張新榮，馮丹芳，劉顯坤，李江波，蔣干，陳紅永

放射性圓柱樣品幾何測量氣動夾具優(yōu)化設(shè)計

張新榮1，馮丹芳2，劉顯坤1，李江波1，蔣干1，陳紅永3

（1.中國工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所，四川 綿陽 621999；2.中國工程物理研究院 電子工程研究所，四川 綿陽 621999；3.中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621999）

放射性樣品幾何測量時需要采用特殊夾具夾持樣品，穩(wěn)定夾持需在保證測試精度的前提下對樣品的影響最小。為此，開展了放射性圓柱樣品的幾何測量氣動夾具設(shè)計。采用有限元方法研究了氣源壓力、夾具－樣品摩擦系數(shù)對夾具及樣品的變形影響，同時對夾持板接觸部位倒角和厚度進行了優(yōu)化設(shè)計。研究表明，當夾具材料與樣品材料一定時，摩擦系數(shù)越大，其變化對樣品的變形影響越可以忽略；夾具氣源氣壓應(yīng)與夾持板厚度等參數(shù)匹配設(shè)計；通過優(yōu)化獲得了對樣品影響及自身變形較小的氣動夾具優(yōu)化構(gòu)型，可應(yīng)用于放射性圓柱樣品的幾何氣動測試夾具優(yōu)化及實驗。

放射性樣品；氣動夾具；有限元；幾何測量

碳化硼具有高熔點、高硬度、低密度等優(yōu)良性能，并具有良好的中子吸收能力和抗化學(xué)侵蝕能力，可用于耐火材料、研磨介質(zhì)、工程陶瓷、反應(yīng)堆控制棒和屏蔽棒、輕質(zhì)盔甲等方面，因此在核工業(yè)、宇航等領(lǐng)域有較廣泛的應(yīng)用[1-2]。為測試碳化硼的抗輻照性能，需對經(jīng)過反應(yīng)堆內(nèi)輻照的碳化硼樣品進行幾何測量。樣品一般為圓柱形，由于樣品尺寸較小，采用人工和傳統(tǒng)機械手的夾持方式經(jīng)常存在夾持不穩(wěn)、樣品易脫落的風(fēng)險，且人工夾持易遭受γ射線輻射，因此需要發(fā)展樣品的自動化測試技術(shù)[3-4]，以提升放射性樣品測試的精度和效率。

夾具設(shè)計對放射性樣品自動化測試系統(tǒng)的幾何測試精確度有重要影響，要在有效夾持樣品的同時，保證夾具自身的小變形，并最大限度降低對樣品的影響，以免引入不必要的測試誤差。黃鑫等[5]設(shè)計了一種針對為外形相似、夾持部位相同，僅質(zhì)量、幾何尺寸不同的一系列試驗樣品的通用夾具。葉顯爵等[6]的研究表明，夾具與樣品間摩擦系數(shù)對圓柱形樣品內(nèi)變形不均勻性的影響顯著。陳小平等[7]研究發(fā)現(xiàn)，通過改進夾具剛度可以改進樣品易污染和變形失效問題。高沖等[8]的研究表明，樣品與夾具中界面間隙的接觸狀態(tài)會對測試產(chǎn)生影響。張雪峰等[9]設(shè)計了采用鈦管夾具的碘（125I）的自動化裝配系統(tǒng)。杜時亮[10]針對測量精度要求較高的時柵傳感器，設(shè)計了高定位精度的夾具定位盤。以上研究表明，在設(shè)計夾具時，需要根據(jù)測試樣品特性、測試需求等對夾具進行優(yōu)化設(shè)計，有必要研究夾具與樣品間相互作用導(dǎo)致的夾持變形對測試精度的影響。

張珂等[11]基于有限元分析了線束接插件的夾緊過程，研究了尼龍材質(zhì)接插件的塑性變形。區(qū)煥財?shù)萚12]考慮摩擦系數(shù)的影響，分析了三爪夾具抓取不同材質(zhì)瓶蓋的夾持力。董迪[13]通過建立有限元模型，分析了拉鏈郵袋在材質(zhì)、夾具固定方式、負載等影響因素下的受力情況。楊智才等[14]針對專用吸盤夾具開展有限元分析，獲得吸盤夾具的易損位置。彭立曉[15]基于有限元研究了振動夾具安裝點數(shù)量對模態(tài)特性的影響，通過振型分析開展了夾具動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計。游津京等[16]基于有限元法設(shè)計正交試驗，對大口徑薄型光學(xué)元件夾具開展了仿真和統(tǒng)計學(xué)分析。溫滬斌[17]針對數(shù)控機床加工LED燈罩殼體的專用夾具開展定位、受力及誤差分析，并進行優(yōu)化設(shè)計。以上研究表明，基于有限元分析可對夾具開展多方面優(yōu)化。

特種氣動夾具對夾持穩(wěn)定性和測試精度要求高，而該夾具優(yōu)化參數(shù)較多，需要深入分析結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)、控制參數(shù)等對樣品的影響。本文針對某放射性圓柱樣品的幾何測量氣動夾具設(shè)計，建立夾具－樣品的參數(shù)化有限元分析模型，對夾具局部倒角及夾持板厚度進行優(yōu)化，研究氣源壓力變化及摩擦系數(shù)不確定性對夾持作用的影響，獲得不同夾持參數(shù)下夾具－樣品變形及受力情況，分析夾持作用對測試精度的影響?？蔀閮?yōu)化夾具提高測量精度提供參考。

1 夾具－樣品分析模型

放射性圓柱樣品幾何測量氣動夾具如圖1所示。通過空壓機在測量時為氣動裝置提供氣源，氣動控制裝置通過手柄控制左右兩側(cè)夾持部運動實現(xiàn)夾持板開合，夾持板中部設(shè)計為和圓柱樣品尺寸一致的圓弧狀凹槽，通過中部凹槽表面夾緊圓柱樣品，夾持板厚度越小，夾具－樣品接觸面積越小，對幾何測量的影響越小。該夾具的設(shè)計實現(xiàn)了待測放射性圓柱樣品的精準放置和快速定位，配合氣動夾持裝置可以快速實現(xiàn)待測樣品的裝夾。

對放射性圓柱樣品開展測試時，探針在圓柱樣品端面、柱面游走測量幾何形狀，探針測試與樣品接觸力最大為150 mN。將夾具－樣品的相互作用模型簡化，主要考慮夾具、夾持板與樣品間相互作用，建立結(jié)構(gòu)有限元模型。測試外力考慮為作用在端面上的豎向力、橫向力及側(cè)向力三種典型狀態(tài)。夾持板與樣品通過中部弧形接觸面卡緊，氣源壓力加載在夾具兩側(cè)背面，如圖2所示。

圖1 放射性圓柱樣品測試夾具示意圖

由于測試外力載荷方向可能多樣，無法根據(jù)面對稱模型開展仿真，因此建立夾具－夾持板－樣品的全模型。劃分網(wǎng)格時，夾具主體采用較粗網(wǎng)格，夾持板及樣品局部采用精細化網(wǎng)格，整體均采用六面體高階實體單元進行劃分，以有效獲取夾具－樣品接觸局部變形細節(jié)。有限元模型共有320599個節(jié)點和72528個單元，初步分析顯示，現(xiàn)有網(wǎng)格能達到收斂性要求。開展靜力仿真分析時，邊界條件設(shè)置為夾具左右兩部分均可繞底部轉(zhuǎn)動中心處自由轉(zhuǎn)動，為限制樣品產(chǎn)生剛體運動，采用弱彈簧約束，其他自由度均釋放；夾持板與樣品接觸面為摩擦接觸，其他部件之間均采用共節(jié)點方式建模。

2 夾具及樣品優(yōu)化設(shè)計

2.1 典型狀態(tài)受力分析

被測試的碳化硼圓柱樣品，直徑8.47 mm，高度12 mm，氣源壓力初始為1 atm，夾具材料為鋁合金，典型測試狀態(tài)包括樣品端面受力分別為橫向、豎向及側(cè)向三種狀態(tài)，如圖2所示。

采用數(shù)值模擬，對比三種典型狀態(tài)測試作用力下樣品應(yīng)力如圖3所示，夾具及樣品的變形如圖4～6所示。可以看出，最大整體位移達到35 μm，出現(xiàn)在夾具中部，主要是由于氣源壓力作用下夾具中部發(fā)生彎曲（圖中變形有放大），其他部位變形較小。對比三向典型受力狀態(tài)可以看出，在豎向受力狀態(tài)時，樣品變形最大達到4 μm，可見豎向力作用下樣品位移對測試結(jié)果影響較大，需重點關(guān)注。后文對比分析也以豎向力狀態(tài)為主。

圖2 夾持板－樣品有限元分析模型

圖3 不同方向測試力狀態(tài)樣品應(yīng)力分布

由圖4～6還可看出，氣動夾具－樣品在有效夾持狀態(tài)、三種測試載荷狀態(tài)下，夾具的變形主要來源于夾具兩端。在此受力狀態(tài)下可簡化為簡支梁模型。簡支梁在受到分布式壓力載荷作用下其撓度最大值出現(xiàn)在中部位置。

提取夾持板－樣品位移和第一主應(yīng)力如圖7所示。

圖4 樣品在不同方向測試外力下的位移

圖5 夾持板在不同方向測試外力下的位移

圖6 整體在不同方向測試外力下的位移

由圖3和圖7可以看出，樣品最大應(yīng)力出現(xiàn)在夾持板與樣品局部接觸部位，是由于夾持板和樣品的弧面接觸狀態(tài)會因為夾具的變形帶動夾持板轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致接觸面上部有脫開趨勢，而下部為壓緊狀態(tài)，夾具變形越大，則夾持板與樣品的接觸面積變小，整體壓力都作用于局部區(qū)域。由圖4～6和圖8可以看出，在樣品下部產(chǎn)生高應(yīng)力應(yīng)變區(qū)域，導(dǎo)致樣品出現(xiàn)局部變形，與夾持板下部接觸部位應(yīng)力及變形最大。

由圖4～7還可看出，由于豎向測試外力作用，樣品位移分為整體繞夾持板的轉(zhuǎn)動和接觸部位的變形兩部分。夾持板在夾具支撐及測試外力作用下，類似于端部受力的懸臂梁結(jié)構(gòu)；夾持板產(chǎn)生了繞法向的變形，在夾持板根部上端產(chǎn)生了拉應(yīng)力，下端為壓應(yīng)力。在氣源壓力及測試外力載荷綜合作用下，樣品位移由繞夾持板的剛體轉(zhuǎn)動和局部受壓區(qū)域的變形耦合，產(chǎn)生了以繞樣品中心為主的轉(zhuǎn)動位移。此外，由于測試外力以點載荷加載，會在局部形成接觸高應(yīng)力區(qū)域。

2.2 夾具優(yōu)化設(shè)計

仿真獲得的對夾持板和樣品的變形和應(yīng)力等分析結(jié)果中，影響樣品位移（主要由夾持板變形帶動樣品發(fā)生剛體位移）及變形（樣品在與夾持板接觸部位產(chǎn)生形變）的參數(shù)會直接影響測試精度，因此作為首要考慮因素；其次是影響樣品應(yīng)力的參數(shù)（以防止出現(xiàn)不可逆的塑性變形），同時考慮可實現(xiàn)性及對測試帶來的影響，綜合評價優(yōu)化參數(shù)。

通過對夾具－夾持板－樣品的受力分析，明確了載荷傳遞路徑及變形模式。通過初步分析發(fā)現(xiàn)，夾持板局部凹槽圓弧面倒角、夾持板厚度對樣品受力影響較大，因此對兩處設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化分析，如圖8、表1、表2所示。

可以看出，隨著倒角變大，樣品應(yīng)力雖非單調(diào)變化，但總體為降低趨勢；樣品位移變大，夾持板應(yīng)力及變形略有降低。為改善樣品局部受力情況，降低局部應(yīng)變，因此夾持板設(shè)計可采用較大倒角半徑優(yōu)化參數(shù)為2 mm狀態(tài)。

隨著夾持板厚度的增大，樣品應(yīng)力在厚度0.5～1.5 mm時上升，但在2 mm時略有下降，不是線性變化；整體位移降低，樣品局部應(yīng)力最高值增大，樣品位移降低，夾持板應(yīng)力降低?？梢娋植繎?yīng)力并未因厚度增大、夾持面積增大而降低，夾持部位局部應(yīng)力變化趨勢與平均應(yīng)力不同。降低樣品位移需采用厚度較大的夾持板，但夾持板厚度過大會和測試系統(tǒng)發(fā)生干涉，對測試產(chǎn)生影響。綜合考慮樣品應(yīng)力、位移及對測試影響，取夾持板厚度1.5 mm為優(yōu)化值。

表1 不同倒角半徑夾具－樣品最大應(yīng)力及變形

表2 不同夾持板厚度夾具－樣品最大應(yīng)力及變形

2.3 氣源壓力及摩擦系數(shù)影響

試驗控制參數(shù)還包括氣源壓力及界面摩擦系數(shù)等。對比氣源壓力及夾具－樣品界面摩擦系數(shù)對測試的影響，如表3和表4所示。

可以看出，隨著氣源壓力的增大，整體位移、樣品應(yīng)力、卡板應(yīng)力及變形均基本呈線性上升趨勢，樣品位移降低但幅度不大?？梢娸^小的氣源壓力能保證對樣品的可靠穩(wěn)定夾持。測試碳化硼等樣品時，氣源壓力宜設(shè)置在1 atm以下。壓力較大會導(dǎo)致樣品產(chǎn)生局部塑性變形。

隨著界面摩擦系數(shù)的增大，整體位移變化不大，樣品應(yīng)力呈上升趨勢，位移下降；夾持板應(yīng)力上升，變形下降。較小的摩擦系數(shù)能夠在保證樣品發(fā)生小位移同時，降低樣品局部應(yīng)力，而當樣品表面粗糙度較大可能導(dǎo)致界面摩擦系數(shù)較高時，宜采用在夾具凹槽圓弧面上增加潤滑等方式改善界面的摩擦，以避免樣品局部應(yīng)力過大而造成局部塑性變形。

表3 不同氣壓夾具－樣品最大應(yīng)力及變形（摩擦系數(shù)0.2）

表4 不同摩擦系數(shù)夾具－樣品最大應(yīng)力及變形（氣源壓力1 atm）

3 結(jié)論

針對放射性圓柱樣品的測量氣動夾具開展了有限元建模，以樣品位移和應(yīng)力為主要因素，針對影響測量穩(wěn)定性的夾具結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，獲得夾持板倒角半徑和厚度等優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上研究了氣源壓力和界面摩擦系數(shù)對測量的影響，得到以下結(jié)論：

（1）夾持板倒角影響樣品局部變形。倒角增大，樣品應(yīng)力非單調(diào)變化，總體為降低趨勢，樣品位移變大，夾持板應(yīng)力及變形變化不大。

（2）隨著夾持板厚度增大，樣品應(yīng)力并未隨接觸面積變大而降低，反而增大，在夾具設(shè)計時需考慮局部變形。

（3）氣源壓力對樣品應(yīng)力影響較大，低于1 atm的氣源壓力可保證在可靠夾持樣品的同時不產(chǎn)生局部塑性變形。

（4）夾具－樣品界面摩擦系數(shù)越低，越有利于改善樣品的局部受力。

[1]石浩，豆志河，張廷安. 碳化硼粉體制備及應(yīng)用綜述[J]. 超硬材料工程，2020，32（4）：39-46.

[2]龍亮，劉炳剛，羅昊. 碳化硼的研究進展[J]. 材料導(dǎo)報，2019，33（Z1）：190.

[3]李力，張兆清，劉權(quán)衛(wèi). 后處理高放射性樣品自動分析技術(shù)的研究進展[J]. 化學(xué)分析計量，2021，30（6）：94-100.

[4]孫健，來永芳，陳琳. 放射性環(huán)境樣品快速測量方法研究進展[C]. 貴陽：第十五屆全國核電子學(xué)與核探測技術(shù)學(xué)術(shù)年會論文集，2010.

[5]黃鑫，陸曉燕. 一種通用力學(xué)試驗夾具的設(shè)計方法[J]. 中國檢驗檢測，2019（2）：17-19.

[6]YE Xianjue，GONG Xiaojuan，YANGBiaobiao. Deformation inhomogeneity due to sample-anvil friction in cylindrical compression test[J]. Trans. Nonferrous Met. Soc. China，2019（29）：279-286.

[7]陳小平，鄧小娟. 鉬金屬在離子減薄制樣儀樣品夾具材料中的應(yīng)用[J]. 分析測試技術(shù)與儀器，2020，26（2）：95-100.

[8]高沖. 桿狀電介質(zhì)材料微波性能均勻性測試技術(shù)研究[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2016.

[9]張雪峰，趙晨，高惠波，等. 125 I密封籽源自動化裝配系統(tǒng)的研制[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2022，22（1）：179-183.

[10]杜明亮. 時柵傳感器定位盤加工工藝的創(chuàng)新設(shè)計[J]. 機械工程師，2015（7）：266-267.

[11]張珂，牛長青，劉思源，等. 薄壁異形件自動化夾具的仿真分析及優(yōu)化[J]. 機械設(shè)計與制造，2020（3）：214-219.

[12]區(qū)煥財，區(qū)健彬，顏宇東. 不同材質(zhì)瓶蓋及夾具的夾持力選用研究[J]. 機電工程技術(shù)，2022，51（9）：253-265.

[13]董迪. 基于有限元分析的可循環(huán)拉鏈郵袋仿真模擬研究[J]. 包裝工程，2022，43（15）：234-240.

[14]楊智才，林群煦，劉勝祥，等. 動車開閉罩裝配吸盤夾具系統(tǒng)設(shè)計與分析[J]. 制造技術(shù)與機床，2020（2）：49-53.

[15]彭立曉. 一款振動試驗夾具的優(yōu)化設(shè)計[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2022（2）：56-58.

[16]游津京，謝啟明，康杰，等. 大口徑薄型光學(xué)零件彈性夾具優(yōu)化及夾持變形研究[J]. 工具技術(shù)，2022，56（2）：38-42.

[17]溫滬斌. LED燈罩殼體專用夾具的優(yōu)化設(shè)計[J]. 模具工業(yè)，2021，47（2）：75-79.

Optimization Design of Pneumatic Fixture for Geometric Measurement of Cylindrical Sample

ZHANG Xinrong1，F(xiàn)ENG Danfang2，LIU Xiankun1，LI Jiangbo1，JIANG Gan1，CHEN Hongyong3

( 1.Institute of Nuclear Physics and Chemistry, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621999, China; 2.Institute of Electric Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621999, China; 3.Institute of Systems Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621999, China )

During the geometric measurement of radioactive samples, the specialized fixtures are required to hold the samples, and the fixture is supposed to have the minimum impact on the samples on the premise of ensuring the accuracy of the test. To clamp the samples stably, the pneumatic fixture for geometric measurement of radioactive cylindrical sample is designed. The influence of the air source pressure and the fixture-sample friction coefficient on the deformation of the fixture and sample is studied using the Finite Element Method (FEM), and the chamfer and thickness of the contact part of the fixture plate are optimized. The results show that when the material of the fixture and the sample is determined, the influence of the change of the friction coefficient on the deformation of sample is of less significance as the friction coefficient increases; the pressure of the air source is supposed to match the thickness of the fixture plate and other parameters; the optimized configuration of the pneumatic fixture with less influence on the sample and its own deformation is obtained and can be applied to the optimization and experiment of the test fixture for radioactive cylindrical samples.

radioactive sample；pneumatic fixture；FEM；geometric measurement

TL92；TG756

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.10.003

1006-0316 (2023) 10-0014-06

2023-01-06

國家重大科技專項（2017ZX06002004）

張新榮（1983－），陜西渭南人，高級工，主要研究方向為核反應(yīng)堆核級設(shè)備運維、特殊材料機械性能測試等，E-mail：44144109@qq.com。