CN109342189A - 一种拉扭组合多轴断裂实验系统及实验方法 - Google Patents

一种拉扭组合多轴断裂实验系统及实验方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种拉扭组合多轴断裂实验系统，包括动态拉扭试验机以及与其相连的控制装置；动态拉扭试验机具有上夹头和下夹头和力传感器，并由上夹头、下夹头将试样装夹于其上，试样为缺口薄壁管试样，其上设有散斑；变形测量系统还包括与控制装置通过同步触发装置相连的非接触式三维应变光学测量系统，其包括与同步触发装置相连的两相机以及与两相机均相连的图像采集和数据处理装置。本发明还提供拉扭组合多轴断裂实验方法。本发明采用缺口薄壁管试样，通过改变不同的拉扭组合加载比，能获得较低的应力三轴度水平和不同的罗德参数水平；此外，由于实验系统包括非接触式三维应变光学测量系统，能实现对全场应变的测量。

Description

一种拉扭组合多轴断裂实验系统及实验方法
技术领域
本发明涉及材料性能测试领域，具体涉及一种拉扭组合多轴断裂实验系统及实验方法。
背景技术
工程上的结构构件多处于多轴应力状态，研究多轴应力状态下的材料断裂性能响应对保证工程结构构件安全运行有很重要的工程意义。多轴应力状态对金属材料的延性、损伤机制以及失效模式有着重要的影响，其一般用应力三轴度(平均应力与Mises应力的比值)和罗德参数来表征，众多的损伤模型也都是基于应力三轴度和罗德参数建立的。
目前多数实验都集中在较高的应力三轴度水平和罗德参数为-1,1,0的应力状态，低应力三轴度水平下和其它数值的罗德参数水平下的实验方案还很少见，这也导致低应力三轴度水平下和其他罗德参数下的损伤模型缺少实验数据的支持与验证。
发明内容
本发明的目的是提供一种拉扭组合多轴断裂实验系统及实验方法，从而研究较低的应力三轴度水平和不同的罗德参数水平对材料断裂性能的影响，并通过非接触式三维应变光学测量系统实现全场应变的测量。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种拉扭组合多轴断裂实验系统，包括动态拉扭试验机以及与动态拉扭试验机通信相连的控制装置；所述动态拉扭试验机具有上夹头和下夹头和力传感器，并由所述上夹头、下夹头将一试样装夹于该动态拉扭试验机上，所述试样为一缺口薄壁管试样，其上设有散斑；所述变形测量系统还包括一与所述控制装置通过一同步触发装置相连的非接触式三维应变光学测量系统；所述非接触式三维应变光学测量系统包括与所述同步触发装置相连的两个相机以及与所述两个相机均相连的图像采集和数据处理装置。
所述试样的两端分别为夹持段，自两端分别轴向向内为缩颈的平行段，所述两段平行段之间设有沿该薄壁管周向设置且光滑过渡的钝形缺口。
所述通孔的内径与夹持段的外径的同轴度为0.01。
所述两个相机之间设有LED灯。
另一方面，本发明还提供一种拉扭组合多轴断裂实验方法包括以下步骤：S1：设计并制备试样，包括：S11：通过有限元分析来模拟计算试样在不同应力三轴度和罗德参数水平下的加载方式；S12：根据S11的设计结果加工试样；S13：判断试样是否满足尺寸精度要求；S14：对试样进行表面处理并制作散斑；S2：搭建一根据上文所述的拉扭组合多轴断裂实验系统，装夹所述试样，按照S11的加载方式逐一进行拉扭组合实验，测试并记录实验过程中的试样照片、轴向拉力和扭矩；S3：采用S2中的拉扭组合多轴断裂实验系统的图像采集和数据处理装置中的图像分析软件自动处理所述试样照片得到全场应变图像。
所述散斑是通过用砂纸对缺口薄壁管试样的表面进行打磨处理，再将试样表面均匀喷涂一层白色的高温哑光漆，待试样表面油漆风干后，最后选用黑色的哑光漆在试样表面均匀喷涂制得的。
所述步骤S11包括：S111：根据国家标准对与试样同材质的板状材料进行准静态单轴拉伸实验；S112：建立三维有限元模型，输入步骤S11的准静态单轴拉伸实验获取的材料参数，模型一端施加固定约束，另一端设置施加一组加载比不变的加载方式，并获取对应的应力三轴度和罗德参数；S113：通过改变加载比，得到对应于不同加载方式的初始应力三轴度和初始罗德参数，并记录各个加载方式及其对应的初始应力三轴度和初始罗德参数。
在进行所述拉扭组合实验之前，还包括：调节两个相机的高度和LED灯的位置，使试样的缺口处于两个相机的成像照片的中间，在图像采集与数据处理装置上将相机的采集图像频率设置为5Hz，将轴向拉力与扭矩的记录频率设置为5Hz。
所述S3还包括根据所述全场应变图像进一步分析得到载荷位移曲线以及断裂应变，所述载荷位移曲线通过以下步骤得到：S31：在所述图像分析软件的全场应变图像上对应于试样的缺口处选取的具有标距的两参考点，图像分析软件直接输出这两个参考点在整个加载过程中各自的三个坐标方向上的多组位移变化值；S32：根据两个参考点的轴向位移变化之差计算两参考点之间的相对轴向位移，通过该两点的转角之差计算两参考点之间的相对转角，得到两参考点在整个加载过程中的相对多组轴向位移值和相对转角值；S33：以S2测得的轴向拉力与扭矩为载荷，S32得到的两参考点在同时刻的一组相对轴向位移值和相对转角值为位移量，得到载荷位移曲线；所述断裂应变根据上述的轴向力位移曲线的轴向力减小的位置和扭矩转角曲线中扭矩减小的位置得到。
所述参考点的转角α为：
其中，A1代表参考点的初始位置，A2为参考点变形后的位置，A2’为A2在A1点横截面上的投影点，R为试样在缺口处的半径，单位mm，Δx为参考点沿坐标轴x方向上的位移，单位mm，Δz为参考点沿坐标轴z方向上的位移，单位mm。
本发明提供的拉扭组合多轴断裂实验系统，由于采用的是缺口薄壁管试样，因此通过改变不同的拉扭组合加载比，可以获得较低的应力三轴度水平和不同的罗德参数水平；此外，本发明由于实验系统中包括非接触式三维应变光学测量系统，可以实现全场应变的测量。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的拉扭组合多轴断裂实验系统的连接示意图；
图2是本发明所设计的试样的立体结构图；
图3是根据本发明的一个实施例的拉扭组合多轴断裂实验方法的流程图；
图4是本发明所设计的缺口薄壁管试样沿最薄壁厚处内径到外径初始应力三轴度变化趋势；
图5是本发明所设计的缺口薄壁管试样沿最薄壁厚处内径到外径初始罗德参数变化趋势；
图6A-6B是本发明的转角计算示意图；
图7是本发明在加载比为3情况下的轴向力位移曲线；
图8是本发明在加载比为3情况下的扭矩转角曲线。
具体实施方式
如图1所示为根据本发明的一个实施例的拉扭组合多轴断裂实验系统，其包括MTS公司的809型号的动态拉扭试验机1、非接触式三维应变光学测量系统5、一控制装置3以及一同步触发装置4。
所述动态拉扭试验机1具有上夹头11、下夹头12和力传感器13，并分别由所述上夹头11、下夹头12将一试样2装夹于动态拉扭试验机1上，力传感器13测量轴向拉力与扭矩(即载荷)。所述非接触式三维应变光学测量系统5可以采用Correlated Solutions公司的非接触式三维应变光学测量系统，包括与所述同步触发装置4相连的两个相机51、52以及与两个相机51、52均相连的图像采集和数据处理装置54，所述两个相机51、52均正对所述试样2的中央部位，用于测量并记录试样照片，且两个相机51、52之间设有用于照明试样2的LED灯53。所述图像采集和数据处理装置54和控制装置3优选为计算机，其图像采集和数据处理装置54上安装有CorrelatedSolutions公司的VIC-3D图像分析软件，从而通过该图像采集和数据处理装置54接收并处理两个相机51、52的图像信号，动态拉扭试验机1的载荷信号通过控制装置3获得。
所述动态拉扭试验机1与控制装置3通信相连，通过控制装置3控制动态拉扭试验机1的加载方式。控制装置3与同步触发装置4相连并经该同步触发装置4与所述非接触式三维应变光学测量系统5相连，从而实现动态拉扭试验机1与非接触式三维应变光学测量系统5的同步开启。
如图2所示，试样2的试样类型为具有中空的通孔24的缺口薄壁管试样，其两端分别为夹持段22，自两端分别轴向向内为缩颈的平行段21，所述两段平行段21之间设有沿该薄壁管周向设置且光滑过渡的钝形缺口23，保证试样2在动态拉扭试验机1扭转角度量程内断裂，且最终断裂位置在缺口部位。上、下夹头21、22分别装夹在试样2的夹持段22上；通孔24的设置则使得试样在缺口部位的应力三轴度和罗德参数在加载方式的加载比保持不变时相对恒定，通过改变不同的加载比，可以获得较低的应力三轴度水平和不同的罗德参数水平。其中，加载方式包括运动方向如图2中轴向箭头所示的轴向位移加载速率和环向箭头所示的环向转角加载速率，且加载比k定义为
夹持段22的长度和外径、平行段21的长度和外径以及缺口23半径均没有具体限制，通孔24的内径也没有具体限制,这里采用13mm，使得试样2在缺口23处壁厚为1.5mm。通孔24的内径与夹持段22的外径的同轴度小于等于0.01，为获得较高的同轴度要求，所述通孔24采用慢走丝方式加工，进而来保证内径的尺寸和精度。在本实施例中，所述试样的材料为碳素钢Q235D，其上设有散斑，非接触式三维应变光学测量系统5依赖于测试样本表面的对比度，散斑可以加强对比，通过跟踪散斑的像素位置来实现对应变的测量。
本发明采用薄壁管试样，一方面是受限于现有的机器的加载范围而需要将管壁设置得薄，另一方面，可以使得试样在厚度方向上有相对恒定的应力三轴度水平和罗德参数水平。
如图3所示，为本发明采用上述的多轴断裂实验方法的流程图，其包括以下步骤：
S1：设计并制备试样2，包括：
S11：通过有限元分析来模拟计算试样2在不同应力三轴度和罗德参数水平下的加载方式；其中
S111：根据国家标准GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分》对与试样2同材质的板状材料进行准静态单轴拉伸实验；
S112：建立三维有限元模型，输入步骤S11的准静态单轴拉伸实验获取的真应力真应变数据、弹性模量、泊松比等材料参数，模型一端施加固定约束，另一端设置施加一组加载比保持不变的加载方式，并得到对应的应力三轴度和罗德参数。
应力三轴度T和罗德参数L定义为：
上式中，σm为静水压力，σe为米塞斯应力(即Mises应力)，σ1，σ2，σ3分别为第一主应力，第二主应力，第三主应力。
S113：通过改变加载比(即轴向位移加载速率和环向转角加载速率的比值)，得到对应于不同加载方式的初始应力三轴度和初始罗德参数，并记录各个加载方式及其对应的初始应力三轴度和初始罗德参数。所记录的数据详见表1。
表1不同加载方式下获得的初始应力三轴度和初始罗德参数
图4和图5分别示出了所记录的试样缺口沿最薄壁厚处的初始应力三轴度和罗德参数随归一化距离的变化趋势，其中该归一化距离表示试样缺口沿最薄壁厚处内径到外径距离的归一化，图4和图5均表明该试样在厚度方向上的应力三轴度和罗德参数相对均匀，此外，通过改变加载比k，所设计的缺口薄壁管试样的应力三轴度范围为0-0.55，罗德参数范围为-1-0。由此，通过拉扭这种加载方式，可以获得相对较低的应力三轴度水平和不同的罗德参数范围。
S12：根据S11的设计结果加工试样2；
S13：判断试样2是否满足尺寸精度要求，利用三坐标测量仪检测试样2的通孔24的内径的尺寸，夹持段22的外径的尺寸以及内径与外径的同轴度是否满足所需要的尺寸精度，如果不满足尺寸精度，且试样2还有加工余量，则回到步骤S12对试样2进行改进加工，直至其满足实验要求所需要的尺寸精度，如若试样2没有加工余量，则试样2作废并从头重新加工；
S14：对试样2进行表面处理并制作散斑，用砂纸对缺口薄壁管试样的表面进行打磨处理，然后再将试样表面均匀喷涂一层白色的高温哑光漆，待试样表面油漆风干后，选用黑色的哑光漆在试样表面均匀喷涂制得一层散斑。
S2：搭建一拉扭组合多轴断裂实验系统，装夹所述试样2，按照S1的表1的加载方式逐一进行拉扭组合实验，测试并记录实验过程中的试样照片、轴向拉力和扭矩；其中所述实验系统包括：动态拉扭试验机1、非接触式三维应变光学测量系统5、一控制装置3以及同步触发装置4，所述动态拉扭试验机1与控制装置3通信相连，与一同步触发装置4相连并经该同步触发装置4与所述非接触式三维应变光学测量系统5相连，且动态拉扭试验机1、非接触式三维应变光学测量系统5、控制装置3和同步触发装置4的具体结构均如上文所述；并且在进行拉扭组合实验之前，调节两个相机51、52的高度和LED灯53的位置，使试样的缺口23处于两个相机51、52的成像照片的中间，在图像采集和数据处理装置54上将两个相机51、52的采集图像频率设置为5Hz，并将轴向拉力与扭矩的记录频率设置为5Hz。
S3：采用图像采集和数据处理装置54中的图像分析软件自动处理实验采集的图像，得到全场应变图像。
此外，所述S3还可以包括根据所述全场应变图像进一步分析得到载荷位移曲线以及断裂应变，其中，所述载荷位移曲线是通过以下步骤得到的：
S31：在所述图像分析软件的全场应变图像上对应于试样2的缺口23处选取标距为18mm的两参考点，图像分析软件直接输出这两个参考点在整个加载过程中各自的三个坐标方向上的多组位移变化值；
S32：根据两个参考点的轴向位移变化之差计算两参考点之间的相对轴向位移，通过该两点的转角之差计算两参考点之间的相对转角，得到两参考点在整个加载过程中的多组相对轴向位移值和相对转角值；
其中，所述参考点的转角α为：
其中，A1代表参考点初始位置，A2为参考点变形后的位置，A2’为A2在A1点横截面上的投影点，R为试样2在缺口23处的半径，单位mm，Δx为参考点沿坐标轴x方向上的位移，单位mm，Δy为参考点沿坐标轴y方向上的位移，单位mm,Δz为参考点沿坐标轴z方向上的位移，单位mm。
本实施例中R为10mm，因变形主要集中在缺口部位，假定R在整个加载过程中保持不变，位移单位选取mm。具体的转角计算示意图如图6A-图6B所示。
S33：以步骤S2测得的轴向拉力与扭矩为载荷，S32得到的两参考点在同时刻的一组相对轴向位移值和相对转角值为位移量，得到轴向力位移曲线和扭矩转角曲线(即载荷位移曲线)。图7和图8所示的是所得到的在加载比为k＝3情况下的轴向力位移曲线和扭矩转角曲线。
所述断裂应变则根据上述的轴向力位移曲线的轴向力减小的位置和扭矩转角曲线中扭矩减小的位置得到。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化，例如标距的大小也可以任意选取，没有限制。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种拉扭组合多轴断裂实验系统，包括动态拉扭试验机(1)以及与动态拉扭试验机(1)通信相连的控制装置(3)；其特征在于，
所述动态拉扭试验机(1)具有上夹头(11)和下夹头(12)和力传感器(13)，并由所述上夹头(11)、下夹头(12)将一试样(2)装夹于该动态拉扭试验机(1)上，所述试样(2)为一缺口薄壁管试样，其上设有散斑；
所述变形测量系统还包括一与所述控制装置(3)通过一同步触发装置(4)相连的非接触式三维应变光学测量系统(5)；所述非接触式三维应变光学测量系统(5)包括与所述同步触发装置(4)相连的两个相机(51、52)以及与所述两个相机(51、52)均相连的图像采集和数据处理装置(54)。
2.根据权利要求1所述的拉扭组合多轴断裂实验系统，其特征在于，所述试样(2)的两端分别为夹持段(22)，自两端分别轴向向内为缩颈的平行段(21)，所述两段平行段(21)之间设有沿该薄壁管周向设置且光滑过渡的钝形缺口(23)。
3.根据权利要求2所述的拉扭组合多轴断裂实验系统，其特征在于，通孔(24)的内径与夹持段(22)的外径的同轴度小于等于0.01。
4.根据权利要求1所述的拉扭组合多轴断裂实验系统，其特征在于，所述两个相机(51、52)之间设有LED灯(53)。
5.一种拉扭组合多轴断裂实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设计并制备试样(2)，包括：
S11：通过有限元分析来模拟计算试样(2)在不同应力三轴度和罗德参数水平下的加载方式；
S12：根据S11的设计结果加工试样(2)；
S13：判断试样(2)是否满足尺寸精度要求；
S14：对试样(2)进行表面处理并制作散斑；
S2：搭建一根据权利要求1-5之一所述的拉扭组合多轴断裂实验系统，装夹所述试样(2)，按照S11的加载方式逐一进行拉扭组合实验，测试并记录实验过程中的试样照片、轴向拉力和扭矩；
S3：采用S2中的拉扭组合多轴断裂实验系统的图像采集和数据处理装置(54)中的图像分析软件自动处理所述试样照片得到全场应变图像。
6.根据权利要求5所述的拉扭组合多轴断裂实验方法，其特征在于，所述散斑是通过用砂纸对缺口薄壁管试样的表面进行打磨处理，再将试样表面均匀喷涂一层白色的高温哑光漆，待试样表面油漆风干后，最后选用黑色的哑光漆在试样表面均匀喷涂制得的。
7.根据权利要求5所述的拉扭组合多轴断裂实验方法，其特征在于，所述步骤S11包括：
S111：根据国家标准对与试样(2)同材质的板状材料进行准静态单轴拉伸实验；
S112：建立三维有限元模型，输入步骤S11的准静态单轴拉伸实验获取的材料参数，模型一端施加固定约束，另一端设置施加一组加载比不变的加载方式，并获取对应的应力三轴度和罗德参数；
S113：通过改变加载比，得到对应于不同加载方式的初始应力三轴度和初始罗德参数，并记录各个加载方式及其对应的初始应力三轴度和初始罗德参数。
8.根据权利要求5所述的拉扭组合多轴断裂实验方法，其特征在于，在进行所述拉扭组合实验之前，还包括：调节两个相机(51、52)的高度和LED灯(53)的位置，使试样的缺口处于两个相机(51、52)的成像照片的中间，在图像采集与数据处理装置(54)上将相机(51、52)的采集图像频率设置为5Hz，将轴向拉力与扭矩的记录频率设置为5Hz。
9.根据权利要求5所述的拉扭组合多轴断裂实验方法，其特征在于，所述S3还包括根据所述全场应变图像进一步分析得到载荷位移曲线以及断裂应变，所述载荷位移曲线通过以下步骤得到：
S31：在所述图像分析软件的全场应变图像上对应于试样(2)的缺口处选取的具有标距的两参考点，图像分析软件直接输出这两个参考点在整个加载过程中各自的三个坐标方向上的多组位移变化值；
S32：根据两个参考点的轴向位移变化之差计算两参考点之间的相对轴向位移，通过该两点的转角之差计算两参考点之间的相对转角，得到两参考点在整个加载过程中的相对多组轴向位移值和相对转角值；
S33：以S2测得的轴向拉力与扭矩为载荷，S32得到的两参考点在同时刻的一组相对轴向位移值和相对转角值为位移量，得到载荷位移曲线；
所述断裂应变根据上述的轴向力位移曲线的轴向力减小的位置和扭矩转角曲线中扭矩减小的位置得到。
10.根据权利要求9所述的拉扭组合多轴断裂实验方法，其特征在于，所述参考点的转角α为：
其中，A1代表参考点的初始位置，A2为参考点变形后的位置，A2’为A2在A1点横截面上的投影点，R为试样(2)在缺口处的半径，单位mm，Δx为参考点沿坐标轴x方向上的位移，单位mm，Δz为参考点沿坐标轴z方向上的位移，单位mm。
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