CN109342181A - 脆性材料三向拉应力试验方法及可更换式粘接拉伸工装 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于脆性材料三向拉应力试验的方法，包括如下步骤：步骤一、三向拉应力样品设计，对三向拉应力样品进行设计，样品是圆柱体，截面直径为D，长度不低于5D，在样品中间设计成一个缺口，缺口为凹陷的球面，缺口最深处距离为0.4D，可视为在缺口中间形成一个直径为0.4D的球形，凹陷的球面的曲率半径R为0.15D。步骤二、非接触测试方法获得应变，采用3D全场变形测试技术，对三向拉应力样品进行应变测试。本发明还提供了可更换式粘接拉伸工装。本发明测量精确，操作方便，性能稳定，可以有效测量脆性材料三向拉应力。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料应力试样方法和装置，具体涉及一种脆性材料三向拉应力试验方法及可更换式粘接拉伸工装，属于材料性能表征领域。
背景技术
脆性材料的复杂应力加载比较困难，比例加载需要专用大型的设备，对样品尺寸形状有一定的要求。对于等应力压缩加载，可采用主动围压试验实现，而对于双向拉伸和三向拉伸试验，由于脆性材料的特性，导致该类型试验加载难度较大，目前还没有较好的方法能有效完成这一类型的试验。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于脆性材料三向拉应力试验的方法，主要是通过在脆性材料样品上制备一定曲率的缺口试样实现三向应力的加载，结合非接触变形测量，获得破坏阈值与破坏应变，可用于研究脆性材料三向拉应力下的破坏行为。
本发明是这样实现的：
脆性材料三向拉应力试验方法，包括如下步骤：
步骤一、三向拉应力样品设计
对三向拉应力样品进行设计，样品是圆柱体，截面直径为D，长度不低于5D，在样品中间设计成一个缺口，缺口为凹陷的球面，缺口最深处距离为0.4D，可视为在缺口中间形成一个直径为0.4D的球形，凹陷的球面的曲率半径R为0.15D。
通过这种设计，可以获得较大的三向拉应力。
步骤二、非接触测试方法获得应变
采用3D全场变形测试技术，对三向拉应力样品进行应变测试；
将三向拉应力样品的两端端部粘接在对剖式套筒内，通过对剖式套筒对三向拉应力样品进行固定，对剖式套筒分别与上压板和下压板相连，通过上压板和下压板对三向拉应力样品提供应力加载，利用3D全场变形测试技术测试应变以获得三向拉应力。
更进一步的方案是：
利用3D全场变形测试技术测试应变获得三向拉应力时，需要对三向拉应力样品的径向变形数据处理进行处理，具体包括：
1)区域平均法
在单轴拉伸下，圆柱径向应变与切向应变相等，散斑获得的直角坐标系X方向εxx等于圆柱坐标系径向应变。由于径向应变很小，信号的信噪比较高。采用了两种方法提高径向应变的信噪比，一种是区域平均法，散斑数字相关方法的位移测量误差可分为系统误差和随机误差，系统误差指由亚像素插值方法所导致的位移测量误差；随机误差指由CCD摄像机暗电流引起的图像灰度波动所导致的位移测量误差。对测试信号按照m倍叠加，其中的噪声信号按照√m倍叠加，多次测量后信号信噪比将大大提高。如图7所示，在曲率半径附近区域方框内变形近似认为是一样的，对该区域变形求和，相当于多次重复采集，该方法可有效降低应变信噪比，如式1所示，图8为单点应变与该区域的平均应变，可见平均应变信噪比较低。
εi为每一点处的应变；n是该区域内所有点；ε为该区域的平均应变。
2)虚拟引伸计方法
应变的测试精度取决于位移的测试精度，在缺口附近区域变形是均匀的，应变不取邻域位移变化量，而是在较大的标距内获得两点位移差，如式2所示，较大的位移差值可降低位移误差影响的权重，类似“虚拟引伸计”方法。在“虚拟引伸计”测量时，由于散斑子区损失部分区域，虚拟引伸计并不是如引伸计夹持在试样的两端，由图9和式3所示，散斑应变场中虚拟引伸计计算得到的应变仍为该点的径向应变。
式中，x1，x2为标距两端点坐标，Δu1，Δu2分别为x1，x点处的位移量。
式中，r为样品的半径，u为半径方向的位移，θ为半径与Y方向夹角。
作为本发明的另一个目的，本发明还提供了可更换式粘接拉伸工装。
可更换式粘接拉伸工装，包括上底板和下底板，在上底板下方设置有上压板，在下底板上方设置有下压板，在上压板和下压板上，设置有轴向相同的对剖式套筒，上压板、下压板均通过锁紧螺钉分别与上底板、下底板固定连接，在下压板上，还设置有调节螺钉。
更进一步的方案是：
所述的上压板、下压板可以更换。
更进一步的方案是：
所述对剖式套筒是由两个截面为半圆形的套筒组合而成的。
现有技术中，采用胶粘的方式连接样品两端，样品断裂后样品仍留在上下压板，胶也不易清理，需要将上下压板取下置入丙酮中清理，增加了试验时间和上下压板调平的难度。另外，在端部中心处胶不易固化，有时会出现端面粘接不牢从端部脱粘情况。因此，本发明可更换式粘接拉伸工装，设计了可更换可调平压板和辅助粘接工装，由可更换的上、下压板、锁紧螺钉和调节螺钉、对剖式套筒组成，在拉伸试验结束后，只需要更换新的压板即可；通过可更换调平压板上的三个调节螺钉的旋入可容易调节上下压板的平行度；对剖式套筒一方面通过底部胶与压板连接，另一方面通过侧面胶与样品连接，将样品与底板连接在一起，提供了额外的粘接力，保证了粘接的可靠性，套筒也起到了改善端面受力和限位作用，使加载严格按照轴线方向。
本发明测量精确，操作方便，性能稳定，可以有效测量脆性材料三向拉应力。
附图说明
图1是三向拉伸试验样品
图2是螺纹连接工装的缺口圆柱轴向应变
图3是刚体旋转后的目标图像
图4是粘接工装的加载方向位移
图5是粘接工装的水平方向位移
图6是粘接工装的离面位移
图7是粘接工装的轴向应变
图8是单点应变和平均应变
图9是虚拟引伸计应变计算
图10是单点径向应变与虚拟引伸计获得径向应变比较
图11是整个工装示意图
图12是实施例的缺口圆柱试样
图13是R3mm曲率半径的三个主应力
图14是虚拟引伸计获得径向应变比较
图15是不同曲率半径拉伸轴向应变
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
脆性材料三向拉应力试验方法，包括如下步骤：
(一)三向拉应力样品设计
设计如图1所示的缺口样品，直径为D的圆柱体，长度为5D以上消除端部效应的影响，中间缺口处直径0.4D和曲率半径R为0.15D可获得较大的三向拉应力。
(二)非接触测试方法获得应变
缺口处的曲率半径较小，采用粘贴应变片的方法缺少布置空间。本方法将3D全场变形测试技术应用于缺口处的变形测试，由于脆性材料的拉伸应变非常小，不超过2000uε，横向变形由于约束作用变形在300uε以下。为获得高精度的散斑变形测试结果，需要改变加载方式，采用粘接的方式加载。
传统的粘接拉伸试验通过常规的螺纹连接头实现，应用于散斑变形测试存在两个缺点：一是可能引起偏心导致的破坏，如图2所示；二是影响散斑应变测试精度，采用活头连接，在整个加载中试样会发生摆动，如图3所示，目标图像子区出现较大转动而产生退相关的效应，得到的结果会产生很大的误差。
本发明改变了加载方式，采用样品两端部粘接的方法，再加上粘接辅助工装，如图4所示，获得的加载方向位移云图水平均匀分布；由图5可见，在X、Z方向位移变化在数微米以内，保证了单轴加载状态；由图6可见，在加载方向获得了高精度的散斑应变。
径向变形数据处理方法包括：
1)区域平均法
在单轴拉伸下，圆柱径向应变与切向应变相等，散斑获得的直角坐标系X方向εxx等于圆柱坐标系径向应变。由于径向应变很小，信号的信噪比较高。采用了两种方法提高径向应变的信噪比，一种是区域平均法，散斑数字相关方法的位移测量误差可分为系统误差和随机误差，系统误差指由亚像素插值方法所导致的位移测量误差；随机误差指由CCD摄像机暗电流引起的图像灰度波动所导致的位移测量误差。对测试信号按照m倍叠加，其中的噪声信号按照√m倍叠加，多次测量后信号信噪比将大大提高。如图7所示，在曲率半径附近区域方框内变形近似认为是一样的，对该区域变形求和，相当于多次重复采集，该方法可有效降低应变信噪比，如式1所示，图8为单点应变与该区域的平均应变，可见平均应变信噪比较低。
εi为每一点处的应变；n是该区域内所有点；ε为该区域的平均应变。
2)虚拟引伸计方法
应变的测试精度取决于位移的测试精度，在缺口附近区域变形是均匀的，应变不取邻域位移变化量，而是在较大的标距内获得两点位移差，如式2所示，较大的位移差值可降低位移误差影响的权重，类似“虚拟引伸计”方法。在“虚拟引伸计”测量时，由于散斑子区损失部分区域，虚拟引伸计并不是如引伸计夹持在试样的两端，由图9、图10和式3所示，散斑应变场中虚拟引伸计计算得到的应变仍为该点的径向应变。
式中，x1，x2为标距两端点坐标，Δu1，Δu2分别为x1，x点处的位移量。
式中，r为样品的半径，u为半径方向的位移，θ为半径与Y方向夹角。
本发明提供的可更换式粘接拉伸工装，如附图11所示，包括上底板1和下底板3，在上底板1下方设置有上压板2，在下底板3上方设置有下压板4，在上压板和下压板上，设置有轴向相同的对剖式套筒5，上压板、下压板均通过锁紧螺钉分别与上底板、下底板固定连接，在下压板上，还设置有调节螺钉。
所述的上压板、下压板可以更换。
所述对剖式套筒是由两个截面为半圆形的套筒组合而成的。
在拉伸试验结束后，只需要更换新的压板即可；通过可更换调平压板上的三个调节螺钉的旋入可容易调节上下压板的平行度；对剖圆环一方面通过底部胶与压板连接，另一方面通过侧面胶与样品6连接，将样品与底板连接在一起，提供了额外的粘接力，保证了粘接的可靠性，套筒也起到了改善端面受力和限位作用，使加载严格按照轴线方向。
下面以一个更具体的实施例对本发明作进一步的详细说明。
以某脆性高聚物粘接炸药为例，设计加工如图12所示R40曲率半径圆弧和R3曲率半径圆弧，开展粘接拉伸试验，基于散斑3D全场变形测试技术测量轴向变形和横向变形。缺口曲率半径为R3mm的数值模拟结果如图13所示，显示该缺口三个主应力都为拉应力，第二主应力、第三主应力都大于2MPa，处于三向拉应力状态。
将可更换下压板放置在材料试验机的底板上，通过水平仪观察下底板是否处于水平状态，如果不平，通过旋入低处的调整螺钉调整，再锁紧紧固螺钉。再将上压板倒置放置在下压板上，降下试验机横梁直至接触，施加载荷到超过预估试验载荷，将调整螺钉旋入，再将紧固螺钉交替锁住。采用塞尺检验检查，以0.02mm不能穿入为合格。
然后将样品下表面用胶粘住，再在上表面涂胶，降下试验机横梁，使样品上表面与上压板粘住，再将半圆环套筒底面和侧面涂胶靠在样品上，如是将四个半圆环套筒与样品粘住。
布置好三维散斑全场变形系统，高度与缺口圆柱位置平行，双相机对称布置，以缺口能占图像较大空间为宜，采用标定板对三维全场系统进行标定，确定相机的内外参数。采用试验机载荷稳定基本无变化或者以2小时为条件，启动试验机，同时开始采集图像，直至样品破坏。然后按照虚拟引伸计法或者平均应变法获得样品的径向应变，处理的径向应变如图14所示，实现了小应变的高精度测量，图15为轴向变形，表1为R40和R3曲率半径下的破坏载荷，显示R3曲率半径下破坏载荷大大降低。根据图13、图14的应变数据，依据弹性力学公式计算了样品表面的应力，如表2所示，R3处于三向拉伸力状态，R40处于单轴拉伸状态。
表1不同曲率半径下拉伸破坏载荷
表2不同曲率半径下的应力
| σ<sub>3</sub>(MPa) | σ<sub>2</sub>(MPa) | σ<sub>1</sub>(MPa) | |
| R3 | 0 | 4.74 | 15.2 |
| R40 | -0.6 | 0 | 8.9 |
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。
Claims (5)
1.一种脆性材料三向拉应力试验的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、三向拉应力样品设计
对三向拉应力样品进行设计，样品是圆柱体，截面直径为D，长度不低于5D，在样品中间设计成一个缺口，缺口为凹陷的球面，缺口最深处距离为0.4D，可视为在缺口中间形成一个直径为0.4D的球形，凹陷的球面的曲率半径R为0.15D；
步骤二、非接触测试方法获得应变
采用3D全场变形测试技术，对三向拉应力样品进行应变测试；
将三向拉应力样品的两端端部粘接在对剖式套筒内，通过对剖式套筒对三向拉应力样品进行固定，对剖式套筒分别与上压板和下压板相连，通过上压板和下压板对三向拉应力样品加载，利用3D全场变形测试技术测试应变获得三向拉应力。
2.根据权利要求1所述脆性材料三向拉应力试验的方法，其特征在于：
利用3D全场变形测试技术测试获得三向拉应力时，需要对三向拉应力样品的径向变形数据处理进行处理，具体包括：
1)区域平均法
在单轴拉伸下，圆柱径向应变与切向应变相等，散斑获得的直角坐标系X方向εxx等于圆柱坐标系径向应变；由于径向应变很小，信号的信噪比较高；采用了两种方法提高径向应变的信噪比，一种是区域平均法，散斑数字相关方法的位移测量误差可分为系统误差和随机误差，系统误差指由亚像素插值方法所导致的位移测量误差；随机误差指由CCD摄像机暗电流引起的图像灰度波动所导致的位移测量误差；对测试信号按照m倍叠加，其中的噪声信号按照倍叠加，多次测量后信号信噪比将大大提高；在曲率半径附近区域方框内变形近似认为是一样的，对该区域变形求和，相当于多次重复采集，该方法可有效降低应变信噪比，如式1所示；
εi为每一点处的应变；n是该区域内所有点；ε为该区域的平均应变；
2)虚拟引伸计方法
应变的测试精度取决于位移的测试精度，在缺口附近区域变形是均匀的，应变不取邻域位移变化量，而是在较大的标距内获得两点位移差，如式2所示，较大的位移差值可降低位移误差影响的权重，类似“虚拟引伸计”方法；在“虚拟引伸计”测量时，由于散斑子区损失部分区域，虚拟引伸计并不是如引伸计夹持在试样的两端，由式3所示，散斑应变场中虚拟引伸计计算得到的应变仍为该点的径向应变；
式中，x1，x2为标距两端点坐标，Δu1，Δu2分别为x1，x点处的位移量；
式中，r为样品的半径，u为半径方向的位移，θ为半径与Y方向夹角。
3.一种可更换式粘接拉伸工装，其特征在于：包括上底板和下底板，在上底板下方设置有上压板，在下底板上方设置有下压板，在上压板和下压板上，设置有轴向相同的对剖式套筒，上压板、下压板均通过锁紧螺钉分别与上底板、下底板固定连接，在下压板上，还设置有调节螺钉。
4.根据权利要求3所述可更换式粘接拉伸工装，其特征在于：
所述的上压板、下压板可以更换。
5.根据权利要求3所述可更换式粘接拉伸工装，其特征在于：
所述对剖式套筒是由两个截面为半圆形的套筒组合而成的。
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