CN105300799B - 一种准静态单轴压缩实验方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有凹槽结构压缩试件的准静态单轴压缩实验方法及装置。实验装置包括压缩夹具及试件，压缩夹具包括位于上部的压缩压板、基部支撑板和用于夹持所述试件的夹持部；试件为板状骨头型试件，在试件的骨头型截面缩减部分的单侧设有凹槽；试件顶端抵在压缩压板上，所述试件底端抵在基部支撑板上，夹持部避开凹槽夹持在试件的上下两端。本发明还公开了应用该实验装置的实验方法，根据弯矩和由背抗弯板在凹槽部所施加的法向力之间力矩平衡的机制来抑制试件的屈曲，仅在试样的背面进行侧向支撑，而其前侧的凹槽是裸露的，适用于多种应变测量，解决了现有的准静态单轴压缩装置加工工艺复杂、成本较高、数据测量困难等问题。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料领域，具体地说是一种准静态单轴压缩实验方法及装置。
背景技术
对于铝镁合金等轻质金属材料，单轴压缩性能是很重要的力学参数，因为它们通常表现出很强的拉压不对称。因此，开发单轴压缩或循环拉伸-压缩等测试方法是至关重要的。然而，确定薄板材料的压缩性能一直是一个长期存在的挑战。因为在对薄板材料施加压缩载荷时，薄板材料容易在发生真正的压缩失效之前发生屈曲。
目前金属、复合材料和塑料单轴压缩的标准测试方法包括ASTM E9，ASTM E209，ASTM D3410，ASTM D6641和ASTM D695。通常，采用这些标准方法测量，可以使最大压缩应变达到0.10。为了提高应变范围的限制，在过去的二十年已经开发了各种精密的检测方法。根据试样的设计，这些方法可以被分类成两种类型。第一种类型是采用具有较小长度与厚度比的试样，这可以通过两种方法来实现：第一种是采用短标距的试样或把多个板材的试样粘固在一起；第二种是被称为“叠片”的方法，在最近几年获得了更多的关注。相关文献(S.Kurukuri et al.，Rate sensitivity and tension-compression asymmetry inAZ31B magnesium alloy sheet，Philosophical Transactions of the Royal SocietyA:Mathematical，Physical and Engineering Sciences 372(2014).)将该方法成功地应用于AZ31、ZE10、ZEK100等镁合金的试件，并且证明即使在高温和高应变率时该方法也是适用的。然而，由于所需试样数较多并且试样制备费时，这种方法是很昂贵和繁琐的。
第二种类型采用单个具有相对大的长度与厚度比的薄板试样，并应用抗屈曲装置以抑制试样的屈曲。具有代表性的是由Kuwabara等、Yoshida等、Boger等、Cao等、Piao等、Lee等。Kuwabara等(T.Kuwabara，K.Nagata，and T.Nakako，Measurement and analysis ofthe Bauschinger effect of sheet metals subjected to in-plane stressreversals，Proceedings of AMPT'01，407-412，Carlos III de Madrid，Madrid，(2001).)以及Lee等(M.G.Lee et al.，Anisotropic Hardening of Sheet Metals at ElevatedTemperature:Tension-Compressions Test Development and Validation，ExperimentalMechanics 53(2012)，pp.1039-1055.)开发了一种梳形防屈曲装置，该种装置用以支撑直边试样的全部表面。他们的方法实现了较大的塑性压缩应变：0.16-0.20。Yoshida等人(F.Yoshida，T.Uemori，and K.Fujiwara，Elastic–plastic behavior of steel sheetsunder in-plane cyclic tension–compression at large strain，InternationalJournal of Plasticity 18(2002)，pp.633-659.)采用一个叠片和胶合的骨头件以及特殊的抗屈曲装置，通过螺旋弹簧将该装置和骨头件紧贴在一起。这种方法能够测量较大的应变，对于低碳钢可以达到0.25，对于高强度钢可以达到0.13。Boger等(R.K.Boger et al.，Continuous，large strain，tension/compression testing of sheet material，International Journal of Plasticity 21(2005)，pp.2319-2343.)和Piao等(K.Piao etal.，A sheet tension/compression test for elevated temperature，InternationalJournal of Plasticity 38(2012)，pp.27-46.)采用优化的骨头件，并用两个平板来防止无支撑部分的屈曲。通过合理优化测试过程，其压缩应变可以达到0.2。Cao等(J.Cao etal.，Experimental and numerical investigation of combined isotropic-kinematichardening behavior of sheet metals，International Journal of Plasticity 25(2009)，pp.942-972.)开发了另外一种抗屈曲设备，采用4个楔型块支撑骨头件的整个表面。
对于大多数传统测试方法其抗屈曲设备会覆盖试件的整个表面，所以应变的测量总是很困难的。Kuwabara等人利用应变计去测量应变，然而应变计并没有位于试样中心，所以测量结果存在较大误差。Boger、Cao、Piao和Lee等则采用昂贵的激光引伸计去测量，成本较高。此外，这些实验方法一般都需要特定的液压伺服驱动器提供了侧向力。所以这些实验方法都很昂贵和复杂。
发明内容
压缩性能的研究多是通过加载压缩或弯曲载荷，或者是同时加载压缩和弯曲载荷进行分析。人们普遍认为压缩性能与拉伸性能相似。然而，为了获得更准确的薄壁结构的力学行为，去设计研究压缩变形的测试方法和测试装置是必要的，特别是对于拉伸性能和压缩性能有显著区别的材料。根据上述提出的单轴压缩过程中装置加工工艺复杂、成本较高、塑性压缩应变范围小，数据测量困难等技术问题，而为金属薄板的单轴压缩设计提供一种简单构造、容易使用和低成本的实验装置，即准静态单轴压缩实验方法及装置。
本发明主要利用压缩夹具和试件的配合，通过在试件上单面开凹槽，仅需在试件的背面进行侧向支撑，开槽面裸露在外，利用弯矩和由背抗弯板在凹槽部所施加的法向力之间力矩平衡的机制来抑制试件的屈曲，可应用多种应变测量方法，测量的压缩性能参数包括杨氏模量、泊松比、屈服点、屈服强度、抗压强度和抗压应力-应变曲线。
本发明采用的技术手段如下：
一种准静态单轴压缩实验装置，包括压缩夹具及与所述压缩夹具相匹配的试件，其特征在于：
所述压缩夹具包括位于上部的压缩压板、位于底部的基部支撑板和位于所述压缩压板和所述基部支撑板之间的用于夹持所述试件的夹持部；
所述试件为板状骨头型试件，在所述试件的骨头型截面缩减部分的单侧设有凹槽；
所述试件顶端抵在所述压缩压板上，所述试件底端抵在所述基部支撑板上，所述夹持部避开所述凹槽夹持在所述试件的上下两端。
进一步地，所述夹持部包括前上部抗弯板、前下部抗弯板和背抗弯板，所述试件未设置凹槽的一侧抵在所述背抗弯板上，所述前上部抗弯板和所述前下部抗弯板分别设置在所述试件的上下两端，通过螺栓和螺母与所述背抗弯板固定，将所述凹槽暴露于外。
进一步地，所述试件包括上夹持部、下夹持部以及连接所述上夹持部和所述下夹持部的、单侧设有所述凹槽的中间连接部，所述中间连接部与所述上夹持部和所述下夹持部连接的部分为骨头件过渡部，所述骨头件过渡部呈圆弧状；所述试件的凹槽包括凹槽平整段、凹槽上连接段和凹槽下连接段，所述凹槽上连接段和所述凹槽下连接段与所述凹槽平整段均为圆弧过渡。
进一步地，所述压缩夹具与所述试件接触的表面采用聚四氟乙烯板或采用高压轴承润滑脂润滑。
进一步地，所述试件的几何形状通过理论分析方法或数值模拟方法优化。
进一步地，所述凹槽的凹槽平整段长度为标距长度L0，满足：3*T≤L0≤6*T，其中T为所述试件的厚度；
所述凹槽的宽度为标距宽度W0，满足：8mm≤W0≤12mm；
所述上夹持部和所述下夹持部的宽度为W，满足：1.2W0≤W≤2.5W0；
所述下夹持部的长度D，满足：10mm≤D≤25mm；
所述凹槽深度G，满足：0.05*T≤G≤0.2*T；
所述下夹持部底部向所述凹槽延伸的一段为自由段，所述自由段长度S，满足：4mm≤S≤8mm。
进一步地，所述自由端的最大长度由欧拉公式确定：
Pcr＝π2*E*I/(μ*S)2
其中，Pcr是最大压缩载荷，E是杨氏模量，I是截面的转动惯量，μ是长度因子，0.5≤μ≤1.0。
本发明还公开了应用上述准静态单轴压缩装置的实验方法，其特征在于包括如下步骤：
①试件加工
采用金属板材加工板状骨头型试件，并在试件的截面缩减部分加工凹槽；
②在所述凹槽表面的中心安装箔式应变计
使用应变仪测得压缩变形，确定所述凹槽部分平均应变ε；
③准备数字图像相关系统
在试件表面涂上具有高对比度的黑白斑点图案，且凹槽表面通过光源给予预设的亮度，应用DIC技术分析塑性变形；
④润滑
所述压缩夹具与所述试件接触的表面采用聚四氟乙烯板或采用高压轴承润滑脂润滑；
⑤安装试件
将所述试件放置在所述压缩夹具中，使所述试件与所述基部支撑板平齐，且使所述试件中心轴与所述前上部抗弯板、所述前下部抗弯板和所述背抗弯板的中心轴同轴，以确保同轴加载，所述试件的凹槽面向所述前上部抗弯板和所述前下部抗弯板，所述前上部抗弯板、所述前下部抗弯板和所述背抗弯板通过螺栓和螺母拧紧固定后放在万能试验机上；
⑥进行压缩
启动机器，记录载荷和相应的压缩应变，如采用DIC系统测量应变，应在预设的帧率采集图像；
⑦数据处理
工程应力σ的计算方法：
σ＝k*F/[W0*(T-G)]
其中，k为试件和所述前上部抗弯板、所述前下部抗弯板和所述背抗弯板之间的摩擦力校准系数，F是万能试验机测量的压缩力。
进一步地，所述步骤⑥中，设置测试速度为0.5mm/min到1000mm/min。
较现有技术相比，本发明通过试件和实验夹具的配合使用，使得带有单侧设有凹槽的金属板材试件紧靠在前、背抗弯板上，试件和抗弯板通过螺栓和螺母组装、固定在一起。组装的试件、实验夹具以及基部支撑板位于一对压板之间。凹槽设置于骨头件截面缩减的部分，由于凹槽的存在使得轴向压缩载荷和试件凹槽部分的轴向中性轴不重合，因此产生了一个弯矩。然而，抗弯板产生的法向力与该弯矩实现了力和力矩的平衡(如图8所示)。凹槽可以成功地防止骨头件截面缩减部分的屈曲。
本发明具有以下优点：
1、相比于“叠片”法，本发明只需要在试件上开设单个凹槽。
2、本发明的实验夹具及试件制造简单。
3、防屈曲侧向力不需要专业的液压夹紧压力来提供。
4、在试件的测量部分承受更小的表面摩擦力。
5、可以应用DIC等非接触式应变测量技术。
基于上述理由本发明可测量的压缩性能参数包括杨氏模量、泊松比、屈服点、屈服强度、抗压强度和抗压应力-应变曲线等，可在测量该领域广泛推广。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明准静态单轴压缩实验装置的结构示意图。
图2是本发明准静态单轴压缩实验装置的主视图。
图3是图2中本发明准静态单轴压缩实验装置的A-A截面示意图。
图4是图3中本发明准静态单轴压缩实验装置的B处局部视图。
图5是本发明带凹槽金属板试件的几何示意图。
图6是本发明带凹槽金属板试件的几何示意前视图。
图7是图6中本发明带凹槽金属板试件的C处局部视图。
图8是本发明带凹槽金属板试件在单轴压缩负荷下的受力示意图。
图中：1、压缩压板2、背抗弯板3、前上部抗弯板4、前下部抗弯板5、试件51、凹槽511、凹槽平整段512、凹槽上连接段513、凹槽下连接段52、下夹持部53、上夹持部54、骨头件过渡部6、螺母7、螺栓8、基部支撑板。
具体实施方式
如图1-图3所示，一种准静态单轴压缩实验装置，包括压缩夹具及与所述压缩夹具相匹配的试件5，所述压缩夹具包括位于上部的压缩压板1、位于底部的基部支撑板8和位于所述压缩压板1和所述基部支撑板8之间的用于夹持所述试件5的夹持部；所述夹持部包括前上部抗弯板3、前下部抗弯板4和背抗弯板2，所述试件5未设置凹槽51的一侧抵在所述背抗弯板2上，所述前上部抗弯板3和所述前下部抗弯板4分别设置在所述试件5的上下两端，通过螺栓7和螺母6与所述背抗弯板2固定，将所述凹槽51暴露于外。
如图4-图7所示，所述试件5为板状骨头型试件，在所述试件5的骨头型截面缩减部分的单侧设有凹槽51；
所述试件5包括上夹持部53、下夹持部52以及连接所述上夹持部53和所述下夹持部52的、单侧设有所述凹槽51的中间连接部，所述中间连接部与所述上夹持部53和所述下夹持部52连接的部分为骨头件过渡部54，所述骨头件过渡部54呈圆弧状；所述试件5的凹槽51包括凹槽平整段511、凹槽上连接段512和凹槽下连接段513，所述凹槽上连接段512和所述凹槽下连接段513与所述凹槽平整段511均为圆弧过渡。
所述试件5顶端抵在所述压缩压板1上，所述试件5底端抵在所述基部支撑板8上，所述夹持部避开所述凹槽51夹持在所述试件5的上下两端。所述压缩夹具与所述试件5接触的表面采用聚四氟乙烯板或采用高压轴承润滑脂润滑。
试件5的几何形状直接影响测试结果，为了得到稳定可靠的测试结果，试件5的几何形状必须通过理论分析方法或数值模拟方法进行优化。对于大多数钢材，铝合金和镁合金材料，应满足下述条件：
所述凹槽51的凹槽平整段511长度为标距长度L0，满足：3*T≤L0≤6*T，其中T为所述试件5的厚度；
所述凹槽51的宽度为标距宽度W0，满足：8mm≤W0≤12mm；
所述上夹持部53和所述下夹持部52的宽度为W，满足：1.2W0≤W≤2.5W0；
所述下夹持部53的长度D，满足：10mm≤D≤25mm；
所述凹槽51深度G，满足：0.05*T≤G≤0.2*T；
所述下夹持部52底部向所述凹槽51延伸的一段为自由段，所述自由段长度S，满足：4mm≤S≤8mm。
所述自由端的最大长度由欧拉公式确定：
Pcr＝π2*E*I/(μ*S)2
其中，Pcr是最大压缩载荷，E是杨氏模量，I是截面的转动惯量，μ是长度因子，0.5≤μ≤1.0。
一种应用上述准静态单轴压缩装置的实验方法，包括如下步骤：
①试件5加工
采用金属板材加工板状骨头型试件5，并在试件5的截面缩减部分加工凹槽51；表面光洁度、平整度和平行度应满足测试标准ASTM E9的要求。
②在所述凹槽51表面的中心安装箔式应变计
使用应变仪测得压缩变形，确定所述凹槽51部分平均应变ε；
③准备数字图像相关系统
DIC技术是另一种用来测量平均应变和计算凹槽表面应变分布的方法。应用DIC技术分析塑性变形，必须在试件的凹槽表面涂上具有高对比度的黑白斑点图案，并且凹槽表面需通过光源给予适当的亮度。
④润滑
试件5和背抗弯板2、前上部抗弯板3、前下部抗弯板4之间的表面摩擦力会导致材料强度的计算结果偏高，因此，所述压缩夹具与所述试件5接触的表面采用聚四氟乙烯板或采用高压轴承润滑脂润滑；
⑤安装试件5
将所述试件5放置在所述压缩夹具中，使所述试件5与所述基部支撑板8平齐，且使所述试件5中心轴与所述前上部抗弯板3、所述前下部抗弯板4和所述背抗弯板2的中心轴同轴，以确保同轴加载，所述试件5的凹槽51面向所述前上部抗弯板3和所述前下部抗弯板4，所述前上部抗弯板3、所述前下部抗弯板4和所述背抗弯板2通过螺栓7和螺母6拧紧固定后放在万能试验机上；
⑥进行压缩
设置测试速度为0.5mm/min到1000mm/min。启动机器，记录载荷和相应的压缩应变，如采用DIC系统测量应变，应在预设的帧率采集图像；
⑦数据处理
工程应力σ的计算方法：
σ＝k*F/[W0*(T-G)]
其中，k为试件和所述前上部抗弯板、所述前下部抗弯板和所述背抗弯板之间的摩擦力校准系数，F是万能试验机测量的压缩力。
本发明为金属薄板的单轴压缩提供了一种简单构造、容易使用和低成本的实验装置。仅需要单面开槽薄板试样，在试样的背面进行侧向支撑，而其前侧是裸露的，因此可应用多种应变测量方法，可测量的压缩性能参数包括杨氏模量、泊松比、屈服点、屈服强度、抗压强度和抗压应力-应变曲线等等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种准静态单轴压缩实验装置，包括压缩夹具及与所述压缩夹具相匹配的试件，其特征在于：
所述压缩夹具包括位于上部的压缩压板、位于底部的基部支撑板和位于所述压缩压板和所述基部支撑板之间的用于夹持所述试件的夹持部；
所述试件为板状骨头型试件，在所述试件的骨头型截面缩减部分的单侧设有凹槽；
所述试件顶端抵在所述压缩压板上，所述试件底端抵在所述基部支撑板上，所述夹持部避开所述凹槽夹持在所述试件的上下两端；
所述夹持部包括前上部抗弯板、前下部抗弯板和背抗弯板，所述试件未设置凹槽的一侧抵在所述背抗弯板上，所述前上部抗弯板和所述前下部抗弯板分别设置在所述试件的上下两端，通过螺栓和螺母与所述背抗弯板固定，将所述凹槽暴露于外。
2.根据权利要求1所述的准静态单轴压缩实验装置，其特征在于：所述试件包括上夹持部、下夹持部以及连接所述上夹持部和所述下夹持部的、单侧设有所述凹槽的中间连接部，所述中间连接部与所述上夹持部和所述下夹持部连接的部分为骨头件过渡部，所述骨头件过渡部呈圆弧状；所述试件的凹槽包括凹槽平整段、凹槽上连接段和凹槽下连接段，所述凹槽上连接段和所述凹槽下连接段与所述凹槽平整段均为圆弧过渡。
3.根据权利要求1所述的准静态单轴压缩实验装置，其特征在于：所述压缩夹具与所述试件接触的表面采用聚四氟乙烯板或采用高压轴承润滑脂润滑。
4.根据权利要求2所述的准静态单轴压缩实验装置，其特征在于：所述试件的几何形状通过理论分析方法或数值模拟方法优化。
5.根据权利要求4所述的准静态单轴压缩实验装置，其特征在于：所述凹槽的凹槽平整段长度为标距长度L0，满足：3*T≤L0≤6*T，其中T为所述试件的厚度；
所述凹槽的宽度为标距宽度W0，满足：8mm≤W0≤12mm；
所述上夹持部和所述下夹持部的宽度为W，满足：1.2W0≤W≤2.5W0；
所述下夹持部的长度D，满足：10mm≤D≤25mm；
所述凹槽深度G，满足：0.05*T≤G≤0.2*T；
所述下夹持部底部向所述凹槽延伸的一段为自由段，所述自由段长度S，满足：4mm≤S≤8mm。
6.根据权利要求5所述的准静态单轴压缩实验装置，其特征在于：所述自由段 的最大长度由欧拉公式确定：
Pcr＝π2*E*I/(μ*S)2
其中，Pcr是最大压缩载荷，E是杨氏模量，I是截面的转动惯量，μ是长度因子，0.5≤μ≤1.0。
7.一种应用权利要求1至6任一权利要求所述的准静态单轴压缩装置的实验方法，其特征在于包括如下步骤：
①试件加工
采用金属板材加工板状骨头型试件，并在试件的截面缩减部分加工凹槽；
②在所述凹槽表面的中心安装箔式应变计
使用应变仪测得压缩变形，确定所述凹槽部分平均应变ε；
③准备数字图像相关系统
在试件表面涂上具有高对比度的黑白斑点图案，且凹槽表面通过光源给予预设的亮度，应用DIC技术分析塑性变形；
④润滑
所述压缩夹具与所述试件接触的表面采用聚四氟乙烯板或采用高压轴承润滑脂润滑；
⑤安装试件
将所述试件放置在所述压缩夹具中，使所述试件与所述基部支撑板平齐，且使所述试件中心轴与所述前上部抗弯板、所述前下部抗弯板和所述背抗弯板的中心轴同轴，以确保同轴加载，所述试件的凹槽面向所述前上部抗弯板和所述前下部抗弯板，所述前上部抗弯板、所述前下部抗弯板和所述背抗弯板通过螺栓和螺母拧紧固定后放在万能试验机上；
⑥进行压缩
启动机器，记录载荷和相应的压缩应变，如采用DIC系统测量应变，应在预设的帧率采集图像；
⑦数据处理
工程应力σ的计算方法：
σ＝k*F/[W0*(T-G)]
其中，k为试件和所述前上部抗弯板、所述前下部抗弯板和所述背抗弯板之间的摩擦力校准系数，F是万能试验机测量的压缩力。
8.根据权利要求7所述实验方法，其特征在于：所述步骤⑥中，设置测试速度为0.5mm/min到1000mm/min。
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