CN109682685A - 测定准脆性材料抗拉强度的装置及方法 - Google Patents

测定准脆性材料抗拉强度的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种测定准脆性材料抗拉强度的装置及方法，本发明通过容器；设置于容器的底板上的滚珠；设置于容器内的滚珠上的试块，试块的中间设置有楔形开口，楔形开口的底部进一步切割开缝有缝隙，滚珠用于消除所述试块底部在X、Y方向上的摩擦约束，试块受载状态下仅有XZ平面内的应力；加载器的头部为楔形，加载器用于通过其楔形的头部对试块施加Z方向的荷载，逐渐将Z方向的荷载加载直至试块劈裂。本发明的装置构造简单、原理清晰，借助滚珠获得平面应力状态，比现有的劈拉试验更加接近理想的单轴应力状态；本发明可借助有限元分析，预先确定修正系数，计算公式简单，计算结果准确度高。

Description

测定准脆性材料抗拉强度的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种测定准脆性材料抗拉强度的装置及方法。
背景技术
准脆性材料(如混凝土)在受拉状态下所能承受的荷载往往远小于受压状态下所能承受的荷载，换言之，材料的抗拉强度远小于抗压强度。准脆性材料的抗拉强度ft是一种重要的力学属性，准确测量ft对于保证结构性能具有重要意义。
从材料力学理论角度出发，要测得ft，需在形状规则的试块上施加均匀分布的单轴拉应力σt，直至达到最大值ft后试块断裂。现实中，由于材料本身的缺陷以及试验方法和装置的限制，无法获得理想的应力分布。
目前常用的抗拉强度测量方法可以分为两类：直接法和间接法。直接法主要是指直拉试验，通常通过固定试件两端、施加拉力直至试件断裂，是最能直接反映材料抗拉性能的方法。但是，由于材料自身的脆性和异质性，试验稳定性差，意外状况(例如夹持部位滑脱、荷载偏心、试件未在预期部位断裂等)经常发生、导致试验失败。间接法主要有弯拉试验和劈拉试验等。弯拉试验通常是在梁式试件上施加弯矩，由试件截面最大弯矩反演计算ft；试验过程较为稳定，然而反演计算过程略复杂，且计算结果受到裂缝本构法则假定的影响。劈拉试验一般是在圆盘状试件两侧施加压力(有些设计中，受压处有开口)，压力转化为试件内部的拉应力致使试件劈裂，从而由最大压力推算ft。劈拉试验存在两边开裂不同步、受力区域应力复杂、不易计算ft等局限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测定准脆性材料抗拉强度的装置及方法，能够解决现有的试验方法稳定性差、开裂不同步、应力状态复杂、计算结果不精确等问题。
为解决上述问题，本发明提供一种测定准脆性材料抗拉强度的装置，包括：
容器，包括底板和与所述底板连接的四面侧壁，四面侧壁之间依次连接；
设置于所述容器的底板上的滚珠；
设置于所述容器内的滚珠上的试块，所述试块的中间设置有楔形开口，所述楔形开口的底部进一步切割开缝有缝隙，所述滚珠用于消除所述试块底部在X、Y方向上的摩擦约束，试块受载状态下仅有XZ平面内的应力，其中，X、Y和Z方向互相垂直；
加载器，所述加载器的头部为楔形，所述加载器用于通过其楔形的头部对试块施加Z方向的荷载，逐渐将Z方向的荷载加载直至试块劈裂。
进一步的，在上述装置中，所述加载器的材质为钢。
进一步的，在上述装置中，所述加载器通过焊接或螺栓连接的方式固定在压力加载设备上。
进一步的，在上述装置中，所述加载器的楔形的头部的两侧分别固定有一排万向滚珠。
进一步的，在上述装置中，所述滚珠为万向滚珠。
进一步的，在上述装置中，所述滚珠的直径为8mm。
进一步的，在上述装置中，所述试块沿X方向长为L＝200mm、沿Y方向厚为t＝50mm、沿Z方向高为H＝100mm，所述试块中间的楔形开口沿X方向的半宽为b＝15mm，所述楔形开口的沿Z方向深度为h2＝20mm；所述楔形开口的底部进一步切割开缝的缝隙沿Z方向高度为h1＝20mm；所述试块剩余横截面沿Z方向高度为h＝60mm。
进一步的，在上述装置中，所述容器的四面侧壁由0.5mm镀锌薄钢板制成，所述容器的底板选用6mm复合耐磨钢板。
进一步的，在上述装置中，设置于所述容器的底板上的滚珠的数量为在所述容器内接近二维紧密堆积的数量。
根据本发明的另一面，提供一种测定准脆性材料抗拉强度的方法，采用上述任一项所述的装置，所述方法包括：
在试块的中间设置楔形开口，在所述楔形开口的底部进一步切割开缝形成缝隙，并对所述试块的底面进行打磨；
在试验台上固定容器；
在所述容器的底板上铺设一层钢珠；
把所述试块放入所述容器，将所述试块的底面与所述钢珠接触；
在加载器上施加位移控制的Z方向的荷载，逐渐将Z方向的荷载加载直至试块劈裂，读取试块劈裂时所述荷载的最大竖向力Fmax；
使用下式计算所述试块的抗拉强度ft：
其中，α为所述试块的楔形开口的角度，h为所述试块剩余横截面沿Z方向高度，t为所述试块沿Y方向的厚度，λ为修正系数，λ＝1.15。
与现有技术相比，本发明通过容器，包括底板和与所述底板连接的四面侧壁，四面侧壁之间依次连接；设置于所述容器的底板上的滚珠；设置于所述容器内的滚珠上的试块，所述试块的中间设置有楔形开口，所述楔形开口的底部进一步切割开缝有缝隙，所述滚珠用于消除所述试块底部在X、Y方向上的摩擦约束，试块受载状态下仅有XZ平面内的应力，其中，X、Y和Z方向互相垂直；加载器，所述加载器的头部为楔形，所述加载器用于通过其楔形的头部对试块施加Z方向的荷载，逐渐将Z方向的荷载加载直至试块劈裂。本发明的装置构造简单、原理清晰，借助滚珠获得平面应力状态，比现有的劈拉试验更加接近理想的单轴应力状态；本发明可借助有限元分析，预先确定修正系数，计算公式简单，计算结果准确度高。
附图说明
图1是本发明一实施例的测定准脆性材料抗拉强度的装置的示意图；
图2是本发明一实施例的测定准脆性材料抗拉强度的装置及方法的原理图；
图3是本发明一实施例的有限元仿真结果示意图；
图4是本发明一实施例的有限元计算结果样例图。
具体实施方式
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。
如图1～2所示，本发明提供一种测定准脆性材料抗拉强度的装置，包括：
容器5，包括底板和与所述底板连接的四面侧壁，四面侧壁之间依次连接；
在此，所述容器5可放置于常规试验台上，用于容纳试块和滚珠，防止试块破坏后滑出试验台；
设置于所述容器5的底板上的滚珠4；
在此，为消除所述试块底部在X、Y方向上的摩擦约束，使得试块底面仅保留Z方向的支撑，形成关于该平面的对称边界条件，由此，试块受载状态下仅有XZ平面内的应力(平面应力状态)；
设置于所述容器5内的滚珠4上的试块3，所述试块的中间设置有楔形开口，所述楔形开口的底部进一步切割开缝有缝隙，所述滚珠用于消除所述试块底部在X、Y方向上的摩擦约束，试块受载状态下仅有XZ平面内的应力，其中，X、Y和Z方向互相垂直；
在此，所述试块为待测的准脆性材料的混凝土试块；
加载器1，所述加载器的头部为楔形，所述加载器用于通过其楔形的头部对试块施加Z方向的荷载，逐渐将Z方向的荷载加载直至试块劈裂。
在此，本发明的装置构造简单、原理清晰，借助滚珠获得平面应力状态，比现有的劈拉试验更加接近理想的单轴应力状态；本发明可借助有限元分析，预先确定修正系数，计算公式简单，计算结果准确度高。
本发明的测定准脆性材料抗拉强度的装置一实施例中，所述加载器的材质为钢，以施加可靠的荷载。
本发明的测定准脆性材料抗拉强度的装置一实施例中，所述加载器通过焊接或螺栓连接的方式固定在压力加载设备上，以施加可靠的荷载。
如图1所示，本发明的测定准脆性材料抗拉强度的装置一实施例中，所述加载器1的楔形的头部的两侧分别沿所述Y方向固定有一排万向滚珠2，用于传递压力、消除摩擦。
本发明的测定准脆性材料抗拉强度的装置一实施例中，所述滚珠为万向滚珠。
本发明的测定准脆性材料抗拉强度的装置一实施例中，所述滚珠的直径为8mm。
本发明的测定准脆性材料抗拉强度的装置一实施例中，所述试块3沿X方向长为L＝200mm、沿Y方向厚为t＝50mm、沿Z方向高为H＝100mm，所述试块中间的楔形开口沿X方向的半宽为b＝15mm，所述楔形开口的沿Z方向深度为h2＝20mm；所述楔形开口的底部进一步切割开缝的缝隙沿Z方向高度为h1＝20mm；所述试块剩余横截面沿Z方向高度为h＝60mm。
本发明的测定准脆性材料抗拉强度的装置一实施例中，所述容器5内部空间沿X方向长为240mm、沿Y方向为宽60mm、沿Z方向高为70mm。
本发明的测定准脆性材料抗拉强度的装置一实施例中，所述容器5的四面侧壁由0.5mm镀锌薄钢板制成，所述容器的底板选用6mm复合耐磨钢板。
本发明的测定准脆性材料抗拉强度的装置一实施例中，设置于所述容器5的底板上的滚珠4的数量为在所述容器内接近二维紧密堆积的数量。
在此，在容器4底部铺设一层钢珠3，数量控制在接近二维紧密堆积。
如图1～4所示，根据本发明的另一面，还提供另一种测定准脆性材料抗拉强度的方法，采用上述任一项所述的装置，所述方法包括：
步骤S1，在试块3的中间设置楔形开口，在所述楔形开口的底部进一步切割开缝形成缝隙，并对所述试块3的底面进行打磨；
步骤S2，在试验台上固定容器5；
步骤S3，在所述容器5的底板上铺设一层钢珠4，所述钢珠4数量可控制在达到接近二维紧密堆积的程度；
步骤S4，把所述试块3放入所述容器5，将所述试块3的底面与所述钢珠4接触；
步骤S5，在加载器1上对试块3施加位移控制的Z方向(竖向)的荷载，逐渐将Z方向的荷载加载直至试块3劈裂，读取试块3劈裂时所述荷载的最大竖向力Fmax；
步骤S6，使用下式计算所述试块的抗拉强度ft：
其中，如图2所示，α为所述试块的楔形开口的角度，h为所述试块剩余横截面沿Z方向高度，t为所述试块沿Y方向的厚度，λ为修正系数，λ＝1.15。
具体的，式(2)推导过程如下。如图2所示，在任意时刻，竖向力F经楔形开口转化为劈裂力F1
劈裂力F1的X方向分量即为施加在断裂面(见图2的虚线部位)上的拉力F2
假设拉力F2完全均匀地分布于断面上，则此处拉应力大小为
t为试块沿Y方向上的厚度。当竖向力F达到最大值Fmax，截面上的平均应力即为材料的抗拉强度ft
实际上，因为应力场并非完全均匀分布(初始裂缝尖端处有应力集中)，上述假设不完全成立。因此，在式(6)等号右边引入一个修正系数λ，反映这种应力不均对计算结果的影响：
本发明中，λ的具体取值通过有限元仿真确定(如图3和图4为有限元计算结果样例)。步骤为：在有限元模型中赋予混凝土材料抗拉强度标准值f’t；通过开展仿真分析，记录Fmax并根据式(6)计算ft；之后由λ＝f’t/ft计算修正系数。进一步地，考虑现实中试块内部力学性质不均匀性，采用蒙特卡洛法，在有限元模型中赋予材料抗拉强度标准值f’t的时候引入变异系数CoV＝10％，通过批量计算取平均值之后再计算修正系数。基于上述设定，计算得系数λ＝1.15；
步骤S7，回收清理滚珠和容器。
在此，本发明的关键思路在于，在单边楔形开口施加压力，将压力转化为试件内部拉力；通过滚珠支撑消除接触面摩擦约束、形成对称边界条件和平面应力状态，有利于生成均匀分布的单轴拉应力；借助有限元分析修正，得到精确计算公式。
本发明的装置构造简单、原理清晰，借助滚珠获得平面应力状态，比现有的劈拉试验更加接近理想的单轴应力状态；本发明可借助有限元分析，预先确定修正系数，计算公式简单，计算结果准确度高。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种测定准脆性材料抗拉强度的装置，其特征在于，包括：
容器，包括底板和与所述底板连接的四面侧壁，四面侧壁之间依次连接；
设置于所述容器的底板上的滚珠；
设置于所述容器内的滚珠上的试块，所述试块的中间设置有楔形开口，所述楔形开口的底部进一步切割开缝有缝隙，所述滚珠用于消除所述试块底部在X、Y方向上的摩擦约束，试块受载状态下仅有XZ平面内的应力，其中，X、Y和Z方向互相垂直；
加载器，所述加载器的头部为楔形，所述加载器用于通过其楔形的头部对试块施加Z方向的荷载，逐渐将Z方向的荷载加载直至试块劈裂。
2.如权利要求1所述的测定准脆性材料抗拉强度的装置，其特征在于，所述加载器的材质为钢。
3.如权利要求1所述的测定准脆性材料抗拉强度的装置，其特征在于，所述加载器通过焊接或螺栓连接的方式固定在压力加载设备上。
4.如权利要求1所述的测定准脆性材料抗拉强度的装置，其特征在于，所述加载器的楔形的头部的两侧分别固定有一排万向滚珠。
5.如权利要求1所述的测定准脆性材料抗拉强度的装置，其特征在于，所述滚珠为万向滚珠。
6.如权利要求1所述的测定准脆性材料抗拉强度的装置，其特征在于，所述滚珠的直径为8mm。
7.如权利要求1所述的测定准脆性材料抗拉强度的装置，其特征在于，所述试块沿X方向长为L＝200mm、沿Y方向厚为t＝50mm、沿Z方向高为H＝100mm，所述试块中间的楔形开口沿X方向的半宽为b＝15mm，所述楔形开口的沿Z方向深度为h2＝20mm；所述楔形开口的底部进一步切割开缝的缝隙沿Z方向高度为h1＝20mm；所述试块剩余横截面沿Z方向高度为h＝60mm。
8.如权利要求1所述的测定准脆性材料抗拉强度的装置，其特征在于，所述容器的四面侧壁由0.5mm镀锌薄钢板制成，所述容器的底板选用6mm复合耐磨钢板。
9.如权利要求1所述的测定准脆性材料抗拉强度的装置，其特征在于，设置于所述容器的底板上的滚珠的数量为在所述容器内接近二维紧密堆积的数量。
10.一种测定准脆性材料抗拉强度的方法，其特征在于，采用如权利要求1～9任一项所述的装置，所述方法包括：
在试块的中间设置楔形开口，在所述楔形开口的底部进一步切割开缝形成缝隙，并对所述试块的底面进行打磨；
在试验台上固定容器；
在所述容器的底板上铺设一层钢珠；
把所述试块放入所述容器，将所述试块的底面与所述钢珠接触；
在加载器上施加位移控制的Z方向的荷载，逐渐将Z方向的荷载加载直至试块劈裂，读取试块劈裂时所述荷载的最大竖向力Fmax；
使用下式计算所述试块的抗拉强度ft：
其中，α为所述试块的楔形开口的角度，h为所述试块剩余横截面沿Z方向高度，h＝所述试块沿Z方向高H-所述楔形开口的沿Z方向深度h2-所述楔形开口的底部的缝隙沿Z方向高度h1，t为所述试块沿Y方向的厚度，λ为修正系数，λ＝1.15。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20190426

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