张新荣，冯丹芳，刘显坤，李江波，蒋干，陈红永

放射性圆柱样品几何测量气动夹具优化设计

张新荣1，冯丹芳2，刘显坤1，李江波1，蒋干1，陈红永3

（1.中国工程物理研究院 核物理与化学研究所，四川 绵阳 621999；2.中国工程物理研究院 电子工程研究所，四川 绵阳 621999；3.中国工程物理研究院 总体工程研究所，四川 绵阳 621999）

放射性样品几何测量时需要采用特殊夹具夹持样品，稳定夹持需在保证测试精度的前提下对样品的影响最小。为此，开展了放射性圆柱样品的几何测量气动夹具设计。采用有限元方法研究了气源压力、夹具－样品摩擦系数对夹具及样品的变形影响，同时对夹持板接触部位倒角和厚度进行了优化设计。研究表明，当夹具材料与样品材料一定时，摩擦系数越大，其变化对样品的变形影响越可以忽略；夹具气源气压应与夹持板厚度等参数匹配设计；通过优化获得了对样品影响及自身变形较小的气动夹具优化构型，可应用于放射性圆柱样品的几何气动测试夹具优化及实验。

放射性样品；气动夹具；有限元；几何测量

碳化硼具有高熔点、高硬度、低密度等优良性能，并具有良好的中子吸收能力和抗化学侵蚀能力，可用于耐火材料、研磨介质、工程陶瓷、反应堆控制棒和屏蔽棒、轻质盔甲等方面，因此在核工业、宇航等领域有较广泛的应用[1-2]。为测试碳化硼的抗辐照性能，需对经过反应堆内辐照的碳化硼样品进行几何测量。样品一般为圆柱形，由于样品尺寸较小，采用人工和传统机械手的夹持方式经常存在夹持不稳、样品易脱落的风险，且人工夹持易遭受γ射线辐射，因此需要发展样品的自动化测试技术[3-4]，以提升放射性样品测试的精度和效率。

夹具设计对放射性样品自动化测试系统的几何测试精确度有重要影响，要在有效夹持样品的同时，保证夹具自身的小变形，并最大限度降低对样品的影响，以免引入不必要的测试误差。黄鑫等[5]设计了一种针对为外形相似、夹持部位相同，仅质量、几何尺寸不同的一系列试验样品的通用夹具。叶显爵等[6]的研究表明，夹具与样品间摩擦系数对圆柱形样品内变形不均匀性的影响显著。陈小平等[7]研究发现，通过改进夹具刚度可以改进样品易污染和变形失效问题。高冲等[8]的研究表明，样品与夹具中界面间隙的接触状态会对测试产生影响。张雪峰等[9]设计了采用钛管夹具的碘（125I）的自动化装配系统。杜时亮[10]针对测量精度要求较高的时栅传感器，设计了高定位精度的夹具定位盘。以上研究表明，在设计夹具时，需要根据测试样品特性、测试需求等对夹具进行优化设计，有必要研究夹具与样品间相互作用导致的夹持变形对测试精度的影响。

张珂等[11]基于有限元分析了线束接插件的夹紧过程，研究了尼龙材质接插件的塑性变形。区焕财等[12]考虑摩擦系数的影响，分析了三爪夹具抓取不同材质瓶盖的夹持力。董迪[13]通过建立有限元模型，分析了拉链邮袋在材质、夹具固定方式、负载等影响因素下的受力情况。杨智才等[14]针对专用吸盘夹具开展有限元分析，获得吸盘夹具的易损位置。彭立晓[15]基于有限元研究了振动夹具安装点数量对模态特性的影响，通过振型分析开展了夹具动力学优化设计。游津京等[16]基于有限元法设计正交试验，对大口径薄型光学元件夹具开展了仿真和统计学分析。温沪斌[17]针对数控机床加工LED灯罩壳体的专用夹具开展定位、受力及误差分析，并进行优化设计。以上研究表明，基于有限元分析可对夹具开展多方面优化。

特种气动夹具对夹持稳定性和测试精度要求高，而该夹具优化参数较多，需要深入分析结构设计参数、控制参数等对样品的影响。本文针对某放射性圆柱样品的几何测量气动夹具设计，建立夹具－样品的参数化有限元分析模型，对夹具局部倒角及夹持板厚度进行优化，研究气源压力变化及摩擦系数不确定性对夹持作用的影响，获得不同夹持参数下夹具－样品变形及受力情况，分析夹持作用对测试精度的影响。可为优化夹具提高测量精度提供参考。

1 夹具－样品分析模型

放射性圆柱样品几何测量气动夹具如图1所示。通过空压机在测量时为气动装置提供气源，气动控制装置通过手柄控制左右两侧夹持部运动实现夹持板开合，夹持板中部设计为和圆柱样品尺寸一致的圆弧状凹槽，通过中部凹槽表面夹紧圆柱样品，夹持板厚度越小，夹具－样品接触面积越小，对几何测量的影响越小。该夹具的设计实现了待测放射性圆柱样品的精准放置和快速定位，配合气动夹持装置可以快速实现待测样品的装夹。

对放射性圆柱样品开展测试时，探针在圆柱样品端面、柱面游走测量几何形状，探针测试与样品接触力最大为150 mN。将夹具－样品的相互作用模型简化，主要考虑夹具、夹持板与样品间相互作用，建立结构有限元模型。测试外力考虑为作用在端面上的竖向力、横向力及侧向力三种典型状态。夹持板与样品通过中部弧形接触面卡紧，气源压力加载在夹具两侧背面，如图2所示。

图1 放射性圆柱样品测试夹具示意图

由于测试外力载荷方向可能多样，无法根据面对称模型开展仿真，因此建立夹具－夹持板－样品的全模型。划分网格时，夹具主体采用较粗网格，夹持板及样品局部采用精细化网格，整体均采用六面体高阶实体单元进行划分，以有效获取夹具－样品接触局部变形细节。有限元模型共有320599个节点和72528个单元，初步分析显示，现有网格能达到收敛性要求。开展静力仿真分析时，边界条件设置为夹具左右两部分均可绕底部转动中心处自由转动，为限制样品产生刚体运动，采用弱弹簧约束，其他自由度均释放；夹持板与样品接触面为摩擦接触，其他部件之间均采用共节点方式建模。

2 夹具及样品优化设计

2.1 典型状态受力分析

被测试的碳化硼圆柱样品，直径8.47 mm，高度12 mm，气源压力初始为1 atm，夹具材料为铝合金，典型测试状态包括样品端面受力分别为横向、竖向及侧向三种状态，如图2所示。

采用数值模拟，对比三种典型状态测试作用力下样品应力如图3所示，夹具及样品的变形如图4～6所示。可以看出，最大整体位移达到35 μm，出现在夹具中部，主要是由于气源压力作用下夹具中部发生弯曲（图中变形有放大），其他部位变形较小。对比三向典型受力状态可以看出，在竖向受力状态时，样品变形最大达到4 μm，可见竖向力作用下样品位移对测试结果影响较大，需重点关注。后文对比分析也以竖向力状态为主。

图2 夹持板－样品有限元分析模型

图3 不同方向测试力状态样品应力分布

由图4～6还可看出，气动夹具－样品在有效夹持状态、三种测试载荷状态下，夹具的变形主要来源于夹具两端。在此受力状态下可简化为简支梁模型。简支梁在受到分布式压力载荷作用下其挠度最大值出现在中部位置。

提取夹持板－样品位移和第一主应力如图7所示。

图4 样品在不同方向测试外力下的位移

图5 夹持板在不同方向测试外力下的位移

图6 整体在不同方向测试外力下的位移

由图3和图7可以看出，样品最大应力出现在夹持板与样品局部接触部位，是由于夹持板和样品的弧面接触状态会因为夹具的变形带动夹持板转动，导致接触面上部有脱开趋势，而下部为压紧状态，夹具变形越大，则夹持板与样品的接触面积变小，整体压力都作用于局部区域。由图4～6和图8可以看出，在样品下部产生高应力应变区域，导致样品出现局部变形，与夹持板下部接触部位应力及变形最大。

由图4～7还可看出，由于竖向测试外力作用，样品位移分为整体绕夹持板的转动和接触部位的变形两部分。夹持板在夹具支撑及测试外力作用下，类似于端部受力的悬臂梁结构；夹持板产生了绕法向的变形，在夹持板根部上端产生了拉应力，下端为压应力。在气源压力及测试外力载荷综合作用下，样品位移由绕夹持板的刚体转动和局部受压区域的变形耦合，产生了以绕样品中心为主的转动位移。此外，由于测试外力以点载荷加载，会在局部形成接触高应力区域。

2.2 夹具优化设计

仿真获得的对夹持板和样品的变形和应力等分析结果中，影响样品位移（主要由夹持板变形带动样品发生刚体位移）及变形（样品在与夹持板接触部位产生形变）的参数会直接影响测试精度，因此作为首要考虑因素；其次是影响样品应力的参数（以防止出现不可逆的塑性变形），同时考虑可实现性及对测试带来的影响，综合评价优化参数。

通过对夹具－夹持板－样品的受力分析，明确了载荷传递路径及变形模式。通过初步分析发现，夹持板局部凹槽圆弧面倒角、夹持板厚度对样品受力影响较大，因此对两处设计参数进行优化分析，如图8、表1、表2所示。

可以看出，随着倒角变大，样品应力虽非单调变化，但总体为降低趋势；样品位移变大，夹持板应力及变形略有降低。为改善样品局部受力情况，降低局部应变，因此夹持板设计可采用较大倒角半径优化参数为2 mm状态。

随着夹持板厚度的增大，样品应力在厚度0.5～1.5 mm时上升，但在2 mm时略有下降，不是线性变化；整体位移降低，样品局部应力最高值增大，样品位移降低，夹持板应力降低。可见局部应力并未因厚度增大、夹持面积增大而降低，夹持部位局部应力变化趋势与平均应力不同。降低样品位移需采用厚度较大的夹持板，但夹持板厚度过大会和测试系统发生干涉，对测试产生影响。综合考虑样品应力、位移及对测试影响，取夹持板厚度1.5 mm为优化值。

表1 不同倒角半径夹具－样品最大应力及变形

表2 不同夹持板厚度夹具－样品最大应力及变形

2.3 气源压力及摩擦系数影响

试验控制参数还包括气源压力及界面摩擦系数等。对比气源压力及夹具－样品界面摩擦系数对测试的影响，如表3和表4所示。

可以看出，随着气源压力的增大，整体位移、样品应力、卡板应力及变形均基本呈线性上升趋势，样品位移降低但幅度不大。可见较小的气源压力能保证对样品的可靠稳定夹持。测试碳化硼等样品时，气源压力宜设置在1 atm以下。压力较大会导致样品产生局部塑性变形。

随着界面摩擦系数的增大，整体位移变化不大，样品应力呈上升趋势，位移下降；夹持板应力上升，变形下降。较小的摩擦系数能够在保证样品发生小位移同时，降低样品局部应力，而当样品表面粗糙度较大可能导致界面摩擦系数较高时，宜采用在夹具凹槽圆弧面上增加润滑等方式改善界面的摩擦，以避免样品局部应力过大而造成局部塑性变形。

表3 不同气压夹具－样品最大应力及变形（摩擦系数0.2）

表4 不同摩擦系数夹具－样品最大应力及变形（气源压力1 atm）

3 结论

针对放射性圆柱样品的测量气动夹具开展了有限元建模，以样品位移和应力为主要因素，针对影响测量稳定性的夹具结构参数进行优化，获得夹持板倒角半径和厚度等优化设计参数，并在此基础上研究了气源压力和界面摩擦系数对测量的影响，得到以下结论：

（1）夹持板倒角影响样品局部变形。倒角增大，样品应力非单调变化，总体为降低趋势，样品位移变大，夹持板应力及变形变化不大。

（2）随着夹持板厚度增大，样品应力并未随接触面积变大而降低，反而增大，在夹具设计时需考虑局部变形。

（3）气源压力对样品应力影响较大，低于1 atm的气源压力可保证在可靠夹持样品的同时不产生局部塑性变形。

（4）夹具－样品界面摩擦系数越低，越有利于改善样品的局部受力。

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Optimization Design of Pneumatic Fixture for Geometric Measurement of Cylindrical Sample

ZHANG Xinrong1，FENG 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

国家重大科技专项（2017ZX06002004）

张新荣（1983－），陕西渭南人，高级工，主要研究方向为核反应堆核级设备运维、特殊材料机械性能测试等，E-mail：44144109@qq.com。