CN113433007A - 一种罐体变形失稳疲劳开裂试验方法 - Google Patents

一种罐体变形失稳疲劳开裂试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种罐体变形失稳疲劳开裂试验方法，包括如下步骤：(1)将罐体使用的金属薄材制成薄壁罐体；(2)将罐体固定在低周疲劳试验机的安装平台上，上压板置于罐体R圆角上面，试验机压头与上压板的中心部位接触；(3)测试获得失稳时的最高加载力为Fc；继续加载一定量的位移，直至载荷下降到(0.5‑0.6)Fc的范围；停止加载时的压力记为FS，此位置记为xS；(4)在保证罐体上部和压板之间接触良好的情况下，采用1‑15Hz的试验频率，使用三角波或正弦波对上述载荷失稳后的罐体R圆角部位进行循环加载疲劳测试，从而获得罐体变形失稳疲劳开裂的能力情况。本方法可以用于薄壁罐体材料大变形失稳后的疲劳断裂性能评估。

Description

一种罐体变形失稳疲劳开裂试验方法
技术领域
本发明涉及一种材料疲劳检测试验方法，具体涉及一种罐体变形失稳疲劳开裂试验方法，属于包装材料性能测试技术领域。
背景技术
各种食品罐、易拉罐多采用金属薄材焊接或冲制加工而成，罐体在运输和使用过程中难免会发生因碰撞和挤压导致的变形，这些变形容易造成材料在局部出现失稳，失稳后罐体的承载能力发生衰减，并容易在后续交变载荷的作用下产生疲劳开裂等问题。
目前常用的疲劳测试方法针对的主要对象为基体材料或结构件，并且主要在弹性范围内进行疲劳测试，测试结果可以得到σ(F)-N或ε-N等疲劳数据点，根据测试结果可以为我们的零件设计提供一个安全的承载极限标准。
采用常用的疲劳测试方法进行罐体材料的疲劳性能测试显然对于食品罐的设计使用没有太大的作用。因为食品罐属于一次性的用材，主要考虑的是短生命周期内的安全问题，即要求在短期的运输和使用过程中不会因发生瘪罐失稳而导致开裂的问题。
发明内容
本发明针对食品罐这类结构因变形失稳可能导致的疲劳开裂问题，提出了一种罐体变形失稳后的疲劳开裂试验方法，可以用于评估罐体材料在产生局部失稳后抵抗疲劳开裂的能力。
本发明具体是这样实现的：
一种罐体变形失稳疲劳开裂试验方法，包括如下步骤：
(1)将罐体使用的金属薄材制成薄壁罐体，罐体具有垂直的壁部，罐顶及罐底采用翻边滚压方式连接，罐体的俯视投影为带R圆角的矩形，R＝5-30mm，罐高不低于300t，长宽尺寸不低于600t，t为材料的厚度；
(2)将罐体固定在低周疲劳试验机的安装平台上，上压板置于罐体R圆角上面，压板为正方形，边长为50-70mm，其中压板超出罐体部分的宽度为10-20mm，试验机压头与上压板的中心部位接触，上压板的中心部位位于带R圆角的上方；
(3)试验机压头对罐体施加压力直至发生载荷失稳，失稳时的最高加载力为Fc；继续加载一定量的位移，直至载荷下降到(0.5-0.6)Fc的范围；停止加载时的压力记为FS，此位置记为xS；
(4)在保证罐体上部和压板之间接触良好的情况下，采用1-15Hz的试验频率，使用三角波或正弦波对上述载荷失稳后的罐体R圆角部位进行循环加载疲劳测试，从而获得罐体变形失稳疲劳开裂的能力情况。
更进一步的方案是：
所述循环加载疲劳测试，为位移循环加载实验，具体为：
从停止加载位置xS开始卸载，当载荷变为0时的位置为xb；以位置xb为位移循环加载的下限，采用位移幅值△x＝k(xS-xb)进行疲劳测试，其中k不大于1，初次加载k可以取1；罐体在等幅位移循环加载下直至变形失稳部位出现开裂或循环次数达到5万次时停止试验，记录位移循环加载次数N和位移幅值△x；
使用相同规格及材料的罐体，重复步骤(3)，然后梯次降低位移幅值△x重复上述的位移循环加载试验，位移幅值的改变不少于5次，记录相应的位移循环加载次数N；选取试验中典型失稳方式的数据，如X形的失稳方式，所选数据包含的位移幅值变化不少于5，并且最大循环加载次数不低于50000次，采用公式(1)对所选试验数据进行拟合：
Δx＝AlogN+B (1)
其中A、B是试验数据拟合参数，令Δx0＝Alog50000+B，△X0越大则罐体材料变形失稳后抵抗疲劳开裂的能力越强，反之则低。
更进一步的方案是：
所述循环加载疲劳测试，为载荷循环加载实验，具体为：
采用固定的载荷幅进行疲劳测试，循环加载的最大载荷Fmax＝HFs，H取值范围：0.4-0.9，最小载荷Fmin＝LFs，L取值范围：0.05-0.2，一组材料试验过程中，L取固定值；试验直至罐体变形部位出现开裂或循环次数达到5万次时停止，记录此时的循环加载载次数N；
使用相同规格及材料的罐体，重复步骤(3)及载荷循环疲劳测试；试验中H采用均匀分布取值，总的试验量不少于25次；
选取试验中典型失稳方式的数据，如X形的失稳方式，所选数据包含的H系数变化不少于5，并且最大循环加载次数不低于50000次，采用公式(2)对所选试验数据进行拟合：
H＝ClogN+D (2)
其中C、D是试验数据拟合参数，令H0＝Clog50000+D，H0越大则罐体材料变形失稳后抵抗疲劳开裂的能力越强，反之则低。
更进一步的方案是：
所述薄壁罐体的罐顶和/或罐底中心开圆孔。
更进一步的方案是：
t的取值在0.15-0.4mm之间，也可以为其他合适的厚度。
本方法可以用于薄壁罐体材料大变形失稳后的疲劳断裂性能评估。通过本方法可以测得材料在制成罐体后发生变形失稳后的5万次疲劳极限指标，根据指标可以对罐体材料的抗失稳疲劳性能进行横向评估，为制罐企业合理选材提供参考指导。
附图说明
图1为本发明制备的方形罐体结构示意图，其中(a)为正视图，(b)为俯视图。
图2为罐体加载示意图，其中(a)为正视图，(b)为俯视图。
图3为试验机加载过程示意图。
图4为载荷循环加载示意图。
图5为试验数据点的拟合图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
一种方形食品罐变形失稳疲劳开裂试验过程：
(1)制备金属罐体，为方形食品罐，其结构如附图1所示，材料厚度0.32mm，罐高170mm，长宽都为235mm，R圆角半径为23mm。方形食品罐的罐顶中心开有一个圆孔；
(2)将食品罐1固定在低周疲劳试验机的安装平台4上，如附图2所示，压板2置于罐体一角并与疲劳试验机的压头3相接触，压头的位置要保证罐体R圆角部位在加载后没有显著的偏斜。一般试验机压头与上压板的中心部位接触，上压板的中心部位位于带R圆角的上方；接触点位于附图2中阴影部位的中心,如附图2(b)所示。
(3)试验机压头对罐体施加压力，加载速度为1mm/min，失稳时的最高加载力为3.01kN，继续加载，当载荷达到1.8kN时停止，如附图3所示。
(4)采用10Hz的正弦载荷进行疲劳加载试验，最大加载力为0.8kN，最小加载力为0.1kN，如附图4所示，此时罐体R圆角部位和压板之间接触良好，当循环次数N达到4421时，失稳部位发生开裂。
(5)采用不同最大加载力对失稳后的罐体多次重复上述试验过程，失稳方式选取X形状(即失稳部位形成类似于X形状的凹凸变形)，获得试验结果如附图5所示：
取循环次数N＝50000，由拟合公式H＝-0.3006log N+1.7142，计算可得H0＝0.302。
对比其他材料的H0数值，可以判断本材料的变形失稳后抵抗疲劳开裂的能力强弱。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (5)

1.一种罐体变形失稳疲劳开裂试验方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将罐体使用的金属薄材制成薄壁罐体，罐体具有垂直的壁部，罐顶及罐底采用翻边滚压方式连接，罐体的俯视投影为带R圆角的矩形，R＝5-30mm，罐高不低于300t，长宽尺寸不低于600t，t为材料的厚度；
(2)将罐体固定在低周疲劳试验机的安装平台上，上压板置于罐体R圆角上面，压板为正方形，边长为50-70mm，其中压板超出罐体部分的宽度为10-20mm，试验机压头与上压板的中心部位接触，上压板的中心部位位于带R圆角的上方；
(3)试验机压头对罐体施加压力直至发生载荷失稳，失稳时的最高加载力为Fc；继续加载一定量的位移，直至载荷下降到(0.5-0.6)Fc的范围；停止加载时的压力记为FS，此位置记为xS；
(4)在保证罐体上部和压板之间接触良好的情况下，采用1-15Hz的试验频率，使用三角波或正弦波对上述载荷失稳后的罐体R圆角部位进行循环加载疲劳测试，从而获得罐体变形失稳疲劳开裂的能力情况。
2.根据权利要求1所述罐体变形失稳疲劳开裂试验方法，其特征在于：
所述循环加载疲劳测试，为位移循环加载实验，具体为：
从停止加载位置xS开始卸载，当载荷变为0时的位置为xb；以位置xb为位移循环加载的下限，采用位移幅值△x＝k(xS-xb)进行疲劳测试，其中k不大于1，初次加载k可以取1；罐体在等幅位移循环加载下直至变形失稳部位出现开裂或循环次数达到5万次时停止试验，记录位移循环加载次数N和位移幅值△x；
使用相同规格及材料的罐体，重复步骤(3)，然后梯次降低位移幅值△x重复上述的位移循环加载试验，位移幅值的改变不少于5次，记录相应的位移循环加载次数N；选取试验中失稳方式的数据，所选数据包含的位移幅值变化不少于5，并且最大循环加载次数不低于50000次，采用公式(1)对所选试验数据进行拟合：
Δx＝AlogN+B (1)
其中A、B是试验数据拟合参数，令Δx0＝Alog50000+B，△X0越大则罐体材料变形失稳后抵抗疲劳开裂的能力越强，反之则低。
3.根据权利要求1所述罐体变形失稳疲劳开裂试验方法，其特征在于：
所述循环加载疲劳测试，为载荷循环加载实验，具体为：
采用固定的载荷幅进行疲劳测试，循环加载的最大载荷Fmax＝HFs，H取值范围：0.4-0.9，最小载荷Fmin＝LFs，L取值范围：0.05-0.2，一组材料试验过程中，L取固定值；试验直至罐体变形部位出现开裂或循环次数达到5万次时停止，记录此时的循环加载载次数N；
使用相同规格及材料的罐体，重复步骤(3)及载荷循环疲劳测试；试验中H采用均匀分布取值，总的试验量不少于25次；
选取试验中失稳方式的数据，所选数据包含的H系数变化不少于5，并且最大循环加载次数不低于50000次，采用公式(2)对所选试验数据进行拟合：
H＝ClogN+D (2)
其中C、D是试验数据拟合参数，令H0＝Clog50000+D，H0越大则罐体材料变形失稳后抵抗疲劳开裂的能力越强，反之则低。
4.根据权利要求1所述罐体变形失稳疲劳开裂试验方法，其特征在于：
所述薄壁罐体的罐顶和/或罐底中心开圆孔。
5.根据权利要求1所述罐体变形失稳疲劳开裂试验方法，其特征在于：
t的取值在0.15-0.4mm之间。
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