一种用于连接接头数值模型参数标定的高精度力学测试装置及方法

本发明涉及力学性能测试领域，具体而言，涉及一种能够在预设拉伸、剪切及拉剪复合加载条件下对连接接头进行稳定夹持、定位和局部相对位移测量的力学测试装置及方法，适用于电阻点焊、无铆铆接、自冲铆接、流钻螺钉连接、胶粘连接等不同连接工艺形成的连接接头力学性能评价及仿真分析中接头模型参数标定。

背景技术：

1、在汽车、航空航天等领域的轻量化设计中，多种连接工艺（如电阻点焊rsw、无铆铆接tox、自冲铆接spr、流钻螺钉连接fds等）被广泛用于板材、型材的连接。连接结构的数值仿真精度直接影响整车碰撞安全性、结构疲劳寿命等关键性能指标的预测可靠性，而仿真精度在很大程度上取决于连接接头数值模型参数能否准确标定。参数标定通常需要以物理试验获得的载荷-位移曲线作为目标，通过调整模型参数使仿真曲线与试验曲线匹配。

2、ks 2试验是一类面向板材点连接接头混合加载表征的专用力学试验方法，主要用于获得接头在不同拉伸/剪切比例下的载荷-位移曲线、峰值载荷、断裂位移及吸能等指标，并进一步服务于焊点数值模型参数标定。与常规单一工况试验不同，ks 2试样通常由两片折弯成形的u形件在中部搭接并通过单个连接点连接，试验时分别夹持试样两端，通过改变夹具安装方向或转接角度，使连接点在加载过程中承受不同组合比例的法向拉伸分量和面内剪切分量。

3、在现有的研究中，porcaro等在自冲铆接头测试中开发了ks 2试样构型和配套夹具，该夹具可以通过调整安装位置，对接头实现拉伸、剪切以及多种不同比例因子下的拉剪组合测试。shojaee等人在2022年系统开展了第三代先进高强钢点焊接头的ks 2试验，开发了相应的夹具，在8个加载方向下表征了焊点接头的强度、吸能和失效模式。

4、然而，现有ks 2试验在实施过程中存在以下技术缺陷：

5、（一）夹持端边界条件不稳定，试样容易发生旋转和滑移。

6、shojaee等人的研究指出，ks 2试样在不同方向加载时会发生不可忽略的试样旋转和滑移，尤其在剪切主导或拉剪混合工况下更为明显。其根本原因在于：试样夹持端在除承受轴向拉力外，还承受剪切分量及由偏心传力引起的附加力矩；当夹具与试样之间的摩擦力不足，且边界约束不够的情况下，试样便会相对夹具产生旋转，或夹具本身由于弹性变形或零件之间的间隙会产生一定程度的旋转。在旋转后，试样真实受力方向偏离初始设定方向，该问题会直接导致所测得的载荷不准确。

7、（二）以试验机横梁位移近似代替试样位移，导致位移定义失真。

8、横梁位移并不只包含连接点附近试样的真实变形，还叠加了夹具本体的弹性变形、夹具零件之间连接的间隙、打滑等系统位移。因此，当横梁位移被直接作为曲线横坐标时，所得载荷-位移曲线常会出现位移虚增、初始刚度偏低、曲线形态畸变等现象，难以准确反映连接接头本体的真实力学响应。

9、（三）试验结果与仿真边界之间难以保持一致，降低参数标定可靠性。

10、工程上通常存在两类建模方式：一类是假设试样夹持端仅发生理想刚体平移，在模型中不体现真实夹具；另一类是假设夹具为弹性体，在试样与夹具之间施加接触/摩擦边界条件，并默认各装配面之间不存在间隙。前一种方式无法反映真实试验中的滑移、旋转和夹具变形；后一种方式则又难以准确获得夹持力、摩擦系数和实际间隙等关键参数，通常只能采用经验值或对标试验反复试错调整。在试验存在滑移、旋转时，会造成仿真载荷-位移曲线与试验曲线难以稳定对齐，降低参数识别的可靠性。

11、综上，如何降低夹持滑移、偏心、夹具非预期运动及系统柔度对载荷-位移数据的影响，从而获得更适用于连接接头数值模型参数标定的高可信试验数据，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于连接接头数值模型参数标定的高精度力学测试装置及方法，针对现有技术的不足，其能够解决上述背景技术提出的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、一种用于连接接头数值模型参数标定的高精度力学测试装置，包括：

4、施力装置，包括相对设置的第一加载侧和第二加载侧，用于与外部材料试验机连接并向连接接头施加载荷；

5、夹持装置，设置于施力装置上，用于固定连接接头和改变连接接头的受力角度；

6、夹持装置上设置有防滑结构，防滑结构与连接接头抵接；

7、夹持装置上设置有第一测量目标和第二测量目标，第一测量目标和第二测量目标分别位于连接接头的连接区域两侧，且与连接接头的对应夹持端保持运动同步；

8、导向组件，设置于第一加载侧和第二加载侧之间，包括相互配合的第一导向部和第二导向部，第一导向部和第二导向部形成沿预定加载轴方向的直线导向配合，以允许第一加载侧和第二加载侧沿预定加载轴方向相对移动，并限制使连接接头预设加载姿态发生变化的相对转动和/或横向位移；

9、第一测量目标与第二测量目标之间的相对位移变化量用于表征连接接头在加载过程中两侧夹持端之间的局部相对位移，局部相对位移用于降低拉力试验机及测试装置自身变形和装配间隙对位移测量的影响。

10、进一步地，夹持装置包括第一锁紧件、两个对称设置的扇形盘和两组固定组件；两个扇形盘分别与施力装置连接，并分别用于与连接接头的对应端部配合；两组固定组件分别设置于连接接头的两侧，并通过第一锁紧件使固定组件、连接接头的对应端部和扇形盘形成压紧配合。

11、进一步地，防滑结构设置在扇形盘与连接接头接触的表面。

12、进一步地，固定组件包括两块固定块，固定块朝向连接接头的一侧设有避让槽，连接接头的对应端部至少部分位于避让槽内；避让槽与连接接头侧面接触的槽面上也设置有防滑结构。

13、优选的，固定块上设置有第二锁紧件，第二锁紧件端部能够抵接连接接头的顶面或底面，从与第一锁紧件不同的方向对连接接头施加约束。

14、优选的，夹持装置还包括轴线对中块，轴线对中块设置于同组两个固定块之间，具有用于与连接接头配合的定位部，以确定连接接头相对于夹持装置的位置。

15、进一步地，轴线对中块包括固定座和设置于固定座上的凸块，凸块的外周形状与连接接头的定位凹陷处相匹配。

16、优选的，两个扇形盘上均设置有多个限位槽，固定块的两端分别伸入到对应的限位槽内，限位槽用于对固定块进行限位。

17、进一步地，导向组件包括第一导向座、第二导向座以及导向销，第一导向座与第一加载侧连接，第二导向座与第二加载侧连接，导向销与第一导向座固定连接并与第二导向座形成滑动配合。

18、一种测试方法，基于上述的测试装置进行，包括以下步骤：

19、s1.将施力装置安装在外部材料试验机上；将连接接头安装于夹持装置上，通过轴线对中块使连接区域中心位于预设加载轴线或局部坐标系中心位置，将连接接头固定好后，取下轴线对中块；使第一测量目标和第二测量目标分别与连接接头的对应夹持端保持运动同步，并将夹持装置按预设角度安装在施力装置上；

20、s2.通过施力装置按照预设加载姿态向待测连接接头施加载荷；

21、s3.在加载过程中，利用外部的非接触式位移测量系统获取第一测量目标和第二测量目标的位置变化，并同步采集载荷数据；

22、s4.根据第一测量目标和第二测量目标在当前时刻的相对位置与初始时刻的相对位置之间的变化，确定固定块之间的局部相对位移；

23、s5.根据载荷和局部相对位移，获得待测连接接头的载荷—局部相对位移数据，载荷—局部相对位移数据用于连接接头数值模型参数标定。

24、本发明至少具有如下优点或有益效果：

25、1. 通过扇形盘与固定组件对称夹持、第一锁紧件和第二锁紧件从不同方向施加约束、以及扇形盘和固定块上的防滑结构增强界面抗剪能力，降低了夹持端在剪切/混合加载工况下的滑移与旋转趋势，使试验的边界条件更接近等效固定边界且更易重复。

26、2.通过轴线对中块与连接接头定位凹陷处的机械配合，在每次安装试样时使连接区域中心与预设加载轴线或局部坐标系中心重合。轴线对中块在连接接头固定完成后取下，不参与加载过程，不会引入附加约束。批量试验中，即使多次更换试样，每次安装后连接区域中心均能回到同一几何位置，降低了换样后重新对中导致的试样偏移和初始姿态偏差，使多组试验数据具有一致的几何基准。

27、3.通过在两个加载侧之间设置导向组件，形成沿预定加载轴方向的直线导向配合。两个间隔设置的导向结构限制第一加载侧和第二加载侧发生影响预设加载姿态的非预期转动和横向偏移，从而提高加载姿态在不同试验之间的重复性，降低姿态漂移造成的载荷路径差异和试验数据离散性

28、4.连接接头与夹持装置之间采用可拆卸锁紧连接，在施力装置与外部材料试验机保持连接的状态下，通过解除第一锁紧件和第二锁紧件即可完成连接接头的移出和装入。新的待测连接接头装入后，通过轴线对中块重新建立连接区域相对于加载基准的几何位置，无需重新拆装施力装置和重新对中，从而使批量连接接头的连续测试效率得到提升，同时保证了不同试样之间加载边界条件和几何基准的一致性。

29、5.提升了连接接头数值模型参数标定可靠性，更真实、更稳定的载荷-局部相对位移曲线作为标定目标，有助于仿真-试验曲线对齐并提高模型参数识别的稳定性与可信度。