CN109520862A - 一种管材纯剪切加载装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管材纯剪切加载装置及方法，将第一芯轴穿入第一半管中，第二芯轴穿入第二半管中，第一芯轴的尺寸与第一半管的尺寸相匹配，第二芯轴的尺寸与与第二半管的尺寸相匹配，对第一芯轴的第一连接部、第二芯轴的第二连接部进行加载，第一突出部和第二突出部将力传递到待测管材上，从而使整管上与第一半管的右平面或左平面、第二半管的左平面或右平面位于同一平面的材料处于纯剪切应力状态。本发明结构简单，通过特殊设计的第一芯轴和第二芯轴抑制了剪切变形中难以控制的待测管材转动，并能保证整管上与第一半管的右平面或左平面、第二半管的左平面或右平面位于同一平面的材料在变形全过程始终处于稳定的纯剪切应力状态。
Description
技术领域
本发明涉及管材力学性能测试技术领域，特别是涉及一种管材纯剪切加载装置及方法。
背景技术
管材在国民经济生产中有着广泛的应用，截面形状有圆形，方形和异形。除直接作为承力构件外，经塑性加工后的管形零件常作为结构件使用，典型的成形方法包括管材内高压成形与管材弯曲成形等，代表零件包括汽车车身底盘结构件，各种飞机与汽车中的弯曲轴线管路等。
为避免管材在塑性加工过程中发生起皱与开裂等失效现象，需要了解所用管材的力学性能，借助计算机数值模拟结果来合理地设计与优化成形工艺参数，同时有效地缩短零件的开发流程、降低零件研发成本，因此得到准确的管材实验力学性能数据是实际工程应用中所面临的迫切问题。
由于单向拉伸实验简单易开展，是目前获得材料性能的最主要方法。剪切变形也是材料变形的主要方式之一，从上世纪50年代至今，学术界仍在不断的研究纯剪切加载实验，获得板材的剪切性能。虽然提出了多种板材剪切实验，采用特殊设计的加载式样与加载方式使板材某一区域产生纯剪切应力状态，但是现有方法均无法在使被测试材料在变形的全过程均保持纯剪切应力状态。
以针对铝合金薄板式样的美国工业测试标准B831方法(American SocietyforTesting andMaterials standardASTM B831-05，2005)为例，该方法在板材下加工两个长槽，对板材施加拉力时两个长槽之间的材料是剪切加载区域，但随着变形的进行变形区域将存在附加的拉应力，即无法保证加载的全过程该区域材料始终处于纯剪切应力状态，这是现有板材剪切实验方法共同存在的问题。
对于管材而言，理论上管材扭转实验可用来获得管材的剪切实验特性，但由于薄壁管扭转加载极易失稳无法得到有效的实验数据，实际上无法采用。对于壁厚较大的管材，虽然不易失稳，但由于加载难度大，也不适宜开展扭转实验。
因此目前还没有有效的实验方法进行管材的纯剪切实验，这也是目前学术界和工程界都非常关注和亟待解决的问题。
由材料力学可知，如以过管材轴线的截面将管材划分为上下两部分，对上下两部分施加方向相反的一对平行力，如图1所示，此时整管上过管材轴线截面的材料将产生纯剪切应力状态，但是产生塑性变形后，由于弯矩的作用管材将发生扭转，此时整管上过管材轴线截面处材料的应力状态就不再是纯剪切加载，所以依此实验方法所获得的实验数据是没有实际应用意义的。
发明内容
本发明的目的是提供一种管材纯剪切加载装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，使管材试件在整个塑性变形过程中始终处于稳定的纯剪切加载应力状态，获得可靠、完整的材料剪切实验数据。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种管材纯剪切加载装置，其特征在于：包括待测管材，所述待测管材包括依次连接的第一半管、整管和第二半管，所述第一半管内设置有第一芯轴，所述第二半管内设置有第二芯轴，所述第一半管右平面或左平面与所述第二半管的左平面或右平面位于同一平面，且与所述整管的管材轴线位于同一平面，所述第一半管与所述整管的管材轴线垂直的截面、所述第二半管与所述整管的管材轴线垂直的截面均等于所述整管与所述整管的管材轴线垂直的截面的一半。
优选的，所述第一芯轴包括相互连接的第一连接部和第一突出部，所述第一连接部上设置有第一通孔，所述第一通孔与所述第一半管的右平面或左平面垂直，所述第一连接部设置在所述第一半管内，所述第一通孔位于所述第一半管外侧，所述第一突出部与所述整管配合，用于固定所述第一芯轴；所述第二芯轴包括相互连接的第二连接部和第二突出部，所述第二连接部上设置有第二通孔，所述第二通孔与所述第二半管的左平面或右平面垂直，所述第二连接部设置在所述第二半管内，所述第二通孔位于所述第二半管外侧，所述第二突出部与所述整管配合，用于固定所述第二芯轴。
优选的，所述第一芯轴的上端连接有第一传力部，所述第一传力部包括相互连接的第一加载部和第三连接部，所述第三连接部上设置有第三通孔，所述第三通孔和所述第一通孔通过定位销固定连接，所述第一加载部上设置有第四通孔，所述第四通孔用于与试验机进行连接；所述第一芯轴的上端连接有第二传力部，所述第二传力部包括相互连接的第二加载部和第四连接部，所述第四连接部上设置有第五通孔，所述第五通孔和所述第二通孔通过定位销固定连接，所述第二加载部上设置有第六通孔，所述第六通孔用于与试验机进行连接。
优选的，所述第一连接部的截面尺寸与所述第一半管的截面相匹配，所述第二连接部的截面尺寸与所述第二半管的截面相匹配。
优选的，所述第一连接部的截面尺寸与所述第三连接部的截面尺寸相同，所述第二连接部的截面尺寸与所述第四连接部的截面尺寸相同。
优选的，所述第一半管与所述整管的连接处和所述第二半管与所述整管的连接处均设置有切口，所述切口的大小相同。
优选的，所述待测管材与所述待测管材的管材轴线相垂直的截面为圆形、矩形或异形。
本发明还提供了一种管材纯剪切加载方法，测量前，在整管上发生纯剪切区域的外表面喷涂散斑或者粘贴应变片，将第一芯轴穿进第一半管中，第二芯轴穿进第二半管中；测试时，将材料试验机拉伸头与第一芯轴、第二芯轴连接，或将材料试验机拉伸头与第一传力部和第二传力部连接，施加方向相反的拉力；测试过程中，通过光学测量方法实时测量应变，或者通过采集应变片的数据测量应变，获得待测管材的剪应力-剪应变曲线。
优选的，测试时，在一定温度下进行管材纯剪切加载，测量待测管材在一定温度下的剪切强度。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明通过在第一半管内设置第一芯轴、第二半管内设置第二芯轴，使待测管材只能沿轴向运动，起到限制待测管材转动的功能；通过对第一芯轴和第二芯轴施加方向相反的力，第一芯轴将力传递到第一半管上，第二芯轴将与第一芯轴相反的力传递到第二半管上，即对第一芯轴和第二芯轴施加的力转化为剪切力，第一半管和第二半管受到平行且方向相反的力，整管上与第一半管的右平面或左平面、第二半管的左平面或右平面位于同一平面的材料处于纯剪切应力状态，可获得材料沿轴向的剪切特性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的管材纯剪切加载方式；
图2为本发明中的待测管材示意图；
图3为本发明中的第一芯轴示意图；
图4为本发明的管材纯剪切加载装置示意图一；
图5为本发明中的第一传力部示意图；
图6为本发明的管材纯剪切加载装置示意图二；
其中：1-第一半管，2-整管，3-第二半管，4-第一芯轴，5-第二芯轴，6-第一连接部，7-第一突出部，8-第一通孔，9-第一传力部，10-第二传力部，11-第一加载部，12-第三连接部，13-第三通孔，14-第四通孔，15-定位销。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种管材纯剪切加载装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，使管材试件在整个弹塑性变形过程中始终处于稳定的纯剪切加载应力状态，获得可靠、完整的材料剪切实验数据。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。
实施例一
如图2-图5所示：本实施例提供了一种管材纯剪切加载装置，包括待测管材，待测管材的横截面为圆形或非圆形。本实施例中，待测管材的横截面为圆形。圆形管材外径为62mm，壁厚为1mm，材料为5A02铝合金。待测管材包括依次连接的第一半管1、整管2和第二半管3，第一半管1和第二半管3的尺寸相同。第一半管1与整管2的连接处和第二半管3与整管2的连接处还可以设置有切口，切口的大小相同，也可以不设置切口。第一半管1内设置有第一芯轴4，第二半管3内设置有第二芯轴5，第一芯轴4和第二芯轴5的结构、尺寸均相同，第一半管1右平面或左平面与第二半管3的左平面或右平面位于同一平面，且与整管2的管材轴线位于同一平面，第一半管1的横截面与第二半管3的横截面均等于整管2的横截面的一半。横截面为垂直于管材轴线的截面。
本实施例中，第一芯轴4包括相互连接的第一连接部6和第一突出部7，第一连接部6上设置有第一通孔8，第一通孔8与第一半管1的右平面或左平面垂直，第一连接部6设置在第一半管1内，第一通孔8位于第一半管1上方，第一突出部7与整管2配合，用于抵住第一芯轴4，当第一芯轴4向上方运动时，第一突出部7将推动整管2左侧材料向上方运动；第二芯轴5包括相互连接的第二连接部和第二突出部，第二连接部上设置有第二通孔，第二通孔与第二半管3的左平面或右平面垂直，第二连接部设置在第二半管3内，第二通孔位于第二半管3外侧，第二突出部与整管2配合，用于抵住第二芯轴5，当第二芯轴向下方运动时，第二突出部将推动整管2右侧材料向下方运动。第一连接部6与第二连接部的截面尺寸相同，第一连接部6的截面尺寸与第一半管1的截面相匹配，第二连接部的截面尺寸与第二半管3的截面相匹配，即第一连接部6的截面形状和第一半管1的截面形状相同，第二连接部的截面形状和第二半管3的截面形状相同，本实施例中，第一连接部6和第二连接部的截面尺寸为圆形，第一连接部6和第二连接部的内部也可以是中空的，即截面是半圆环，且与待测管材内表面接触的位置不变。第一突出部7和第二突出部的截面尺寸相同，且大于第一半管1和第二半管3的尺寸。本实施例中，第一连接部6和第二连接部的尺寸为第一突出部7和第二突出部的尺寸大于62mm，本实施中第一突出部7和第二突出部的尺寸为
本实施例还提供了一种管材纯剪切加载方法，测量前，在整管2上发生纯剪切区域的外表面喷涂散斑或者粘贴应变片，将第一芯轴4穿进第一半管1中，第二芯轴5穿进第二半管3中，第一突出部7作用在第一半管1上，第二突出部作用在第二半管3上；测试时，将材料试验机拉伸头与第一芯轴4、第二芯轴5连接，施加方向相反的拉力；测试过程中，通过光学测量方法(DIC)或者通过采集应变片的数据实时测量应变，能够获得待测管材的剪应力-剪应变曲线，采用本实施例的装置及方法得出该铝合金材料的剪切强度为60MPa。
本实施例还可以在一定温度下进行管材纯剪切加载，测量待测管材在一定温度下的剪切强度。
本实施例通过在第一半管1内设置第一芯轴4、第二半管3内设置第二芯轴5，使待测管材只能沿管材轴向运动，第一连接部6与第一半管1的接触面、第二连接部与第二半管3的接触面避免待测管材在加载变形过程中产生弯曲扭转，起到平衡待测管材失稳的功能；通过对第一芯轴4和第二芯轴5施加方向相反的力，第一芯轴4的第一突出部7将力传递到第一半管1上，第二芯轴5的第二突出部将与第一芯轴4相反的力传递到第二半管3上，即对第一芯轴4和第二芯轴5施加的力转化为待测管材的剪切力，第一半管1和第二半管3受到平行且方向相反的力，使整管2上与第一半管1的右平面或左平面、第二半管3的左平面或右平面位于同一平面的材料受到纯剪切应力的作用，最终将整管2切断，可获得沿管材轴向的剪切特性。
本实施例基于力学平衡原理提出的简便易行的管材纯剪切加载装置及方法，实现对管材的纯剪切实验。本实施例的装置及方法既可以获得材料的纯剪切变形特性参数，也可以将其参数用于定义数值模拟的材料模型。
本实施例结构简单，按力平衡原理设计的加载装置可以使试件的测试点处于稳定的纯剪切应力状态，可以确保从测试材料初始屈服一直到试件被完全剪切断裂的全过程中均稳定保持纯剪切应力状态，而不会伴随变形出现拉应力或者压应力的现象。
实施例二
如图2-图6所示：本实施例与实施例一的区别在于：本实施例中第一芯轴4的上端连接有第一传力部9，第一传力部9包括相互连接的第一加载部11和第三连接部12，第三连接部12上设置有第三通孔13，第三通孔13和第一通孔8通过定位销15固定连接，第一加载部11上设置有第四通孔14，第四通孔14与第一通孔8相垂直，第四通孔14用于与试验机进行连接；第一芯轴4的上端连接有第二传力部10，第二传力部10包括相互连接的第二加载部和第四连接部，第四连接部上设置有第五通孔，第五通孔和第二通孔通过定位销15固定连接，第二加载部上设置有第六通孔，第六通孔与第二通孔相垂直，第六通孔用于与试验机进行连接。第一连接部6的截面尺寸与第三连接部12的截面尺寸相同，第二连接部的截面尺寸与第四连接部的截面尺寸相同。
本实施例还提供了一种管材纯剪切加载方法，测量前，在整管2上发生纯剪切区域的外表面喷涂散斑或者粘贴应变片，将第一芯轴4穿进第一半管1中，第二芯轴5穿进第二半管3中；将第一芯轴4与第一传力部9连接，第二芯轴5与第二传力部10连接；测试时，将材料试验机拉伸头第一传力部9和第二传力部10连接，施加方向相反的拉力；测试过程中，通过光学测量方法测量应变，或者通过采集应变片的数据测量应变，获得待测管材的剪应力-剪应变曲线。本实施例还可以在一定温度下进行管材纯剪切加载，测量待测管材在一定温度下的剪切强度。
本实施例通过对第一传力部9和第二传力部10进行加载，加载的力通过第一传力部9传递到第一芯轴4上，进而传递到第一半管1上，相反的力通过第二传力部10传递到第二芯轴5上，进而传递到第二半管3上，使得第一半管1和第二半管3受到平行且方向相反的力，使整管2上与第一半管1的右平面或左平面、第二半管3的左平面或右平面位于同一平面的材料受到纯剪切应力的作用，最终将待测管材切断，可获得材料沿轴向的剪切特性。
本实施例基于力学平衡原理提出的简便易行的管材纯剪切加载装置及方法，实现对管材的纯剪切实验。本实施例的装置及方法既可以获得材料的纯剪切变形特性参数，也可以将其参数用于定义数值模拟的材料模型。
本实施例结构简单，按力平衡原理设计的加载装置可以使试件的测试点处于稳定的纯剪切应力状态，可以确保从测试材料初始屈服一直到试件被完全剪切断裂的全过程中均稳定保持纯剪切应力状态，而不会伴随变形出现拉应力或者压应力的现象。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种管材纯剪切加载装置，其特征在于：包括待测管材，所述待测管材包括依次连接的第一半管、整管和第二半管，所述第一半管内设置有第一芯轴，所述第二半管内设置有第二芯轴，所述第一半管右平面或左平面与所述第二半管的左平面或右平面位于同一平面，且与所述整管的管材轴线位于同一平面，所述第一半管与所述整管的管材轴线垂直的截面、所述第二半管与所述整管的管材轴线垂直的截面均等于所述整管与所述整管的管材轴线垂直的截面的一半。
2.根据权利要求1所述的管材纯剪切加载装置，其特征在于：所述第一芯轴包括相互连接的第一连接部和第一突出部，所述第一连接部上设置有第一通孔，所述第一通孔与所述第一半管的右平面或左平面垂直，所述第一连接部设置在所述第一半管内，所述第一通孔位于所述第一半管外侧，所述第一突出部与所述整管配合，用于固定所述第一芯轴；
所述第二芯轴包括相互连接的第二连接部和第二突出部，所述第二连接部上设置有第二通孔，所述第二通孔与所述第二半管的左平面或右平面垂直，所述第二连接部设置在所述第二半管内，所述第二通孔位于所述第二半管外侧，所述第二突出部与所述整管配合，用于固定所述第二芯轴。
3.根据权利要求2所述的管材纯剪切加载装置，其特征在于：所述第一芯轴的上端连接有第一传力部，所述第一传力部包括相互连接的第一加载部和第三连接部，所述第三连接部上设置有第三通孔，所述第三通孔和所述第一通孔通过定位销固定连接，所述第一加载部上设置有第四通孔，所述第四通孔用于与试验机进行连接；
所述第一芯轴的上端连接有第二传力部，所述第二传力部包括相互连接的第二加载部和第四连接部，所述第四连接部上设置有第五通孔，所述第五通孔和所述第二通孔通过定位销固定连接，所述第二加载部上设置有第六通孔，所述第六通孔用于与试验机进行连接。
4.根据权利要求2所述的管材纯剪切加载装置，其特征在于：所述第一连接部的截面尺寸与所述第一半管的截面相匹配，所述第二连接部的截面尺寸与所述第二半管的截面相匹配。
5.根据权利要求3所述的管材纯剪切加载装置，其特征在于：所述第一连接部的截面尺寸与所述第三连接部的截面尺寸相同，所述第二连接部的截面尺寸与所述第四连接部的截面尺寸相同。
6.根据权利要求1所述的管材纯剪切加载装置，其特征在于：所述第一半管与所述整管的连接处和所述第二半管与所述整管的连接处均设置有切口，所述切口的大小相同。
7.根据权利要求1所述的管材纯剪切加载装置，其特征在于：所述待测管材与所述待测管材的管材轴线相垂直的截面为圆形、矩形或异形。
8.一种管材纯剪切加载方法，采用如权利要求1-7任一项所述的管材纯剪切加载装置测量待测管材的剪切强度，其特征在于：测量前，在整管上发生纯剪切区域的外表面喷涂散斑或者粘贴应变片，将第一芯轴穿进第一半管中，第二芯轴穿进第二半管中；测试时，将材料试验机拉伸头与第一芯轴、第二芯轴连接，或将材料试验机拉伸头与第一传力部和第二传力部连接，施加方向相反的拉力；测试过程中，通过光学测量方法实时测量应变，或者通过采集应变片的数据测量应变，获得待测管材的剪应力-剪应变曲线。
9.根据权利要求8所述的管材纯剪切加载方法，其特征在于：测试时，在一定温度下进行管材纯剪切加载，测量待测管材在一定温度下的剪切强度。
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