CN110836818A - 一种薄壁圆管双向应力试验方法 - Google Patents

一种薄壁圆管双向应力试验方法 Download PDF

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Abstract

一种薄壁圆管双向应力试验方法，包括以下步骤：将径厚比R cp/t为30的薄壁圆管试样与密封夹头通过螺纹紧密连接，通过耐高压胶管将液压加载系统与薄壁圆管试样相连，然后放在轴向加载系统上；液压加载系统对薄壁圆管试样进行周向压力加载，然后通过轴向加载系统对薄壁圆管试样进行轴向压力加载，从而实现双向应力加载；通过实时液压压力和轴向拉伸载荷计算薄壁圆管上试样受力状态，由于试样的径厚比R cp/t为30，σ r＝3.3%σ θ≈0，可忽略σr的影响，圆管试样管壁处于均匀的两向应力状态，然后计算出轴向应力σ z和周向应力σ θ；本发明的方法能够满足试验所要求的双向应力条件，为研究材料双向应力状态下的力学行为和失效准则打下基础。

Description

一种薄壁圆管双向应力试验方法
技术领域
本发明涉及材料强度与失效研究领域，具体的说是一种薄壁圆管双向应力试验方法，适用于研究材料双向应力状态下力学行为。
背景技术
断裂是工程材料主要的失效形式之一，研究材料断裂行为、建立断裂判据一直以来都是材料领域的一个核心研究目标。材料断裂是一个复杂的过程，基于对材料各种断裂现象的研究和断裂机理的分析，逐渐形成了解决完整固体材料断裂问题的传统强度理论和考虑材料内部缺陷作用的断裂力学。材料实际工况下的受力状态多为双向应力或多向应力，而目前研究材料力学行为的试验方法多为单向加载方式，双向或多向应力状态下材料的力学行为研究较少。
常用的双向应力试验有十字形试样拉伸试验，带刻痕槽的圆形截面试样拉伸试验。十字形试样拉伸是较为常用的一种双向应力试验方法，但十字形试样中心区很难获得均匀的两向应力，如图1所示圆角试样圆角处应力集中较大，中心区受剪应力作用导致受力不均匀，均匀、连续、平稳的双向应力加载难以实现，且试件中心区应力也不易测量，十字形拉伸试样较难获得均匀的两向应力；如图2所示为带圆刻痕槽的圆形试样截面上应力的典型分布，应力张量主分量比值、大小和梯度随试件和刻痕槽的几何形状不同而变化，刻痕槽根部的应力分布可用集中系数Kt＝σmax/σcp和应力梯度dσ/dr来表征，在弹性变形阶段，应力随外载荷增加呈线性增加，当进入弹塑性阶段后，截面深处塑性变形区域的应力重新分布，刻痕槽试件拉伸试验虽能定性研究材料在多向应力条件下的力学行为，但其应力及应变状态的分析牵涉到很大的困难。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题的不足，本发明提出一种薄壁圆管双向应力试验方法，能够满足试验所要求的双向应力条件，为研究材料双向应力状态下的力学行为和失效准则打下基础。
本发明为解决上述技术问题的不足而采用的技术方案是：
一种薄壁圆管双向应力试验方法，包括以下步骤：
(1)在径厚比Rcp/t为30的薄壁圆管试样的两端内侧分别加工内螺纹，在与试样连接的密封夹头的两端外侧分别加工外螺纹；
(2)将薄壁圆管试样与密封夹头通过螺纹紧密连接，并在连接处设置密封圈，然后将连接好的薄壁圆管试样与密封夹头放置在轴向加载系统上，并通过耐高压胶管将液压加载系统与薄壁圆管试样相连；
(3)液压加载系统对薄壁圆管试样进行周向压力加载，先手动旋转调节手轮控制液压加载压力，加载至一定压力后保持恒定，然后通过轴向加载系统对薄壁圆管试样进行轴向压力加载，从而实现双向应力加载；
(4)通过实时液压压力和轴向拉伸载荷计算薄壁圆管上试样受力状态：
Figure BDA0002239062510000031
Figure BDA0002239062510000032
Figure BDA0002239062510000033
式中：σθ—周向应力、σr—径向应力、σz—轴向应力，K＝R0/Ri，R0—薄壁圆管试样外半径，Ri—薄壁圆管试样内半径，R—实际半径，P—液压压力，F—轴向拉伸力，D—薄壁圆管试样外径，d—薄壁圆管试样内径，t—薄壁圆管试样壁厚；
薄壁圆管试样的管壁上的应力状态如式(1)所，处于三向受力状态；由式(2)可知，径向应力σr与试样的径厚比Rcp/t呈反比，试样的径厚比越大，径向应力σr相对周向应力σθ的值越小，当试样的径厚比Rcp/t增大到一定值至30时，σr远小于σθ，σr＝3.3％σθ≈0，可忽略σr的影响，此时可认为圆管试样管壁处于均匀的两向应力状态，根据式(3)计算出轴向应力σz和周向应力σθ。
进一步的，所述轴向加载系统为拉伸试验机。
进一步的，所述液压加载系统为液压泵。
进一步的，所述液压加载系统中用作内压加载的介质为液态介质。
进一步的，所述液压加载系统的最大工作压力为25MPa。
本发明的有益效果是：
本发明的试验方法具有试验原理简单、试验设备操作方便、试样应力状态易于分析等优点，通过限定薄壁圆管试样径厚比尺寸和试验过程中液压加载载荷的大小，使试样平行段处于均匀的两向受力状态；
本发明中所用的设备为拉伸试验机和液压泵，薄壁圆管试样内壁与密封夹头通过螺纹连接，在拉伸过程中螺纹既有连接的作用，同时还具有密封液体介质的作用，相比于十字形试样双向拉伸试验机，本发明所用设备工作原理简单、试验过程中易于操作，通过拉伸试验机对薄壁圆管试样加载轴向应力、通过液压泵对薄壁圆管试样加载周向应力，相较于其它多向应力试验方法，由于薄壁圆管试样的径厚比足够大时，可忽略试样径向应力作用，因此该试验方法中试样一直处于均匀的两向应力状态，加载过程中的应力状态更易于分析。
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，下面将对实施例或现有技术描述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为十字型拉伸试样的应力分布示意图；
图2为圆刻痕槽的圆截面试样的应力分布示意图；
图3为薄壁圆管试样的应力分布示意图；
图4为薄壁圆管试样的结构示意图；
图5为薄壁圆管试样双向应力试验装置示意图；
附图标记：1、薄壁圆管试样，101、内螺纹，2、密封夹头，201、外螺纹，3、密封圈，4、轴向加载系统，5、耐高压胶管，6、液压加载系统。
具体实施方式
下面给出具体实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整、详细地说明。本实施例是以本发明技术方案为前提的最佳实施例，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种薄壁圆管双向应力试验方法，具有试验原理简单、试验设备操作方便、试样应力状态易于分析等优点，通过限定薄壁圆管试样径厚比尺寸和试验过程中液压加载载荷的大小，使试样平行段处于均匀的两向受力状态；包括以下步骤：
(1)如图4所示，在径厚比Rcp/t为30的薄壁圆管试样1的两端内侧分别加工内螺纹101，在与试样连接的密封夹头2的两端外侧分别加工外螺纹201；
(2)如图5所示，将薄壁圆管试样1与密封夹头2通过螺纹紧密连接，并在连接处设置密封圈3，然后将连接好的薄壁圆管试样1与密封夹头2放置在轴向加载系统4上，并通过耐高压胶管5将液压加载系统6与薄壁圆管试样1相连，其中，所述轴向加载系统4为拉伸试验机，所述液压加载系统6为液压泵，所述液压加载系统6的最大工作压力为25MPa，所述液压加载系统6中用作内压加载的介质为液态介质；
(3)液压加载系统6对薄壁圆管试样1进行周向压力加载，先手动旋转调节手轮控制液压加载压力，加载至一定压力后保持恒定，然后通过轴向加载系统4对薄壁圆管试样1进行轴向压力加载，从而实现双向应力加载；
(4)通过实时液压压力和轴向拉伸载荷计算薄壁圆管上试样受力状态：
Figure BDA0002239062510000061
Figure BDA0002239062510000063
式中：σθ—周向应力、σr—径向应力、σz—轴向应力，K＝R0/Ri，R0—薄壁圆管试样外半径，Ri—薄壁圆管试样内半径，R—实际半径，P—液压压力，F—轴向拉伸力，D—薄壁圆管试样外径，d—薄壁圆管试样内径，t—薄壁圆管试样壁厚；
如图3所示，为薄壁圆管试样的应力分布示意图，薄壁圆管试样的管壁上的应力状态如式(1)所，处于三向受力状态；由式(2)可知，径向应力σr与试样的径厚比Rcp/t呈反比，试样的径厚比越大，径向应力σr相对周向应力σθ的值越小，当试样的径厚比Rcp/t增大到一定值至30时，σr远小于σθ，σr＝3.3％σθ≈0，可忽略σr的影响，此时可认为圆管试样管壁处于均匀的两向应力状态，根据式(3)计算出轴向应力σz和周向应力σθ。
本发明中所用的设备为拉伸试验机和液压泵，薄壁圆管试样内壁与密封夹头通过螺纹连接，在拉伸过程中螺纹既有连接的作用，同时还具有密封液体介质的作用，相比于十字形试样双向拉伸试验机，本发明所用设备工作原理简单、试验过程中易于操作，通过拉伸试验机对薄壁圆管试样加载轴向应力、通过液压泵对薄壁圆管试样加载周向应力，相较于其它多向应力试验方法，由于薄壁圆管试样的径厚比足够大时，可忽略试样径向应力作用，因此该试验方法中试样一直处于均匀的两向应力状态，加载过程中的应力状态更易于分析。
对所公开的实施例的上述说明，仅为了使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种薄壁圆管双向应力试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在径厚比Rcp/t为30的薄壁圆管试样(1)的两端内侧分别加工内螺纹(101)，在与试样连接的密封夹头(2)的两端外侧分别加工外螺纹(201)；
(2)将薄壁圆管试样(1)与密封夹头(2)通过螺纹紧密连接，并在连接处设置密封圈(3)，然后将连接好的薄壁圆管试样(1)与密封夹头(2)放置在轴向加载系统(4)上，并通过耐高压胶管(5)将液压加载系统(6)与薄壁圆管试样(1)相连；
(3)液压加载系统(6)对薄壁圆管试样(1)进行周向压力加载，先手动旋转调节手轮控制液压加载压力，加载至一定压力后保持恒定，然后通过轴向加载系统(4)对薄壁圆管试样(1)进行轴向压力加载，从而实现双向应力加载；
(4)通过实时液压压力和轴向拉伸载荷计算薄壁圆管上试样受力状态：
Figure FDA0002239062500000012
式中：σθ—周向应力、σr—径向应力、σz—轴向应力，K＝R0/Ri，R0—薄壁圆管试样外半径，Ri—薄壁圆管试样内半径，R—实际半径，P—液压压力，F—轴向拉伸力，D—薄壁圆管试样外径，d—薄壁圆管试样内径，t—薄壁圆管试样壁厚；
薄壁圆管试样的管壁上的应力状态如式(1)所，处于三向受力状态；由式(2)可知，径向应力σr与试样的径厚比Rcp/t呈反比，试样的径厚比越大，径向应力σr相对周向应力σθ的值越小，当试样的径厚比Rcp/t增大到一定值至30时，σr远小于σθ，σr＝3.3％σθ≈0，可忽略σr的影响，此时可认为圆管试样管壁处于均匀的两向应力状态，根据式(3)计算出轴向应力σz和周向应力σθ。
2.如权利要求1所述的一种薄壁圆管双向应力试验方法，其特征在于，所述轴向加载系统(4)为拉伸试验机。
3.如权利要求1所述的一种薄壁圆管双向应力试验方法，其特征在于，所述液压加载系统(6)为液压泵。
4.如权利要求1所述的一种薄壁圆管双向应力试验方法的制备方法，其特征在于，所述液压加载系统(6)中用作内压加载的介质为液态介质。
5.如权利要求1所述的一种薄壁圆管双向应力试验方法的制备方法，其特征在于，所述液压加载系统(6)的最大工作压力为25MPa。
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