CN111307567B - 脆性材料动态拉剪力学参数测试组件及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脆性材料动态拉剪力学参数测试组件及测试方法，该试件组件包括斜圆柱体试件本体及试件夹具，试件夹具包括一端具有环盘的入射杆、透射杆以及分别与入射杆、透射杆通过联接结构连接的入射杆接头、透射杆接头，试件本体固定夹持于入射杆接头和透射杆接头之间，入射杆和透射杆外表面还分别设置有应变片。该测试方法只需通过霍普金森拉杆装置的数据采集系统记录从通过撞击开始至试件破坏断裂整个过程的入射应变、反射应变和透射应变，即可计算出脆性材料动态加载过程中的拉伸应力和剪切应力等力学参数，从而为脆性材料力学性能研究提供有效数据支持，因此具有很强的实用性。
Description
技术领域
本发明属于材料力学性能测试技术领域，具体涉及一种脆性材料动态拉剪力学参数测试组件及测试方法。
背景技术
在土木、水利、机械、交通、矿业、航空航天等工程领域中，混凝土、岩石、陶瓷等脆性材料会受到冲击或爆炸荷载等动态荷载的作用。动态荷载作用下材料的力学行为和其在静态荷载下力学行为有很大差异，并且由于工程构件受力状况十分复杂，材料常常处于拉伸、压缩和剪切的复合应力状态。对于脆性材料而言，其通常具有较高的抗压强度，而对拉伸和剪切荷载的承载能力较差，在实际工况中往往承受拉伸-剪切复合作用时发生破坏，因此研究脆性材料在动态压-剪复合加载下的承载力对相关工程结构的安全防护设计有重要意义。
专利CN108956333A公开了一种动态拉剪加载试验装置及动态拉剪试验系统，该加载装置采用两个相对称的半圆形的加载盘配合霍普金森拉杆装置对夹在中间的对顶锥状的泡沫材料实现拉剪加载。但是，该试验装置对于脆性材料的动态拉剪承载力测试存在以下不足：(1)该试件构型为对顶锥状，此构型对混凝土和岩石等脆性材料而言加工十分不易，容易给试件造成额外损伤，影响测试结果精度，实用性较差；(2)未说明试验后如何计算拉伸与荷剪切荷载比，因此并不完备；(3)该试验装置结构复杂，制造不易。
发明内容
针对上述现有脆性材料动态拉剪承载力测试试验装置结构复杂、制造难度大、实用性差的问题，本发明的目的旨在提供一种结构简单、易于制造的脆性材料动态拉剪力学参数测试组件，以便于实现对脆性材料动态拉剪承载力测试。
本发明的另一目的是提供一种利用上述测试组件进行脆性材料动态拉剪力学参数测试的方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的脆性材料动态拉剪力学参数测试组件，其技术方案的构成包括，呈斜圆柱体结构的试件本体以及用于夹持试件本体的试件夹具，所述试件本体的圆柱体倾斜角θ根据所需要达到的拉伸剪切荷载配比来设定；所述试件夹具包括入射杆、透射杆、入射杆接头和透射杆接头，入射杆与入射杆接头、透射杆与透射杆接头均通过联接结构连接，所述入射杆上设置有承受冲击子弹冲击的环盘，入射杆、入射杆接头、透射杆和透射杆接头材质相同，且具有相同的横截面积，试件本体固定夹持于入射杆接头和透射杆接头之间，所述入射杆和透射杆外表面还分别设置有应变片。本发明，将试件本体加工为斜圆柱体，这样所述斜圆柱体倾斜角θ即为斜圆柱轴线与底面垂线的夹角。经研究发现，此时试件本体所受正应力相对于该角度的正切值即为试件本体所受的剪切力，继而可以通过该夹角来确定拉伸剪切荷载配比；因此，在加工试件本体时，可以根据所待测脆性材料所需要达到的拉伸剪切荷载配比来设计试件本体倾斜角度。所述入射杆和透射杆外表面还分别设置有用于试验过程中记录应变信息的应变片，应变片通过信息传输线将记录的应变信息传输至数据采集系统中。
上述脆性材料动态拉剪力学参数测试组件，连接入射杆与入射杆接头之间的连接，连接透射杆与透射杆接头之间的连接，均优先选用卡套结构连接，卡套结构均由于一连接侧所设计的卡接套和于另一连接侧所设计的与卡接套适配的卡接头构成，卡接套内壁面设计有2～6个均匀分布的卡接槽，卡接槽由轴向槽和与轴向槽相接的环向槽构成，整体呈“L”形，卡接头设计有2～6个均匀分布的与卡接槽适配的凸键。构成卡套结构的卡接套内壁面优选设计4个对称分布的卡接槽，卡接头优选设计4个对称分布的与卡接槽适配的凸键。入射杆与入射杆接头之间的卡套结构优选由入射杆连接端所设计的卡接套和入射杆接头连接端所设计的卡接头构成。透射杆与透射杆接头之间的卡套结构优选由透射杆连接端所设计的卡接套和透射杆接头连接端所设计的卡接头构成。所述卡接头凸键上还设置有生料带，以使凸键与凹槽连接紧固，消除凸键与凹槽连接处导致的波形震荡。
上述脆性材料动态拉剪力学参数测试组件，试件本体通过胶粘剂固定粘接于入射杆接头和透射杆接头之间。胶粘剂采用本领域常用胶粘剂即可，无特殊要求，胶粘剂的用量也为常规用量。使用胶粘剂粘接试件本体为本领域常用方式，易于操作。
本发明进一步提供了一种利用上述脆性材料动态拉剪力学参数测试组件进行动态拉剪力学参数测试方法，利用子弹发射装置发射的子弹撞击试样组件来获取试件本体自撞击开始至试件本体破坏断裂过程中的拉剪力学参数动态变化，具体包括以下步骤：
(1)组装测试组件：
调整入射杆与透射杆的水平度和同轴度，使入射杆和透射杆的轴线位于同一水平轴线上；将脆性材料试件本体固定夹持于入射杆接头和透射杆接头之间；将入射杆接头和透射杆接头分别与入射杆和透射杆相连接；
(2)进行撞击试验
启动子弹发射装置，使其发射的管状子弹沿试样组件轴向穿过透射杆及入射杆并撞击入射杆端部的环盘，应变片实时采集撞击开始至试件本体破坏断裂过程中的入射应变历史εi(t)、反射应变历史εr(t)和透射应变历史εt(t)；
(3)获取动态拉剪力学参数
(31)获取试件本体两端所受动态加载力
根据一维应力波理论，依据公式(I)计算得到试件本体入射端的动态加载力P1(t)和透射端的动态加载力P2(t)：
式中，E和A分别为入射杆和透射杆的弹性模量及横截面积，εi(t)和εr(t)为入射杆上应变片测得的入射应变历史和反射应变历史，εt(t)为透射杆上应变片测得的透射应变历史；值得说明的是，从理论上来说，入射杆和透射杆的横截面积/弹性模量不相同也可以达到同样的技术效果，但在本领域中入射杆和透射杆的横截面积/弹性模量通常采用一致数据，因此本发明中入射杆和透射杆的弹性模量及横截面积完全相同；
(32)获取试件本体所受正应力
当试件本体两端达到平衡状态，即入射端P1(t)和透射端P2(t)的动态加载力相等，则可依据公式(II)计算得到试件本体的正应力随时间的变化：
式中As为试件本体的横截面积；
(33)获取试件本体端面所受剪应力
由公式(III)计算得到试件本体端面的剪应力τ(t)随时间的变化：
τ(t)＝σ(t)tanθ (III)
式中，θ为试件本体的倾斜角度；
(34)获取试件本体所受拉剪承载力
当试件本体两端所受加载力达到峰值荷载时，试件本体发生断裂破坏，峰值荷载Pmax即为试件的拉剪承载力。
上述用于脆性材料动态拉剪力学参数测试方法，所述子弹发射装置优选为霍普金森拉杆系统子弹发射装置。
上述用于脆性材料动态拉剪力学参数测试方法，在加载过程中，试件本体两端首先达到力平衡状态，然后在力平衡状态下，P1(t)和P2(t)继续上升直至达到峰值载荷，在峰值载荷时试件本体发生断裂破坏。实际工程中所需正应力数据和剪应力数据为峰值载荷下所计算得到的数据。通过获取的试件本体所受拉剪承载力可以反映出脆性材料的抗拉剪能力。
本发明提供的脆性材料动态拉剪力学参数测试组件及测试方法具有以下有益效果：
(1)本发明的测试组件由斜圆柱体试件本体和试件夹具组成，试件本体可由正圆柱体脆性材料经过简单切割后得到，试件本体制作方式简单，不同拉伸-剪切比的动态加载只需由不同倾斜角度的斜圆柱试件实现；
(2)本发明中试件本体为斜圆柱体，其倾斜角能够确定拉伸剪切荷载配比，因此不必改变试验夹具的结构达到测试试件拉剪力学性能的目的，有效简化了拉剪力学性能测试；
(3)本发明中的试验夹具由入射杆、透射杆、入射杆接头及透射杆接头构成，结构简单，对于任何斜圆柱试件，试验夹具装置均无需改变构型，且可配置多组入射杆接头和透射杆接头，如此可减少多组试样试验时等待胶粘干固时间，有效提高了实验效率；
(4)本发明中的入射杆与入射杆接头、透射杆与透射杆接头采用键连接，连接可靠，易于拆卸，且不会造成连接应变片的信息传输线的缠绕于入射杆/透射杆上；
(5)本发明提供的测试方法，只需通过霍普金森拉杆装置的数据采集系统记录从通过撞击开始至试件破坏断裂整个过程的入射应变、反射应变和透射应变，即可计算出脆性材料动态加载过程中的拉伸应力和剪切应力等力学参数，且通过改变冲击杆的撞击速度，可得到宽范围的高加载率条件下的脆性材料动态拉剪承载力，从而为脆性材料力学性能研究提供有效数据支持，因此具有很强的实用性。
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，以下将对实施例或现有技术描述中所涉及的附图作简单的介绍。显而易见地，以下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而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。
图1是本发明脆性材料动态拉剪力学参数测试组件的结构示意图；
图2是本发明中试件本体的结构示意图；
图3是本发明中入射杆的结构示意图；
图4是本发明中入射杆的右视图及剖视图，其中(a)为右视图，(b)为图(a)沿A-A方向的剖视图；
图5是本发明中入射杆接头的结构示意图；
图6是本发明中透射杆接头的结构示意图；
图7是本发明中透射杆的结构示意图。
附图标记说明：1、入射杆；1-1、第一卡接槽；1-2、第二卡接槽；1-3、第三卡接槽；1-4、第四卡接槽；1-5、环盘；2、入射杆接头；2-1、第一凸键；2-2、第二凸键；2-3、第三凸键；2-4、第四凸键；3、试件本体；4、透射杆接头；4-1、第五凸键；4-2、第六凸键；4-3、第七凸键；4-4、第八凸键；5、透射杆；5-1、第五卡接槽；5-2、第六L行凹槽；5-3、第七卡接槽；5-4、第八卡接槽；6、应变片；7、管状子弹。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
如图1所示，本发明提供的脆性材料动态拉剪力学参数测试组件，包括待测试的脆性材料试件本体3以及用于夹持试件本体3的试件夹具。
如图2所示，试件本体3为斜圆柱体，其倾斜角度为θ，即斜圆柱轴线与底面垂线的夹角。试件本体3可由正圆柱体脆性材料经过简单切割后得到，制作方式极为简单。试件本体3的具体尺寸和倾斜角度无特殊要求，可以根据具体工程和实验需求进行合理设计。在本实施例中，试件本体3长L为38mm，直径D为38mm，倾斜角度θ为3°。
如图3-7所示，试件夹具包括入射杆1、入射杆接头2、透射杆5以及透射杆接头4。入射杆1与入射杆接头2、透射杆5与透射杆接头4均通过卡套结构连接，卡套结构均由于一连接侧(入射杆/透射杆)所设计的卡接套和于另一连接侧(入射杆接头/透射杆接头)所设计的与卡接套适配的卡接头构成。
入射杆1直径为50mm，其一端具有一体成型的环盘1-5，另一端设计有卡接套，卡接套内壁设有直径为30mm、长度为60mm的圆形盲孔，孔内分布有卡接槽，卡接槽由轴向槽和与轴向槽相接的环向槽构成，整体呈“L”形。卡接槽深4mm，共有四个，包括依次间隔90°分布的第一卡接槽1-1、第二卡接槽1-2、第三卡接槽1-3以及第四卡接槽1-4。入射杆接头2包括一体成型的接头端(即与入射杆相连接的一端，其设计有卡接头)与夹持端(即用于夹持试件本体3的一端)。入射杆接头2的卡接头直径为30mm、长为60mm，分布有与卡接槽相匹配的四个凸键，凸键长30mm、高4mm，包括依次间隔90°分布的第一凸键2-1、第二凸键2-2、第三凸键2-3以及第四凸键2-4；入射杆接头2的夹持端直径为50mm，长为40mm。使用时，将入射杆接头2卡接头部分设计的凸键对准入射杆1卡接套设计的卡接槽推至底部，并顺时针旋转，使得凸键进入卡接槽的锁固处，入射杆1与入射杆接头2间将具有抗拉能力。
透射杆5直径为50mm，其一端设计有卡接套，卡接套内壁设置有直径为30mm、长度为60mm的圆形盲孔，孔内分布卡接槽，卡接槽由轴向槽和与轴向槽相接的环向槽构成，整体呈“L”形。卡接槽深4mm，共有四个，包括依次间隔90°分布的第五卡接槽5-1、第六卡接槽5-2、第七卡接槽5-3以及第八卡接槽5-4。透射杆接头4包括一体成型的接头端(即与透射杆相连接的一端，其设计有卡接头)与夹持端(即用于夹持试件本体3的一端)。透射杆接头4的卡接头直径为30mm、长为60mm，分布有与卡接槽相匹配的四个凸键，凸键长30mm、高4mm，包括依次间隔90°分布的第五凸键4-1、第六凸键4-2、第七凸键4-3以及第八凸键4-4；透射杆接头4的夹持端直径为50mm，长为40mm。使用时，将透射杆接头4卡接头部分设计的凸键对准透射杆5卡接套设计的卡接槽推至底部，并逆时针旋转，使得凸键进入卡接槽的锁固处，透射杆5与透射杆接头4间将具有抗拉能力。
入射杆1和透射杆5外表面中部位置还均粘贴有应变片6，应变片6通过信息传输线将记录的应变信息传输至数据采集系统中。试件本体3通过胶粘剂粘接于入射杆接头2和透射杆接头4之间。试件本体3两端面边缘不超出入射杆接头2/透射杆接头4端面边缘。
值得注意的是，可拆卸连接不限于本实施例中的槽键连接，也可以采用螺纹等连接方式。本实施例中的槽键连接方式拆卸更为简单，且不会因旋转造成连接应变片6的信息传输线缠绕于入射杆1或透射杆5上。此外，凸键和卡接槽的数量并无特殊限制，可以根据实际需求进行合理增减。进一步地，当需要同时做多组实验时，只需将多组试样分别粘接夹持于多组入射杆接头2和透射杆接头4之间，待一组实验做完后，更换另一组试样即可。如此极大地节省了等待粘合剂干固粘牢的时间(通常粘合剂都需至少数小时才会干透)，有效提高了实验效率。
本实施例进一步提供了一种利用上述脆性材料动态拉剪力学参数测试组件进行动态拉剪力学参数测试方法，包括以下步骤：
(1)组装测试组件：
调整入射杆1与透射杆5的水平度和同轴度，使入射杆1和透射杆5的轴线位于同一水平轴线上；在脆性材料试件本体3两端面涂抹胶粘剂，并夹持于入射杆接头2与透射杆接头4之间，确保粘接牢固；将入射杆接头2的凸键插入入射杆1的卡接槽，并顺时针旋转使得凸键进入卡接槽的锁固处，入射杆1与入射杆接头2将具有纵向抗拉能力；推动透射杆5向透射杆接头4运动，使得透射杆接头4的凸键进入透射杆5的卡接槽，逆时针旋转透射杆5使得凸键进入卡接槽的锁固处，透射杆5与透射杆接头4键将具有纵向抗拉能力；为了消除凸键与凹槽连接处导致的波形震荡，在凸键处还设置生料带使凸键与凹槽连接固紧。
(2)进行撞击试验
启动霍普金森拉杆系统子弹发射装置，使其发射的管状子弹7沿试样组件轴向穿过透射杆5及入射杆1并撞击入射杆1端部的环盘1-5，拉伸应力波通过入射杆1、入射杆接头2作用在试件本体3上，应力波在试件本体3上多次反射、透射后在试样本体两端达到动力平衡状态，粘贴于入射杆1和透射杆5上的应变片6实时采集撞击开始至试件本体3破坏断裂过程中的入射应变历史εi(t)、反射应变历史εr(t)和透射应变历史εt(t)。
(3)获取动态拉剪力学参数
(31)获取试件本体3两端所受动态加载力
根据一维应力波理论，依据公式(I)计算得到试件本体3入射端的动态加载力P1(t)和透射端的动态加载力P2(t)的动态加载力：
式中，E和A分别为入射杆1和透射杆5的弹性模量及横截面积，εi(t)和εr(t)为入射杆1上应变片6测得的入射应变历史和反射应变历史，εt(t)为透射杆5上应变片6测得的透射应变历史。εi(t)、εr(t)和εt(t)从数据采集系统中直接读取即可。
(32)获取试件本体3所受正应力
当试件本体3两端达到平衡状态，即入射端P1(t)和透射端P2(t)的动态加载力相等，则可依据公式(II)计算得到试件本体3的正应力随时间的变化：
式中As为试件本体3的横截面积；
(33)获取试件本体端面所受剪应力
由公式(III)计算得到试件本体3端面的剪应力τ(t)随时间的变化：
τ(t)＝σ(t)tanθ (III)
式中，θ为试件本体3的倾斜角度；
(34)获取试件本体3所受拉剪承载力
当试件本体3两端所受加载力达到峰值荷载时，试件本体3发生断裂破坏，峰值荷载Pmax即为试件的拉剪承载力。
综上所述，本发明提供的脆性材料动态拉剪力学参数测试组件，结构简单，试件本体3制作方式简单，不同拉伸-剪切比的动态加载只需由不同倾斜角度的斜圆柱试件实现；对于任何斜圆柱试件，试验夹具装置均无需改变构型，实用性强；且可配置多个入射杆接头和透射杆接头，提高实验效率。
本发明提供的脆性材料动态拉剪力学参数的测试方法，只需通过霍普金森拉杆装置的数据采集系统记录从通过撞击开始至试件破坏断裂整个过程的入射应变、反射应变和透射应变，即可计算出脆性材料动态加载过程中的拉伸应力和剪切应力等力学参数，且通过改变冲击杆的撞击速度，可得到宽范围的高加载率条件下的脆性材料动态拉剪承载力，具有很强的实用性。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种脆性材料动态拉剪力学参数测试组件，其特征在于：包括呈斜圆柱体结构的试件本体(3)以及用于夹持试件本体(3)的试件夹具，所述试件本体的圆柱体倾斜角θ根据所需要达到的拉伸剪切荷载配比来设定；所述试件夹具包括入射杆(1)、透射杆(5)、入射杆接头(2)和透射杆接头(4)，入射杆(1)与入射杆接头(2)、透射杆(5)与透射杆接头均通过卡套联接结构连接，所述入射杆(1)上设置有承受冲击子弹冲击的环盘(1-5)，入射杆(1)、入射杆接头(2)、透射杆(5)和透射杆接头(4)材质相同，且具有相同的横截面积，试件本体(3)固定夹持于入射杆接头(2)和透射杆接头(4)之间，所述入射杆(1)和透射杆(5)外表面还分别设置有应变片(6)；所述卡套联接结构由于一连接侧所设计的卡接套和于另一连接侧所设计的与卡接套适配的卡接头构成，卡接套内壁面设计有2～6个均匀分布的卡接槽，卡接槽由轴向槽和与轴向槽相接的环向槽构成，整体呈“L”形，卡接头设计有2～6个均匀分布的与卡接槽适配的凸键。
2.根据权利要求1所述的脆性材料动态拉剪力学参数测试组件，其特征在于：构成卡套联接结构的卡接套内壁面设计有4个对称分布的卡接槽，卡接头设计有4个对称分布的与卡接槽适配的凸键。
3.根据权利要求2所述的脆性材料动态拉剪力学参数测试组件，其特征在于：入射杆(1)与入射杆接头(2)之间的卡套联接结构由入射杆连接端所设计的卡接套和入射杆接头连接端所设计的卡接头构成。
4.根据权利要求2所述的脆性材料动态拉剪力学参数测试组件，其特征在于：透射杆(5)与透射杆接头(4)之间的卡套联接结构由透射杆连接端所设计的卡接套和透射杆接头连接端所设计的卡接头构成。
5.根据权利要求2所述的脆性材料动态拉剪力学参数测试组件，其特征在于：卡接头凸键上设置有生料带。
6.根据权利要求1-5任一所述的脆性材料动态拉剪力学参数测试组件，其特征在于：入射杆(1)上承受冲击子弹冲击的环盘(1-5)位于与连接端相对的另一端。
7.根据权利要求1-5任一所述的脆性材料动态拉剪力学参数测试组件，其特征在于：试件本体(3)通过胶粘剂固定粘接于入射杆接头(2)和透射杆接头(4)之间。
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