由高分子聚合物组成的, 具有明显的流变特性。在加载初期, 阻尼的黏滞性较强, 而整个模型的拉伸模量会增加。加载速率越大, 阻尼的黏滞特性越明显, 拉伸模量越大。而当拉伸速率较低时, 分子位置有足够时间进行调整, 能量除一部分转化为热能外, 一部分被阻尼结构吸收, 从而使材料的抗拉强度降低。

格栅板材在拉力作用下, 主要过程是细颈出现及格栅肋条形成。拉伸过程中, 结晶型聚合物具有晶区和非晶区, 在拉伸力作用下聚合物的晶区和非晶区分别发生两种不同性质的取向, 晶区发生晶粒取向:晶粒的某个轴向或某个晶面沿着某个特定的平面或某个特定的方向成一个恒定的夹角或平行于某个特定的平面占优势排列;非晶区进行链段向和分子取向, 分子链段通过单链的内旋转造成链段沿拉伸方向占优势的平行的排列, 整个分子链的各链段协同运动沿拉伸力方向占优势的平行排列。两个区的取向可以同时进行, 但速率不同。结晶区的取向发展得快, 非晶区的取向发展的慢, 当非晶区达到中等取向程度时, 晶区的取向就已经达到最大程度。

土工格栅拉伸时的应力集中程度与冲孔形状密切相关, 并且圆孔孔边的应力集中程度最低。在拉伸过程中, 四向格栅晶区和非晶区分别发生两种不同性质的取向, 在达到屈服强度时, 在格栅里边沿某个线或面形成了另一个高强度的分子链。所以四向格栅破坏以后还有相当大的强度。

3 结论

(1) 随拉伸速率的增大, 双向和四向格栅的抗拉强度增加。 (2) 随拉伸速率的增大, 双向格栅的延伸率减小, 四向格栅延伸率变化不大。 (3) 双向格栅破坏时属于脆性破坏, 破坏后没有抗拉能力;而四向格栅属于韧性破坏, 即使破坏后还具有一定的抗拉能力, 仍然继续工作。

参考文献

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[6]宗大权, 朱弟雄.双向土工格栅的开发[J].工程塑料应用, 2001, 29 (10) :34-37.

拉伸特性 篇3

变体机翼能够根据飞行状态,自适应地改变自身形状以达到最佳的气动外形,从而显著助提高飞行器的气动效率,成为未来先进飞行器的重要发展方向[1—3]。当变体机翼改变自身形状时,表面蒙皮需要具有足够的刚度和强度来承受飞行器飞行过程中的气动载荷,并且要求机翼蒙皮具有足够的柔性以产生较大变形[4,5]。

目前,国外Jonathan D.Bartley-Cho等提出采用柔性较大的橡胶类材料制作的蒙皮[6],这种蒙皮虽满足机翼变形和气密性要求,但是,机翼的整体承载能力并不很高,并且机翼内部结构、驱动方式和控制很复杂;Brian C.Prock等提出了分片式可移动的硬蒙皮[7],这种蒙皮结构虽实现了蒙皮的大变形和承载要求,但是却无法保证机翼表面光滑、连续和整体气密性要求,降低了变体机翼的气动性能;国内哈尔滨工业大学研制了形状记忆聚合物来实现蒙皮的大变形,但承载能力同样有限。

针对以上不足,本文提出了一种半圆波纹型复合材料蒙皮,以同时满足机翼变体时地柔性和承载能力要求。这种蒙皮由纤维增强复合材料基体和高弹性橡胶材料组成,如图1所示。

这种蒙皮在纵向拉力作用下每个波纹都产生扩张,由于变形的累积效应,使其产生远大于普通金属平板蒙皮;而在垂直于蒙皮表面的方向,由于波纹结构的存在使其具有较大的刚度,能够承受较高的载荷。本文计算了单层蒙皮复合材料主方向弹性模量,使用MSC.Patran/Nastran有限元软件进行了仿真分析,并将分析结果与试验进行了对比,证明了模型的有效性,为智能蒙皮的研究提供了一定的理论及试验依据。

1玻璃/环氧复合材料弹性模量

玻璃纤维与环氧树脂混合材料(下面简称玻璃/环氧复合材料)属于各向异性材料,玻璃/环氧复合材料各向弹性模量的计算推到可以增加有限元仿真的准确性。文中使用0°/90°E型平纹玻璃纤维织物,设Ef为玻璃纤维的弹性模量,Em为环氧树脂的弹性模量,cf为玻璃纤维的体积分数,cm为环氧树脂的体积分数。

取体积为V的单层典型单元体,它的质量为M,M是玻璃纤维与环氧树脂质量之和,即

M=Mf+Mm (1)

体积V包括玻璃纤维Vf、环氧树脂基体Vm和孔隙Vv三部分所占的体积,即

V=Vf+Vm+Vv (2)

用M和V分别去除式(1)和式(2)得

$\frac{{\rm M}{}_f}{{\rm M}}+\frac{{\rm M}{}_m}{{\rm M}}=m{}_f+m{}_m=1$ (3)

$\frac{V{}_f}{V}+\frac{V{}_m}{V}+\frac{V{}_v}{V}=c{}_f+c{}_m+c{}_v=1$ (4)

其中mi和ci表示质量分数和体积分数。

按照复合材料密度的定义,可用V去除式(1),得单层复合材料的密度:

$\rho =\frac{{\rm M}}{V}=\frac{\rho {}_{f}V{}_f+\rho {}_{m}V{}_m}{V}=\rho {}_{f}c{}_f+\rho {}_{m}c{}_m$ (5)

式(5)称为复合材料密度的混合律,它表示复合材料的密度与各相体积分数和各相密度乘积的线性关系。

用质量分数表示,则:

$\rho =\frac{1}{\frac{m{}_f}{\rho {}_f}+\frac{m{}_m}{\rho {}_m}+\frac{V{}_v}{\rho V}}$ (6)

孔隙体积与总体积相比可忽略,则可近似认为$\frac{V{}_v}{V}=0$,由式(3)、式(4)和式(5)、式(6)可得:

$c{}_f=\frac{\rho {}_m/\rho {}_f}{\rho {}_m/\rho {}_f+m{}_m/m{}_f}$ (7)

$c{}_m=\frac{\rho {}_f/\rho {}_m}{\rho {}_f/\rho {}_m+m{}_f/m{}_m}$ (8)

为计算材料的弹性模量,将一层纤维织物简化成为正交铺设的上、下两层单向纤维层[8],如图2所示,假设上、下两层纤维体积含量相同,且都等于未简化前的纤维体积含量。

下层纤维1方向的弹性模量E11为:

E11=Efcf+Emcm (9)

上层纤维2方向的弹性模量E22为:

$E{}_{22}=\frac{E{}_{f}E{}_m}{c{}_{m}E{}_f+c{}_{f}E{}_m}$ (10)

玻璃纤维织物与环氧树脂胶相关制备参数如表1所示,mf和mm可用实验方法测定(通常用采用称重法),取一块质量为M的试样,除掉其中的基体(对玻璃/环氧复合材料,可酸蚀除掉基体),或者剪出试件所用玻璃纤维布而后称重的方法直接得出纤维重量Mf,根据式(3),可计算得$m{}_f=\frac{{\rm M}f}{{\rm M}}$,则mm=1-mf,排水法测出试件的体积V,由$\rho =\frac{{\rm M}}{V}$可得玻璃/环氧材料的密度,再根据上面的公式可推算出单层玻璃/环氧复合材料的参数如表2所示,其中E11、E22分别为材料主轴1与2方向的弹性模量,v12为材料泊松比。

2有限元建模

任何结构的有限元分析都离不开几何结构的准确建模和载荷的真实模拟[9]。本文建立的有限元仿真分析模型与试验样件的形状和尺寸一致。仿照拉伸试验机的拉伸方式,一端完全固支,一端施加X方向的拉伸载荷,采用逐步加载方式,每步迭代30次。

2.1二维模型

仿真模型建好后,选用四边形板元(QUAD4)来划分网格,在波纹区域适当加密网格,将计算出的弹性模量等参数输入选定的材料模型中,材料模型为2D各向异性材料,最后采用复合材料专用建模工具MSC.Laminate Modeler来建立蒙皮构件拉伸模型,真实试验样件由6层玻璃/环氧复合材料组成,仿真模型则简化成反对称正交铺设层合板,共12层,铺层顺序为[0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°],材料主方向1与全局坐标X轴向一致,铺层参考方向如图4所示。

2.2分析结果

复合材料层合板结构由于方向层的刚度不同,每一层会有不同的应力,故相对于金属材料更侧重于分析其应变[10]。

图5、图6为蒙皮构件上、下表面X轴向应变云图。

从图5中可知,蒙皮上表面波峰处在伸长时主要受压应变影响,最大压应变集中于中间波峰处,两边波峰的压应变小于中间波峰,越靠近两端压应变越小,而波谷处主要受拉应变影响,最大拉应变集中于两端波谷处,越靠近中间拉应变越小。

图6中蒙皮构件波峰处受拉应变而波谷处却受压,应变分布与图5相似,导致这种现象主要有两方面原因,一是如图7所示,取蒙皮整体的波峰或波谷处一段微元,根据整体受力情况,可知微元所受内力分布,发现不管波峰或波谷处微元都会受到使其舒展伸长的力矩,这导致单层蒙皮既有拉应变又有压应变;二是蒙皮铺层方式可看作是反对称正交铺设,此种层合板有拉伸与弯曲的耦合关系,即蒙皮在拉伸时不仅会伸长还会产生翘曲。

图8是蒙皮构件受拉时X轴向所产生的位移图,由图8可知,每个波纹所产生的位移大小并不一样,越靠近拉伸端位移越大,由于每个波纹都产生扩张变形的累积效应,使其产生远大于普通金属平板蒙皮的变形,满足了变体飞行器大变形的要求。

3试验

3.1试验样件及系统

本文根据GB/T 1447—2005[10]规定的纤维增强复合材料拉伸试验件的外形尺寸,采用手糊真空热压成型工艺制备了波纹型和平板型两类拉伸试验样件,表3为试验件的尺寸参数。其中,L为试验件的总长;L1为试验测试段的长度;L2为拉伸机夹持验样件的长度;n0为纤维铺层数;n为基体的波纹数;t为样件层合板厚度。

实验设备使用INSTRON5566系列电子万能试验机。实验前先夹持蒙皮试样,使试样的中心线与上、下夹具的对准中心线一致,试验机的加载速度根据标准设为2 mm/min,检查并调整试样及试验机系统,使整个系统处于正常工作状态,最后测定拉伸应力时连续加载直至试样破坏,观察拉伸变形曲线,记录数据。

3.2结果分析与讨论

图9为平板型试验样件的拉伸特性试验曲线,图10为波纹型蒙皮拉伸位移仿真曲线以及试验样件拉伸特性曲线。

由图9可知,平板样件在拉伸载荷小于170 N的范围内呈线性关系。当大于170 N后,样件脱层导致强度减弱而发生破坏。

比较两图可知,两种结构具有相似的变形特性,而且两种结构样件发生脱层破坏的临界载荷很接近,所以可以近似地用平板结构的拉伸许用应力,作为波纹结构拉伸时的应力极限。但是波纹结构样件的变形能力远高于平板结构。在相同的载荷下,波纹结构样件的伸长量是平板结构样件的30多倍。

比较图10中两曲线可知在(0—100) N之间,仿真与试验结果拟合度较好,在170 N左右时,试验样件发生塑性变形,而仿真模型仍然处于线弹性阶段,此时观察试验样件发现,试件两端波谷处纤维层与树脂胶首先发生脱层现象,这与上文仿真结果吻合。在线弹性段实验与仿真结果比较接近,伸长量误差不超过10%。

根据上述结果可以推断导致有限元仿真计算与实测结果之间误差的原因主要有3个方面。一是仿真模型由于进行了诸多简化导致计算结果误差,这是导致试验误差的一个主要原因;二是样件制备时,工艺难以精确控制,导致不同样件性能略有差异;三是样件测试过程中,由于样件的初始变形等因素影响,使加载过程中初始载荷可能不为0,而导致了载荷偏置。尽管本文建立仿真模型与实测结果之间存在误差,但是误差较小,且简单易用,所以提出的有限元分析模型可以作为工程设计与优化的一种依据。

4结论

(1) 本文推导出了的波纹型蒙皮结构含玻璃纤维与树脂胶的体积分数,并给出了材料各向弹性模量的表达式,该式形式简单,含义清楚便于使用,使仿真结果更准确。

(2) 结构试验前,建立波纹型蒙皮复合材料构件的有限元模型给出蒙皮在试验载荷下应变、位移等云图,为后续试验中位移与力传感器的选取、试验应变片的布置提供依据。

(3) 试验结果表明,波纹式蒙皮结构能够提供远大于传统平板式蒙皮的拉伸变形能力。本文样件试验中,在相同尺寸条件和载荷作用情况下,波纹结构的弹性伸长量是平板结构样件的30多倍,为变体机翼蒙皮提供了一种可行的选择。

参考文献

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拉伸特性 篇4

随着冲压拉伸件的广泛应用, 冲压拉伸件的形状越来越复杂, 精度要求越来越高, 对冲压拉伸模具的复杂性、精确性的要求随之提高。如果采用传统的模具结构, 不但尺寸不易保证, 而且废品率高不易成型, 影响生产效益。采用拉伸筋的拉伸模, 可以在同样拉伸设备和相同压边力下, 生产出合格拉伸件, 降低废品率, 提高企业经济效益。设计出理想并符合实际操作的拉伸模需要模具设计人员具有一定的工作经验和对拉伸机参数的了解。

2 拉伸筋的作用

确定冲压方向、工艺补充部分和压料面形状是决定能否拉伸出满意拉伸件的先决条件, 但是拉伸筋能够控制压料面上整个拉伸毛坯的流动, 根据拉伸件的需要增加或减小压料面上各部位的进料阻力。因此, 拉伸筋的位置、根数和形状处理不当, 也不可能拉伸出满意的拉伸件。在拉伸模调整的最后阶段改变拉伸毛坯局部形状外, 主要是调整拉伸筋的松紧来增加或减小压料面上各部位的进料阻力, 以获得合格的拉伸件。

2.1 增加进料阻力。

压料面之间的拉伸毛坯受径向拉应力和切向压应力外, 还受反复弯曲应力, 拉伸毛坯反复弯曲几次拉入凹模里, 因此增加了进料阻力。

2.2 使进料阻力均匀。

由于径向部分进料阻力小, 圆角部分有切向压应力, 拉伸毛坯的材料变厚, 进料阻力增大, 因此径向部分设计拉伸筋就使径向部分和圆角部分进料阻力均匀。

2.3 降低对压料面接触的要求。

用拉伸筋以后压料面之间的间隙可以适当加大, 稍大于料厚, 这样压料面接触对拉伸的影响就不大了, 如果不用拉伸筋, 则对压料面接触的要求就高, 而且压料面还容易磨损和拉毛, 在拉伸件上会产生划痕, 严重产生破裂。

2.4 拉伸稳定。

有些拉伸件不用拉伸筋, 靠调节压力机外滑块四角的高低, 外滑块成微量倾斜装, 使压料面上各部分的压料力不同, 也能够拉伸出合格件, 但是对于规则简单的圆柱型拉伸件较适用, 对含有球面拉伸件很不稳定。

2.5 增加拉伸件刚性。

3 通过具体实例说明拉伸筋的作用

如图1, 该零件带有球面圆弧, 为防止球面起皱和单纯增加压边力而损坏压力机, 然而设计模具时采用拉伸筋, 不但防止球面起波浪, 保证零件质量要求, 同时提高压边力的同时保证压力机不超载, 但拉伸筋的位置必须保证零件的工艺尺寸要求, 特别是切边尺寸要求。

3.1 加大径向拉应力。

该工序零件毛坯设计模具时, 带有拉伸筋, 防止大球面圆弧形成波纹, 故整圈带有拉伸筋, 如果模具不设计拉伸筋, 压边力调整很困难, 也能拉伸出切边之前毛坯件, 但是很不稳定, 在球面和直壁上经常形成波纹, 带有拉伸筋后, 消除波纹并且拉伸稳定。

3.2 平衡凹模周边进料阻力和凹模周边进料量。

在凹模平面放拉伸筋之前, 一味加大压边力, 不但压力机负载加大甚至超负荷, 而且球面易破裂, 废品率太高。为避免上述问题, 在模具压边圈和凹模设计拉伸筋, 避免球面产生波纹和压力机超负荷, 并且避免因压边力加大导致球面破裂问题。模具结构如图2。

1底板2定位销3凹模圈4托件板5下模6凸模7杆8内六角螺秤9内六角螺秤10凹模11昌圈12盖板13内六角螺秤

4 拉伸筋位置和结构

从图1可以看出拉伸筋位置必须不能影响后道切边工序尺寸, 同时保证拉伸工序的可操作性。否则需要重新设计和验证。从图2知道, 从压力机的调整来说, 要求拉伸筋最好装在压边圈上, 因为调整压力机时, 拉伸筋是不打磨的, 拉伸槽在拉伸凹模上便于打磨和研修。

5 结束语

本零件拉伸工序已正式投入使用, 批量生产的零件满足图纸要求, 且尺寸满足图纸要求, 尺寸稳定, 废品率低, 满足了新产品开发时间紧, 任务重的要求, 在短时间内就批量生产出合格产品, 充分体现在拉伸模具中拉伸筋的作用, 特别带有球面的零件。带有拉伸筋的拉伸模具有很多优点, 但其装配精度要求较高。设计带有拉伸筋的拉伸模具, 要综合考虑各方面的因素。要求设计人员有一定的专业知识和一定的实际生产经验。

摘要：本文介绍了含有球面拉伸件拉伸模的结构及其工艺特征。在模具设计及其制造过程中, 针对企业的具体设备、技术等有限条件, 制造带有拉伸筋的球面拉伸模具, 在实际生产中, 废品率低, 拉伸件达到技术要求, 并获得了较大的经济效益。