CN111781060A - 一种防屈曲夹持装置和试样及其装配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种防屈曲夹持装置，该装置包括外夹板、内夹板、弹簧压板、螺旋弹簧、螺栓和螺母，所述的外夹板上布置了外状态凹陷部、左观测凹陷部和右观测凹陷部，所述的内夹板上布置了外状态凹陷部，同时，公布了本发明的防屈曲夹持装置的装配方法，并设计了与该夹持装置相匹配的试样，本发明还公开了该防屈曲夹持装置摩擦效应的消除方法。通过本发明的防屈曲夹持装置和试样及其装配方法，可以提升单轴压缩试验变形测量的范围、降低试验成本，且装置简单易操作，同时，通过本发明获取的试验数据将颠覆对包申格效应的传统认知，扩展对材料进行科学研究的深度，因此，本发明具有重要的理论与工程实践意义。

Description

一种防屈曲夹持装置和试样及其装配方法
技术领域
本发明涉及材料力学性能测试，特别是金属材料的单轴压缩力学性能测试，具体是一种防屈曲夹持装置和试样及其装配方法。
背景技术
金属薄板，特别是钢板和铝板作为一种重要的原材料，已经广泛应用于汽车车身及覆盖件的制造，为了保证材料的可靠性和生产的一致性，原材料供应商和主机厂对金属薄板的各种力学性能需要进行充分的论证和研究，其中，经典的试验是单轴拉伸试验，与之相对的单轴压缩试验，由于受到试验条件的限制而远没有单轴拉伸试验普及，而处于研究阶段。
目前，涉及单轴压缩试验的主要包含两类：一是，金属薄板的拉压疲劳试验；二是，研究材料包申格效应的拉伸-卸载-压缩试验，简称T-C试验。为了防止薄板试样在压缩过程中出现屈曲失稳而导致试验失败，在薄板试样两侧增加防屈曲装置是必要的。防屈曲装置大致可分为两大类：“侧向载荷不可测量”的刚性夹持防屈曲装置和“侧向载荷可测量”的防屈曲夹持装置。
“侧向载荷不可测量”的刚性夹持防屈曲装置主要用于金属薄板的疲劳试验，GBT26077-2010《金属材料疲劳试验轴向应变控制方法》对厚度小于2.5mm的薄板需要采用防屈曲装置以防止试样出现屈曲失稳影响试验结果，给出了夹持装置的示意图，试样被一对夹持钢板通过螺栓直接拧紧连接，并详细规定了试验方法。由于该夹持装置侧向载荷不可知，必然导致摩擦力不可知，只能选择忽略，在大变形条件下，显然是不能被忽略的。但是，在疲劳载荷条件下，试样的拉压变形非常小，试样和夹持装置的相对运动一般可忽略，因此，由摩擦效应(Friction Effect)导致的试验误差一般是可控的和可接受的。
“侧向载荷可测量”的防屈曲夹持装置主要用于金属薄板的包申格效应(Bauschinger Effect)的研究，包申格效应是指金属材料经过预先加载产生塑性变形，卸载后反向加载，屈服强度降低的现象。这一现象在1886年由德国工程师Bauschinger首先发现，并被以其名命名，简称为BE(Bauschinger effect)。随着汽车产业的发展，汽车车身金属用材种类越来越多，且都是薄板，因此，研究金属薄板的包申格效应对零件的冲压成形就显得越来越重要。
传统文献对包申格效应的研究成果，通常是在轴向拉压试验条件下进行的，存在两种加载方式：先拉伸-卸载-后压缩，或先压缩-卸载-后拉伸，即T-C加载或C-T加载。由于供应商提供给主机厂的原材料是钢卷或铝卷，只能制作薄板的拉伸试样，若直接用于单轴压缩试验，则容易在厚度方向产生屈曲失稳，R.K.Boger报道了“T-buckling，L-buckling，W-buckling”等屈曲失稳模式【R.K.Boger，R.H.Wagoner，Continuous，large strain，tension/compression testing of sheet material，International Journal ofPlasticity 21(2005)2319–2343】，因而，导致单轴压缩试验失败。
目前，侧向载荷的控制与测量，主要存在两种方法：一是，弹簧系统；二是，液压系统。由于侧向载荷可测量，摩擦效应的影响可以定量评估，与“侧向载荷不可测量”的刚性夹持防屈曲装置相比，“侧向载荷可测量”的弹簧或液压系统防屈曲夹持装置，可研究的试样压缩变形程度更大，下面通过文献进行介绍。
F.Yoshida在2002年设计了一种拉压试验装置和方法【Fusahito Yoshida，Takeshi Uemori， Kenji Fujiwara，Elastic-plastic behavior of steel sheets underin-plane cyclic tension–compression at large strain，International Journal ofPlasticity 18(2002)633–659】，该系统由两部分构成，第一，叠片试样由多片相同的薄板试样粘接起来；第二，对叠片试样两侧施加夹持钢板，钢板由四个螺栓和弹簧进行连接，夹持力通过弹簧压缩施加，位移则通过引伸计在叠片试样侧面测量。
H.Huh在2011年设计了一种防屈曲夹持装置【G.H.Bae&H.Huh，Tension/compression test of auto-body steel sheets with the variation of the pre-strain and the strain rate，WIT Transactions on Engineering Sciences，Vol 72，2011】，该夹持装置主要由四块四边形钢板、两块H型钢板、八个弹簧和螺栓组成，在试样两侧对称布置，夹持力通过弹簧压缩施加，位移测量通过DIC非接触测量系统在试样侧面测量。
A.M.Beese在2011年设计了一种防屈曲的夹持装置【Allison M.Beese，DirkMohr，Effect of stress triaxiality and Lode angle on the kinetics of strain-induced austenite-to-martensite transformation，Acta Materialia 59(2011)2589–2600】，该装置由三块钢板和14个螺旋弹簧和螺栓组成，弹簧布置在试样的一侧，夹持力通过弹簧压缩施加，同时，在弹簧布置的另一侧的钢板上开一个位移测量观测孔，可通过DIC非接触测量系统测量标距的长度变化。
R.K.Boger在2005年设计了一种防屈曲的夹持装置【R.K.Boger，R.H.Wagoner，Continuous，large strain，tension/compression testing of sheet material，International Journal of Plasticity 21(2005)2319–2343】，与弹簧提供夹持力不同，该装置是通过一套液压系统对试样施加侧向载荷，位移则通过引伸计或DIC非接触测量系统在试验试样侧面测量，其优点是侧向载荷可以精确控制，缺点是该系统的设备成本较高。
以上文献中涉及两大类单轴压缩试验的防屈曲装置，其共同点是仅解决了厚度方向的防屈曲失效的问题，若要拓展材料研究的科学深度、达成更进一步的试验目的，还存在以下四个核心技术问题必须予以考虑，即现有技术的不足：
第一，宽度方向屈曲失稳。尽管文献中的防屈曲夹持装置非常好的解决了厚度方向屈曲失稳的问题，但是，在出现“局部颈胀”(与单轴拉伸中局部颈缩相对的概念)的大变形条件下，试样在宽度方向可能发生屈曲失稳，Simha报道了该屈曲失稳模式【Simha，Modelling Springback of Bent Hydroformed Dual-Phase Steel Tubes，GDIS2016】，产生宽度方向屈曲失稳的主要原因是试样的不合理设计，比如试样夹持端的距离过大、试样的长宽比过大等。
第二，单轴压缩状态。由于试样的两侧或单侧受到侧向力，导致标距区域不是单轴压缩状态，更准确的说是双轴状态或产生了双轴效应(Biaxial Effect)，而理论上要求是严格的单轴压缩状态。
面对此问题，一般的处理方式是以不同的理由选择忽略双轴效应，如A.M.Beese认为“与试样中的轴向应力(约800MPa)相比，施加的侧向应力非常小(约3MPa)，因此，在处理试验结果时，忽略其对材料响应的影响。”【Allison M.Beese，Dirk Mohr，Effect ofstress triaxiality and Lode angle on the kinetics of strain-inducedaustenite-to-martensite transformation， Acta Materialia 59(2011)2589–2600】，Y.Chang也持类似的观点“在支撑板与试样之间嵌入聚四氟乙烯薄膜，使试样厚度增加，避免横向平面应变状态，从而可以忽略双轴效应。”【Y.Chang，B.T.Wang，A new continuoustensile-compressive testing device with friction counteracting and anti-buckling supporting mechanism for large strain，Journal of MaterialsProcessing Tech，2020】，该方法在小变形条件下由其合理性，由于侧向载荷作用在试件上的区域较大，侧向的压应力相对于拉应力是可以忽略的。
但是，在大变形条件下，仅在试件的局部区域厚度将会增加(其它地方由于厚度不变而逐步与夹板脱离接触)，特别是在标距较小、变形越大的情况下，该局部区域将会越小，从而使得所有的侧向载荷将只作用于该局部区域，因此，侧向的压应力将显著增大而不能被忽略掉。
总而言之，一般的处理方式是以不同的理由选择忽略双轴效应，现有的防屈曲装置并没有从技术上解决此问题，而是从数学上选择了忽略。
第三，摩擦效应。由于摩擦效应的存在，限制试样发生侧向屈曲的侧向力会产生压缩方向的摩擦力，从而，增大压缩方向测量的压缩载荷，会显著影响材料压缩力学性能，因此，由摩擦增加的压缩载荷，即摩擦力必须要从实际测量的压缩载荷中消除。在现有文献中，计算摩擦力的方法是通过测定试样与夹持系统的摩擦系数和侧向载荷来计算，后者可以较精确的测定，但前者具有很大的不确定，不同材料的试样摩擦系数并不相同，R.K.Boger详细说明了消除摩擦的压缩载荷的修正方法【R.K.Boger，R.H.Wagoner，Continuous，large strain， tension/compression testing of sheet material，International Journal of Plasticity 21(2005)2319– 2343】，该方法需要测量摩擦系数和侧向载荷，因此，对摩擦效应的处理增加了单轴压缩试验的复杂性和不确定性。
第四，“局部颈胀”。仅局限于在“均匀颈胀”(与单轴拉伸中均匀颈缩相对的概念)的变形条件下，由于均匀变形，无需测量截面积变化，也可以对材料进行包申格效应的研究。但是，在出现“局部颈胀”的条件下，由于试样有效标距内已经不是均匀变形了，试样横截面积发生了较大的不均匀变化，是需要实时测量的，而现有的防屈曲装置导致试样的横截面变化无法实时测量，导致“局部颈胀”变形条件下的真实应力不能精确计算，一般会使得真实应力的计算结果显著偏大，因此，现有的测试技术均不能测试材料的全历程压缩力学性能曲线。
本申请的发明人通过系统的深入的研究发现，产生以上防屈曲装置存在不足的根本原因是：防屈曲夹持装置与试样没有作为一个整体设计进行统一考虑。一个成功的单轴压缩试验，试样的设计也是一个很重要的因素，试样的设计至少需要考虑以下三个因素：
第一，防止试样两端裸露部分发生屈曲失效。试样两端被拉伸试验机夹持，中间被防屈曲装置夹持，若材料强度较低，试样的夹持宽度与平行部宽度差异较小，或试样裸露部分的长度较大，在试样两端裸露部分可能发生屈曲失效的可能性是较大的。
第二，试样与夹持装置能够实现自动对中。单轴拉伸或压缩下的材料失效始于试样的中轴线，由于需要通过夹板开孔测量标距的变形量，只有当夹板的中轴线和试样的中轴线重合时，才能不需要额外的手段，可以自动确定中轴线。
第三，试样夹持端侧向位移约束。当试样进入“局部颈胀”变形阶段后，发生宽度方向的屈曲失效的风险极大的增加，主要原因是试样的夹持宽度与平行部宽度差异较小，试样在拉伸试验机上的两夹持端距离较大。
因此，防屈曲夹持装置与试样应该作为一个设计整体进行统一考虑。
此外，现有的技术对摩擦效应的处理均需要测量摩擦系数和侧向载荷，且不同的材料摩擦系数并不相同，因此，对摩擦效应的处理对后续试验数据处理的影响存在不确定性。
由于现有技术中存在以上各种不足，限制了对材料本身更深入的认识，限制了在工程上的进一步应用，特别是对具有很强的拉压不对称的铝镁合金等轻质金属材料，并且确定薄板材料的压缩力学性能在理论和试验上存在双层挑战，因此，开发材料的全历程单轴压缩测试装置及其应用方法至关重要。
发明内容
1、本发明解决的技术问题
针对现有技术中的不足，设计了一种防屈曲夹持装置和试样及其装配方法，可以避免宽度方向屈曲失稳、确保单轴压缩状态、消除摩擦效应的影响、精确测量横截面积，本发明通过解决以上技术问题，在严格满足理论要求的前提下，可以科学的测量和计算材料的全历程压缩力学性能曲线，因此，采用本发明的防屈曲夹持装置和试样及其装配方法，可以实现不同变形程度下的拉压疲劳加载试验、T-C&C-T加载及其循环加载试验和单轴压缩试验，突破了传统装置和方法的局限性。
2、本发明的技术方案
为了实现本发明所要解决的技术问题的目的，本发明提供了一种防屈曲夹持装置，包括外夹板、内夹板、弹簧压板、螺旋弹簧、螺栓和螺母，外夹板、内夹板及弹簧压板布置有若干螺栓孔，螺栓依次穿经外夹板、内夹板、弹簧压板上的螺栓孔，外夹板与内夹板用于夹持试样，内夹板与弹簧压板用于夹持螺旋弹簧，螺栓套设于螺旋弹簧之中，螺栓的尾端从弹簧压板的螺栓孔穿出后使用螺母锁紧，其特征在于：
所述的外夹板，在平行于单轴压缩方向上布置有一个外状态凹陷部；
所述的内夹板，在平行于单轴压缩方向上布置有一个内状态凹陷部；
所述的外状态凹陷部和内状态凹陷部，两者大小、形状均相同，且外夹板与内夹板夹持试样后，两者位置对应或位置重合。
进一步的，所述的防屈曲夹持装置，其特征在于：所述的外夹板，在位于外状态凹陷部的两侧布置有左观测凹陷部和右观测凹陷部。
进一步的，所述的防屈曲夹持装置，其特征在于：所述的外夹板、内夹板和弹簧压板，三者的长度、宽度和厚度均相同，且布置有螺栓孔，数量为4个，且对称布置于四角处。
进一步的，所述的防屈曲夹持装置，其特征在于：所述的外状态凹陷部和内状态凹陷部，其形状为“长方形”或“中间为长方形两端为半圆”，且布置在外夹板和内夹板的正中间，即外状态凹陷部的平面几何中心与外夹板的平面几何中心重合，内状态凹陷部的平面几何中心与内夹板的平面几何中心重合。
进一步的，所述的防屈曲夹持装置，其特征在于：所述的左观测凹陷部和右观测凹陷部，平行于外状态凹陷部布置，其大小、形状、平面几何中心水平位置与外状态凹陷部一致，且左观测凹陷部和右观测凹陷部分别与外状态凹陷部的水平间距相等。
进一步的，所述的防屈曲夹持装置，其特征在于：所述的外夹板、内夹板和弹簧压板，三者的材质，或者均为金属材料，或者均为透明的有机玻璃材料；所述的外夹板上布置的外状态凹陷部、左观测凹陷部和右观测凹陷部为穿透孔；所述的内夹板上布置的内状态凹陷部为穿透孔。
进一步的，所述的防屈曲夹持装置，其特征在于：所述的外夹板、内夹板和弹簧压板，三者的材质均为透明的有机玻璃材料；所述的外夹板上布置的外状态凹陷部、左观测凹陷部和右观测凹陷部为不贯穿的凹槽；所述的内夹板上布置的内状态凹陷部为不贯穿的凹槽。
一种与防屈曲夹持装置相匹配的试样，与所述的防屈曲夹持装置匹配使用，其特征在于：
所述的试样，包括夹持端、过渡区和标距段，其几何形状采用平面对称设计；
所述的夹持端，其宽度等于外夹板的宽度，且开设有螺栓缺口；
所述的标距段，其宽度等于左观测凹陷部和右观测凹陷部两中轴线的距离；
所述的螺栓缺口，其位置与外夹板上的螺栓孔相对应，且其宽度等于螺栓的直径。
一种防屈曲夹持装置的装配方法，其特征采用以上任一项所述的防屈曲夹持装置对试样进行装配，所述方法包括如下步骤：
第一步，向外夹板插入螺栓：将外夹板开有凹陷部的一侧朝上，向外夹板的每个螺栓孔插入螺栓，且螺栓朝上穿过螺栓孔；
第二步，布置试样：将试样放置在外夹板上，要求试样的压缩方向平行于外状态凹陷部的方向布置，螺栓被试样的缺口卡住，试样的平面几何中心与外状态凹陷部的平面几何中心重合；
第三步，插入内夹板：将内夹板开有内状态凹陷部的一侧朝下，然后将内夹板的螺栓孔对准螺栓插入，试样被外夹板和内夹板所夹持；
第四步，插入螺旋弹簧：在内夹板上，每个螺栓套入一个螺旋弹簧，螺旋弹簧位于内夹板之上；
第五步，插入弹簧压板：将弹簧压板的螺栓孔对准螺栓插入，螺旋弹簧位于弹簧压板之下；
第六步，拧入螺母：在弹簧压板上，将每个螺栓拧入螺母，要求每个螺母拧入的距离相等，以确保每个弹簧的压缩量相同，装配完成。
进一步的，所述的防屈曲夹持装置的装配方法，其特征在于：在第一步和第二步、第二步和第三步之间，分别布置聚四氟乙烯薄膜将外夹板与试样、内夹板与试样进行隔离，所述的聚四氟乙烯薄膜，其平面尺寸与外夹板的平面尺寸相同，且其上开孔位置、大小、数量与外夹板一致。
一种防屈曲夹持装置摩擦效应的消除方法，其特征采用以上任一项所述的防屈曲夹持装置和试件进行试验，所述方法包括如下步骤：
第一步，根据所述的防屈曲夹持装置的装配方法及与之相匹配的试样，准备两个相同的试样，使得一个试样的夹持装置的弹簧压缩量为△d1，另一个试样的夹持装置的弹簧压缩量为△d2；
第二步，采用相同的试验条件，对装配好的两种弹簧压缩量的试样，分别进行单轴压缩试验，测得两种装配条件下的压缩载荷分别为F1和F2；
第三步，采用下式计算单轴压缩试样的纯压缩载荷FC：
Figure RE-GDA0002630950320000071
将消除摩擦效应的纯压缩载荷FC用于单轴压缩试验的工程应力和真实应力的计算。
3、本发明的有益效果
本发明避免了现有技术的不足，相比现有的技术方案，其产生的有益效果主要体现在以下三个方面：
第一，本发明可以完成“均匀颈胀”变形条件下对材料的包申格效应研究，兼顾了传统的试验目的，同时，可以获取材料单轴压缩下的全历程力学性能曲线，或测量材料在“局部颈胀”下的材料力学性能，科学的评估材料是拉压对称，还是拉压不对称性，是对传统试验目标的超越。
第二，本发明可以通过试验测量确认材料的拉压不对称性或对称性，而不是事先假设材料的拉压对称作为研究的前提，因此，与传统的对包申格效应的理解相反，不是包申格效应导致了材料的拉压不对称，而是材料的拉压不对称性产生了包申格效应，颠覆了对包申格效应的传统认知，扩展了对材料进行科学研究的深度。
第三，本发明同时解决了单轴压缩试验在测试上的五大基础难题，分别是厚度方向屈曲失稳、宽度方向屈曲失稳、单轴压缩状态、局部颈胀和摩擦效应，因此，将显著提升试验测量数据的可靠性，降低试验成本，提升工程应用效果。
综上所述，通过本发明的防屈曲夹持装置的应用，可以实现现有技术实现不了的技术目标，且结构简单易操作、技术成本低，将促进单轴压缩试验的技术普及，因此，本发明具有重要的理论与工程实践意义。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明防屈曲装置其中一个方向的立体结构示意图；
图2是本发明防屈曲装置另一方向的立体结构示意图；
图3是本发明试验时夹持试件的结构示意图；
图4是图3的主视图；
图5是本发明的外夹板主视图；
图6是本发明的内夹板主视图；
图7是本发明的弹簧压板主视图；
图8是本发明的试样主视图；
图9(a)是本发明中外夹持板装配螺栓后的俯视图；
图9(b)是本发明中外夹持板装配螺栓后的侧视图；
图10(a)是本发明中第一次装配聚四氟乙烯薄膜后的俯视图；
图10(b)是本发明中第一次装配聚四氟乙烯薄膜后的侧视图；
图11(a)是本发明中装配试样后的俯视图；
图11(b)是本发明中装配试样后的侧视图；
图12(a)是本发明中第二次装配聚四氟乙烯薄膜后的俯视图；
图12(b)是本发明中第二次装配聚四氟乙烯薄膜后的侧视图；
图13(a)是本发明中装配内夹持板后的俯视图；
图13(b)是本发明中装配内夹持板后的侧视图；
图14(a)是本发明中装配螺旋弹簧后的俯视图；
图14(b)是本发明中装配螺旋弹簧后的侧视图；
图15(a)是本发明中装配弹簧压板后的俯视图；
图15(b)是本发明中装配弹簧压板后的侧视图；
图16(a)是本发明中装配螺母后的俯视图；
图16(b)是本发明中装配螺母后的侧视图；
图17是本发明中装配完后的试样可测量区域正视图。
图中：1—外夹板，2—内夹板，3—弹簧压板，4—螺栓，5—螺旋弹簧，6—螺母，7—螺栓孔，8—外状态凹陷部，9—左观测凹陷部，10—右观测凹陷部，11—内状态凹陷部，12—试样，13—聚四氟乙烯薄膜，14—外夹板中轴线，15—外夹板中心水平线，16—试样压缩方向中轴线，17—试样水平方向中轴线，18—外状态凹陷部测量区域，19—左观测凹陷部测量区域，20—右观测凹陷部测量区域，21—单轴压缩状态的有限体，22—夹持端，23—过渡区，24—标距段，25—螺栓缺口。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
请参阅图1-7，所示的防屈曲装置是本发明中的一个实施例，包括外夹板1、内夹板2、弹簧压板3、螺栓4、螺旋弹簧5和螺母6。螺栓4贯穿外夹板1、内夹板2、弹簧压板3的螺栓孔7，其中外夹板1与内夹板2之间夹持试样12(如图3所示)，内夹板2与弹簧压板3之间夹持螺旋弹簧5，具体方法是将螺旋弹簧5套入螺栓4，螺栓4的尾端从弹簧压板3的螺栓孔7穿出，使用螺母6锁紧(如图2所示)。
请进一步参阅图3，外夹板1和内夹板2的正中间分别开设有外状态凹陷部8(如图5所示) 和内状态凹陷部11(如图6所示)，外状态凹陷部8的中轴线与外夹板1的中轴线重合，内状态凹陷部11的中轴线与内夹板2的中轴线重合。
外夹板1的外状态凹陷部8的两侧对称开设有左观测凹陷部9和右观测凹陷部10，且试样12 两侧边缘刚好与左观测凹陷部9和右观测凹陷部10的中轴线重合，即试样标距段的宽度等于左观测凹陷部9和右观测凹陷部10两中轴线的距离，从而通过非接触测量技术或DIC(数字图像相关法)技术，可以实时测量“局部颈胀”引起的试样截面积变化，严格按柯西应力定义处理数据(应力应变概念由法国数学家柯西在1822年提出，柯西应力的原始定义是实时载荷F 比上实时截面积A)。
外夹板1、内夹板2及弹簧压板3在厚度方向对称布置有螺栓孔7，本实施例中每侧竖向开设有两个螺栓孔7，即每个板状件上开设有四个螺栓孔7，分别位于四角处，且外夹板1、内夹板2及弹簧压板3上螺栓孔7的位置对应，如图5、图6、图7所示。
由于试样布置在外夹板1和内夹板2之间，螺旋弹簧5布置在内夹板2和弹簧压板3之间，通过外状态凹陷部8可观测到试样12的中轴线，通过左观测凹陷部9和右观测凹陷部10可观测试样12两侧的边界，如图4所示。
所述外夹板1的外状态凹陷部8和内夹板2的内状态凹陷部11为长方形或中间为长方形两端为半圆，其平面几何中心、中轴线分别与外夹板1和内夹板2的平面几何中心、中轴线重合。
所述外夹板1布置的左观测凹陷部9和右观测凹陷部10，其大小、形状、平面几何中心水平位置与外状态凹陷部8一致，且左观测凹陷部9和右观测凹陷部10分别与外状态凹陷部8的水平间距相等。试样12的中轴线与外状态凹陷部8的中轴线重合。
所述的外夹板1、内夹板2、弹簧压板3，其长、宽和厚度均相同，材质均为钢板，或者，为减少装置弹簧侧的悬臂质量，可以将内夹板2和弹簧压板3改为铝板材质。
在另一实施例中，所述外夹板1可采用的材料为透明的有机玻璃材质，从而可以观察整个试样12的变形过程，而不被局限于外状态凹陷部8、左观测凹陷部9和右观测凹陷部10所观察的区域，因而，可以达到如同没有防屈曲夹持装置一样的观测效果。
在另一实施例中，所述的材料为透明有机玻璃的外夹板1上布置的外状态凹陷部8、左观测凹陷部9和右观测凹陷部10，保持大小、位置、形状不变，在试样12的夹持侧，由穿透的孔改为不贯穿的凹槽，比如贯穿深度为1mm，避免透明材料产生的折射对测量的影响。
实施例2
本实施例提供了一种与实施例1的防屈曲夹持装置相匹配的试样，其特征在于：
所述的试样12，包括夹持端22、过渡区23和标距段24，其几何形状采用平面对称设计，如图9所示。
所述的夹持端22，其宽度等于外夹板1的宽度，且开设有螺栓缺口25，以实现试样12 与防屈曲夹持装置在压缩方向能够自动对中。
所述的标距段24，其宽度等于左观测凹陷部9和右观测凹陷部10的两中轴线的距离，以观测试样12的“均匀颈胀”和“局部颈胀”。
所述的螺栓缺口25，其位置与外夹板1上的螺栓孔7相对应，且其宽度等于螺栓6的直径，以通过螺栓6限制夹持端22的侧向移动，减少宽度方向发生屈曲失效的风险。
总之，试样12的设计应与防屈曲夹持装置作为一个设计整体进行统一考虑。
实施例3
本实施例在实施例1和实施例2的基础上，详细说明本发明的防屈曲装置的装配方法，其步骤包括：
第一步，向外夹板1插入螺栓。将外夹板1开有凹陷部的一侧朝上，向外夹板1的每个螺栓孔分别插入螺栓4，且螺栓4朝同一个方向穿过螺栓孔7，如图9(a)和图9(b)所示。
第二步，布置聚四氟乙烯薄膜13。在螺栓4朝向的一侧，将一张聚四氟乙烯薄膜13放置在外夹板1上，如图10(a)和图10(b)所示，其厚度为0.1mm，聚四氟乙烯薄膜13的平面尺寸与外夹板1相同，且其上开孔位置、大小、数量与外夹板1一致。
第三步，布置试样12。将试样12放置在聚四氟乙烯薄膜13上，要求试样12的压缩方向平行于外状态凹陷部8的方向布置，且试样压缩方向中轴线16(如图11(a)和图11(b) 所示)与外状态凹陷部8的中轴线或外夹板中轴线14(如图9(a)和图9(b)所示)重合，试样水平方向中轴线17(如图11(a)和图11(b)所示)与外夹板中心水平线15(如图9 (a)和图9(b)所示)重合，其边界与分别与左观测凹陷部9和右观测凹陷部10的中轴线重合，试样12的四个缺口将四个螺栓4分别卡住，如图11(a)和图11(b)所示。
试样12是与本发明防屈曲夹持装置相匹配的，试样12夹持端的宽度等于外夹板的宽度，在装配过程中自动实现中轴线的对中，同时，可有效防止外夹板1在较大弹簧预紧力条件下发生弯曲变形，特别是外夹板1的材料为有机玻璃材质时；试样12平行部或有效标距区域的宽度等于左观测凹陷部和右观测凹陷部两中轴线距离；试样12夹持端两侧与螺栓4相对应的位置均开有缺口，缺口的宽度等于螺栓4的直径，缩短了试件发生宽度方向屈曲失稳的有效长度，因此，在“局部颈胀”的大变形条件下，可有效防止试样在宽度方向的屈曲失稳。
第四步，布置聚四氟乙烯薄膜13。将另一张聚四氟乙烯薄膜13采用与之前同样的方式放置在试样12上，如图12(a)和图12(b)所示，在外夹板1和内夹板2与试样12之间插入聚四氟乙烯薄膜13的目的是减低摩擦系数以减少摩擦力。
第五步，插入内夹板2。将内夹板2开有内状态凹陷部11的一侧朝下，然后将内夹板2 的螺栓孔7对准螺栓4同时插入，试样12被外夹板1和内夹板2所夹持，如图13(a)和图 13(b)所示，通过外状态凹陷部8和内状态凹陷部11，通过避免外夹板1和内夹板2与试样12发生接触，确保试样12上凹陷部所围区域两侧均不受侧向载荷的作用。
第六步，插入螺旋弹簧5。在内夹板2上，将每个螺栓4套入一个螺旋弹簧5，螺旋弹簧 5位于内夹板2之上，如图14(a)和图14(b)所示。
第七步，插入弹簧压板3。将弹簧压板3的螺栓孔7对准螺栓4同时插入，螺旋弹簧5位于弹簧压板3之下，如图15(a)和图15(b)所示。
第八步，拧入螺母6。在弹簧压板3上，将每个螺栓4拧入螺母6，要求每个螺母6拧入的距离相等，以确保每个螺旋弹簧5的压缩量△d相同，如图16(a)和图16(b)所示，至此，装配完成。
从图17中，可以看到试样的外状态凹陷部测量区域18、左观测凹陷部测量区域19和右观测凹陷部测量区域20。由于在外夹板1和内夹板2上分别开了位置对应的外状态凹陷部8 和内状态凹陷部11，因此，在外状态凹陷部测量区域18中，可以确定一个没有侧向载荷作用的单轴压缩状态的有限体21，如图16所示，其尺寸一般取1.0mm╳1.0mm╳h0，h0为试样的厚度。
本发明人肖锋在新单轴拉伸DIC试验中详细说明了有限体的概念及其测量方法【肖锋，一种测定材料真实应力应变曲线的试验与计算方法，专利申请号201910801077.1】，利用本发明的防屈曲夹持装置做单轴压缩试验，材料真实应力-真实应变数据处理可参照此申请【201910801077.1】中的计算方法进行。
接下来可安装在拉伸试验机上做单轴压缩试验，若试样12发生侧向屈曲失效模式，则需重新装配并增大弹簧压缩量，重新试验，若依然不成功，则需要增大弹簧压缩刚度或弹簧数量，直到试验成功。
实施例4
本实施例将详细说明本发明的防屈曲夹持装置中摩擦效应的消除方法，其步骤包括：
第一步，准备两个完全相同的单轴压缩试样，一个试样夹持装置弹簧压缩量为△d1，另一个试样夹持装置弹簧压缩量为△d2。在本实施例中，弹簧刚度为k，弹簧数量为4，每个时刻下的摩擦系数为μ，采用完全相同的试验条件，要求两种侧向力均可保证压缩试样不发生屈曲失稳。
第二步，将装配好的两种弹簧压缩量的试件两端夹持在拉压试验机上，要求试件一端的裸露部分完全插入拉压试验机的固定端，即保持防屈曲夹持装置与拉压试验机固定端处于接触状态，在对两种弹簧压缩量分别进行单轴压缩试验时，以保证同时产生摩擦力，测得试样不同时刻下的压缩载荷分别为F1和F2，设不同时刻下的摩擦载荷分别为Fμ1和Fμ2，剔除摩擦影响的不同时刻下的纯压缩载荷均为FC。
针对弹簧压缩量为△d1的试样，有以下两式成立：
FC+Fμ1＝F1
Fμ1＝2·4·μ·k·Δd1
针对弹簧压缩量为△d2的试样，有以下两式成立：
FC+Fμ2＝F2
Fμ2＝2·4·μ·k·Δd2
第三步，由以上四式，求得纯压缩载荷FC：
Figure RE-GDA0002630950320000121
将消除摩擦效应的纯压缩载荷FC用于单轴压缩试验的工程应力和真实应力的计算。
本发明通过上述实施例可以解决如下技术问题：
第一，避免宽度方向屈曲失稳。对防屈曲夹持装置设计了与之相匹配的试样，试样夹持端的宽度等于外夹板的宽度，以在装配过程中自动实现中轴线的对中，同时，可有效防止外夹板在较大弹簧预紧力下发生弯曲变形，影响侧向载荷的均匀分布；试样标距段的宽度等于左观测凹陷部和右观测凹陷部两中轴线距离；试样夹持端两侧与螺栓相对应的位置均开有缺口，缺口宽度等于螺栓的直径，以缩短试件发生宽度方向屈曲失稳的有效长度，因此，在“局部颈胀”的大变形条件下，可有效防止试样在宽度方向的屈曲失效。
第二，确保单轴压缩状态。对试样两侧的夹持钢板正中间开相同大小、相同形状的孔，通过引入有限体的概念，以确保存在某个可测量的局部区域是严格意义上的单轴压缩状态，而不是传统的整个标距区域。
第三，消除摩擦效应的影响。首先，准备两个完全相同的单轴压缩试样，一个试样夹持装置弹簧压缩量为△d1，另一个试样夹持装置弹簧压缩量为△d2，采用完全相同的试验条件，要求两种侧向力均可保证压缩试样不发生屈曲失效模式；其次，对两种弹簧压缩量分别进行单轴压缩试验，测得试样不同时刻下的压缩载荷分别为F1和F2，剔除摩擦影响的纯压缩载荷为FC；最后，采用下式计算不同时刻下的纯压缩载荷为FC：
Figure RE-GDA0002630950320000131
该数据处理方法从数学上消除了夹持装置中摩擦和弹簧对试样压缩载荷的影响，并且，每个时刻都是实时计算FC。
第四，精确测量横截面积。在非弹簧侧或测量侧钢板的正中间开孔的基础上，在平行于中间孔的两侧各开一个孔，使得试样两侧边缘刚好与孔的中轴线重合，从而通过非接触测量技术或DIC(数字图像相关法)技术，可以实时测量“局部颈胀”引起的试样横截面积变化，严格按柯西应力定义处理数据(应力应变概念由法国数学家柯西在1822年提出，柯西应力的原始定义是实时载荷F比上实时截面积A)，因此，除了可以研究材料“均匀颈胀”变形条件下的包申格效应，也可以测试材料在“均匀颈胀”和“局部颈胀”连续变形条件下的全历程压缩力学性能曲线，同时，若将外夹板改用透明的有机玻璃材质，则可以清楚的观测到试样在单轴压缩状态下的整个变形过程。
本发明通过解决以上技术问题，在严格满足理论要求的前提下，可以科学的测量和计算材料的全历程压缩力学性能曲线，因此，采用本发明的防屈曲夹持装置，可以实现不同变形程度下的拉压疲劳加载试验、T-C&C-T加载及其循环加载试验和单轴压缩试验，突破了传统装置和方法的局限性。
以上实施方式仅为本发明的示例性实施方式，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员在本发明的实质性保护范围内，对本发明做出的各种修改或等同替换也落在本发明的保护范围内。

Claims (11)

1.一种防屈曲夹持装置，包括外夹板、内夹板、弹簧压板、螺旋弹簧、螺栓和螺母，外夹板、内夹板及弹簧压板布置有若干螺栓孔，螺栓依次穿经外夹板、内夹板、弹簧压板上的螺栓孔，外夹板与内夹板用于夹持试样，内夹板与弹簧压板用于夹持螺旋弹簧，螺栓套设于螺旋弹簧之中，螺栓的尾端从弹簧压板的螺栓孔穿出后使用螺母锁紧，其特征在于：
所述的外夹板，在平行于单轴压缩方向上布置有一个外状态凹陷部；
所述的内夹板，在平行于单轴压缩方向上布置有一个内状态凹陷部；
所述的外状态凹陷部和内状态凹陷部，两者大小、形状均相同，且外夹板与内夹板夹持试样后，两者位置对应或位置重合。
2.根据权利要求1所述的防屈曲夹持装置，其特征在于：所述的外夹板，在位于外状态凹陷部的两侧布置有左观测凹陷部和右观测凹陷部。
3.根据权利要求2所述的防屈曲夹持装置，其特征在于：所述的外夹板、内夹板和弹簧压板，三者的长度、宽度和厚度均相同，且布置有螺栓孔，数量为4个，且对称布置于四角处。
4.根据权利要求3所述的防屈曲夹持装置，其特征在于：所述的外状态凹陷部和内状态凹陷部，其形状为“长方形”或“中间为长方形两端为半圆”，且布置在外夹板和内夹板的正中间，即外状态凹陷部的平面几何中心与外夹板的平面几何中心重合，内状态凹陷部的平面几何中心与内夹板的平面几何中心重合。
5.根据权利要求4所述的防屈曲夹持装置，其特征在于：所述的左观测凹陷部和右观测凹陷部，平行于外状态凹陷部布置，其大小、形状、平面几何中心水平位置与外状态凹陷部一致，且左观测凹陷部和右观测凹陷部分别与外状态凹陷部的水平间距相等。
6.根据权利要求5所述的防屈曲夹持装置，其特征在于：所述的外夹板、内夹板和弹簧压板，三者的材质，或者均为金属材料，或者均为透明的有机玻璃材料；所述的外夹板上布置的外状态凹陷部、左观测凹陷部和右观测凹陷部为穿透孔；所述的内夹板上布置的内状态凹陷部为穿透孔。
7.根据权利要求5所述的防屈曲夹持装置，其特征在于：所述的外夹板、内夹板和弹簧压板，三者的材质均为透明的有机玻璃材料；所述的外夹板上布置的外状态凹陷部、左观测凹陷部和右观测凹陷部为不贯穿的凹槽；所述的内夹板上布置的内状态凹陷部为不贯穿的凹槽。
8.一种与防屈曲夹持装置相匹配的试样，与权利要求1-7中任一项所述的防屈曲夹持装置匹配使用，其特征在于：
所述的试样，包括夹持端、过渡区和标距段，其几何形状采用平面对称设计；
所述的夹持端，其宽度等于外夹板的宽度，且开设有螺栓缺口；
所述的标距段，其宽度等于左观测凹陷部和右观测凹陷部两中轴线的距离；
所述的螺栓缺口，其位置与外夹板上的螺栓孔相对应，且其宽度等于螺栓的直径。
9.一种防屈曲夹持装置的装配方法，其特征采用权利要求1-7中任一项所述的防屈曲夹持装置对权利要求8所述的试样进行装配，所述方法包括如下步骤：
第一步，向外夹板插入螺栓：将外夹板开有凹陷部的一侧朝上，向外夹板的每个螺栓孔插入螺栓，且螺栓朝上穿过螺栓孔；
第二步，布置试样：将试样放置在外夹板上，要求试样的压缩方向平行于外状态凹陷部的方向布置，螺栓被试样的缺口卡住，试样的平面几何中心与外状态凹陷部的平面几何中心重合；
第三步，插入内夹板：将内夹板开有内状态凹陷部的一侧朝下，然后将内夹板的螺栓孔对准螺栓插入，试样被外夹板和内夹板所夹持；
第四步，插入螺旋弹簧：在内夹板上，每个螺栓套入一个螺旋弹簧，螺旋弹簧位于内夹板之上；
第五步，插入弹簧压板：将弹簧压板的螺栓孔对准螺栓插入，螺旋弹簧位于弹簧压板之下；
第六步，拧入螺母：在弹簧压板上，将每个螺栓拧入螺母，要求每个螺母拧入的距离相等，以确保每个弹簧的压缩量相同，装配完成。
10.根据权利要求9所述的防屈曲夹持装置的装配方法，其特征在于：在第一步和第二步、第二步和第三步之间，分别布置聚四氟乙烯薄膜将外夹板与试样、内夹板与试样进行隔离，所述的聚四氟乙烯薄膜，其平面尺寸与外夹板的平面尺寸相同，且其上开孔位置、大小、数量与外夹板一致。
11.一种防屈曲夹持装置摩擦效应的消除方法，其特征采用权利要求1-10中任一项所述的防屈曲夹持装置和试件进行试验，所述方法包括如下步骤：
第一步，根据所述的防屈曲夹持装置的装配方法及与之相匹配的试样，准备两个相同的试样，使得一个试样的夹持装置的弹簧压缩量为△d1，另一个试样的夹持装置的弹簧压缩量为△d2；
第二步，采用相同的试验条件，对装配好的两种弹簧压缩量的试样，分别进行单轴压缩试验，测得两种装配条件下的压缩载荷分别为F1和F2；
第三步，采用下式计算单轴压缩试样的纯压缩载荷FC：
Figure FDA0002550132570000021
将消除摩擦效应的纯压缩载荷FC用于单轴压缩试验的工程应力和真实应力的计算。
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