CN114705536A - 一种适用于非标准多元复合型疲劳断裂的试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于非标准多元复合型疲劳断裂的试验装置及方法，属于复合型疲劳断裂测试技术领域。该装置包括上夹具、下夹具、辅助夹具、自适应支撑器、复合型裂纹扩展试样，以及配套定制的用于固定辅助夹具和对应上下夹具螺钉和若干定位的螺栓螺母。本发明通过置换辅助夹具可实现Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和具有不同复合比的Ⅰ‑Ⅱ复合型、Ⅰ‑Ⅲ复合型和Ⅱ‑Ⅲ复合型疲劳断裂实验；同时，本发明专利通过添加自适应支撑器可实现不同厚度试样的疲劳断裂试验，自适应支撑器的使用降低了试样与装置装配精度的问题，还解决了复合型裂纹尺寸效应试验研究的难题。辅助夹具和自适应支撑器的使用使得整个装置的操作方便快捷、经济实用。

Description

一种适用于非标准多元复合型疲劳断裂的试验装置及方法
技术领域
本发明公开了一种适用于非标准多元复合型疲劳断裂的试验装置及方法，属于复合型疲劳断裂测试技术领域。
背景技术
疲劳与断裂是机械零件常见的失效方式之一，也是最严重的失效形式之一。由于工程结构承受载荷的不对称性，裂纹产生的随机性以及材料的各向异性等情况，实际工程构件中的裂纹往往不是单一型的，裂纹尖端附近区域的应力场中同时包含Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型裂纹的应力，也就是结构中的裂纹往往呈现复合型状态。
复合型裂纹裂尖场及疲劳断裂行为受试样材料、几何尺寸、应力状态、受载形式等不确定性因素的影响，现有的试验研究结论难以统一。并且，由于复合型疲劳断裂问题的复杂性以及试样的多样性，尚未形成统一的复合型疲劳断裂试验标准。因此需要制定相关复合型裂纹断裂测试试验标准规范复合型疲劳断裂试验研究，其中试验装置的开发是解决复合型疲劳断裂试验标准化问题的前提。
复合型裂纹类型包含I-II，I-III以及II-III等复合型裂纹等，每一种复合型裂纹的试验研究需配套对应的加载夹具，材料成本及加工成本相对较高。且疲劳断裂问题的尺寸效应影响因素不可忽略，若考虑尺寸效应的影响，需配套若干加载夹具，则大大提高了试验成本。本专利中开发了一种复合型加载夹具，可通过置换小的夹具辅助件达到不同复合型裂尖状态；以及通过添加自适应支撑器达到适应不同厚度试样的试验。操作简单，易于实现，且节约材料和加工成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种适用于非标准多元复合型疲劳断裂的试验装置及方法，以解决现有技术存在的上述问题。本发明通过置换对应的辅助夹具使得发明能够进行不同类型复合型裂纹，以及通过添加自适应支撑器实现不同厚度试样的疲劳断裂试验。
本发明提供一种适用于非标准多元复合型疲劳断裂的试验装置，包括：夹具一10，夹具二20，辅助夹具，复合型裂纹扩展试样40，能与辅助夹具配合用于自动适应不同厚度复合型裂纹扩展试样40的自适应支撑器34；
所述夹具一10为一对U形钩，夹持端上设置有通孔，夹持端的尾端与电子万能实验机接口对接，用于传递实验机器施加的拉压载荷；
所述夹具二20为两块扇形弧板，两块扇形弧板中心对称布置，扇形弧板上带有七组通孔，每组通孔的圆心置于扇形弧板的同一半径上且等弧度间距排布，且最两端两组通孔相对于扇形弧板的圆心呈90度弧度关系，每组通孔之间间隔弧度为15°，夹具二20的最外围圆弧，及其内部通孔所分布的弧线是三个同心圆；扇形弧板的圆心角处设置有矩形缺口，矩形缺口远离弧度一侧长度方向中部设置有凹槽21，凹槽21两侧设置有用于与辅助夹具装配配合的通孔24；所述夹具二20通过更换不同的辅助夹具达到不同复合型疲劳断测试实验目的；
所述夹具一10通过螺栓和螺母与夹具二20上任意一组通孔相固连，使得施加在夹具一10上的载荷通过夹具二20将不同方向的载荷传递至复合型裂纹扩展试样40；
所述复合型裂纹扩展试样40为板状结构，试样外形尺寸接近标准CT试样，复合型裂纹扩展试样40上设置有固定孔42，用于与辅助夹具和自适应支撑器 34配合连接；
所述自适应支撑器34包括上板341、下板342、连杆343和锥形弹簧35；上板341和下板342通过连杆343和锥形弹簧35连接；自适应支撑器34的两侧均设置有连杆343，连杆343的上端与上板341侧面连接，能绕连接点转动，连杆343的下端设置在下板342侧面的凹槽中，能沿凹槽滑动；上板341的下表面和下板342的上表面开有环形槽，锥形弹簧35的两端设置在环形槽内，环形槽内设置有通孔，用于与辅助夹具和复合型裂纹扩展试样40配合连接。
进一步的，所述的复合型裂纹扩展试样40上设置有一个自复合型裂纹扩展试样40的边缘处，沿复合型裂纹扩展试样40的宽度方向复合型裂纹扩展试样 40内部延伸的机加工缺口44，所述机加工缺口44设置在复合型裂纹扩展试样 40的沿其长度方向一侧的中部，且所述机加工缺口44的位于复合型裂纹扩展试样40内部的封闭端43呈尖峰状，所述机加工缺口44的封闭端43的峰线与预制疲劳裂纹面共面；所述的固定孔42对称设置在机加工缺口44的两侧，固定孔42的孔中心连线垂直于预制疲劳裂纹面。
进一步的，所述自适应支撑器34的上板341和下板342为硬质金属板。
进一步的，所述辅助夹具为一“L”型实体零件，包括辅助夹具31、辅助夹具32和辅助夹具33，试验过程中通过改变“L”型零件的方向与夹具二20装配，形成不同复合型裂纹试样I-II复合型、I-III复合型以及II-III复合型的总加载夹具；通过不同形式的加载夹具能将机器上施加的力传递至试样，进而实现不同复合型载荷的施加；
为实现不同辅助夹具与夹具二20以及试样的连接，辅助夹具上具体的开孔及装配如下：辅助夹具31与辅助夹具32端面两侧各设置有通孔，一端通过螺栓穿过通孔与夹具二20连接，另一端通过螺栓和螺母与复合型裂纹扩展试样40 连接；辅助夹具33其窄面端设置有通孔，通过螺栓与夹具二20连接，宽面端设置有螺纹孔，通过螺栓与复合型裂纹扩展试样40连接；辅助夹具和复合型裂纹扩展试样40之间通过设置自适应支撑器34进而用于不同厚度试样的疲劳断裂测试。
基于如上装置进行复合型疲劳断裂试验的使用方法，包括如下三种情形：
情形1：Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹疲劳断裂测试的试验方法，包括如下步骤：
步骤1.1：将一组辅助夹具一31分别通过螺栓和螺母穿过复合型裂纹扩展试样40的通孔相对固定于复合型疲劳断裂试样40两侧，且保证辅助夹具一31 的板状平面与复合型裂纹扩展试样40的板状平面互相平行且紧密贴合；将已经与试样组合完成的辅助夹具一31装配入夹具二20的凹槽口中并通过螺栓穿过通孔与夹具二20完成固定牢固，且保证辅助夹具31的一侧端面与夹具20的一侧平面对齐重合，另一侧辅助夹具的端面相对夹具20的侧面突出；
步骤1.2：两个夹具一10分别通过两组螺栓与两个夹具二20上第一组90°的通孔连接，并通过U型钩夹持端与电子万能实验机相连传递载荷，使得试样呈Ⅰ型加载状态，裂纹为张开型；
步骤1.3：依次调整两个夹具一10分别与两个扇形弧板上第二组75°的通孔，第三组60°的通孔，第四组45°的通孔，…，第六15°的组通孔通过螺栓相连接，并通过夹具一10的夹持端与电子万能实验机相连传递载荷，使得试样承受不同程度的Ⅰ-Ⅱ型复合加载状态，裂纹为张开型和滑开型并存；
步骤1.4：调整两个U型钩分别通过两组螺栓与两个扇形弧板上第七组0°的通孔连接，并通过U型钩夹持端与电子万能实验机相连传递载荷，使得复合型裂纹扩展试样40呈Ⅱ型加载状态，裂纹为滑开型；
步骤1.5：更换不同厚度的复合型疲劳断裂试样40，在复合型裂纹扩展试样40和辅助夹具一31之间加入自适应支撑器34，随后再重新装配成试样组合，与夹具二20完成配合固定；重复步骤1.2-1.4即可完成不同厚度的复合型裂纹扩展试样40加载；
情形2：Ⅰ-Ⅲ复合型裂纹疲劳断裂测试的试验方法，包括如下步骤：
步骤2.1：将两组辅助夹具二32分别通过螺栓和螺母穿过复合型裂纹扩展试样40的通孔相对固定于复合型疲劳断裂试样40两侧，且保证辅助夹具二32 的凹槽两侧平面与试样的板状平面互相平行且紧密贴合；将已经与试样组合完成的辅助夹具二32装配入夹具二20的凹槽口中并通过螺栓穿过通孔与夹具二 20完成固定牢固，且保证辅助夹具二32两侧的板状平面与夹具二20的两侧平面重合；
步骤2.2：两个U型钩分别通过两组螺栓与两组扇形弧板上第一组90°的通孔连接，并通过U型钩夹持端与试验机相连传递载荷，使得复合型裂纹扩展试样40呈Ⅲ型加载状态，裂纹为撕开型；
步骤2.3：依次调整两个U型钩分别通过两组螺栓与两组扇形弧板上第二组 75°的通孔，第三组60°的通孔，第四组45°的通孔，…，第六组15°的通孔，并通过U型钩夹持端与试验机相连传递载荷，使得复合型裂纹扩展试样40承受不同程度的Ⅰ型和Ⅲ型复合加载状态，裂纹为张开型和撕开型并存；
步骤2.4：调整两个U型钩分别通过两组螺栓与两组扇形弧板上第七组0°的通孔中连接，并通过U型钩夹持端与试验机相连传递载荷，使得复合型裂纹扩展试样40的裂纹呈Ⅰ型加载状态，裂纹为张开型；
步骤2.5：更换试样为不同厚度的复合型疲劳断裂试样40，在复合型裂纹扩展试样40和辅助夹具二32之间加入自适应支撑器34，随后再重新装配成试样组合，与辅助夹具二32完成配合固定；重复步骤2.2-2.4即可完成不同厚度的复合型裂纹扩展试样40加载；
情形3：Ⅱ-Ⅲ复合型疲劳断裂测试的试验方法，包括如下步骤：
步骤3.1：将两组辅助夹具三33分别通过螺栓和螺母穿过复合型裂纹扩展试样40的通孔相对固定于复合型疲劳断裂试样40两侧，且保证辅助夹具三33 与复合型裂纹扩展试样40的有螺孔平面互相平行且紧密贴合；将已经与复合型裂纹扩展试样40组合完成的辅助夹具三33装配入夹具二20的凹槽口中并通过长螺栓穿过通孔与夹具二20完成固定牢固，且保证辅助夹具三33一侧平面与夹具二20的一侧平面重合；
步骤3.2：两个U型钩分别通过两组螺栓与两组扇形弧板上第一组90°的通孔连接，并通过U型钩夹持端与试验机相连传递载荷，使得复合型裂纹扩展试样40呈Ⅲ型加载状态，裂纹为撕开型；
步骤3.3：依次调整两个U型钩分别通过两组螺栓与两组扇形弧板上第二组 75°的通孔，第三组60°的通孔，第四组45°的通孔，…，第六组15°的通孔，并通过U型钩夹持端与试验机相连传递载荷，使得复合型裂纹扩展试样40承受不同程度的Ⅱ型和Ⅲ型复合加载状态，裂纹为滑开型和撕开型并存；
步骤3.4：调整两个U型钩分别通过两组螺栓与两组扇形弧板上第七组0°的通孔中连接，并通过U型钩夹持端与试验机相连传递载荷，使得复合型裂纹扩展试样40的裂纹呈Ⅱ型加载状态，裂纹为滑开型；
步骤3.5：更换试样为不同厚度的复合型裂纹扩展试样40，在复合型裂纹扩展试样40和辅助夹具三33之间加入自适应支撑器34，随后再重新装配成复合型裂纹扩展试样40组合，与夹具二20完成配合固定；重复步骤3.2-3.4即可完成不同厚度的复合型裂纹扩展试样40加载。
本发明的有益效果：
1)、本发明在工作时，通过三种不同的辅助夹具与夹具二装配固定形成适用于不同复合型裂纹的夹具，再通过螺钉将整个夹具二与试样相连接，然后夹具一与夹具二通过螺栓螺母连接，并使夹具一的夹持端与疲劳拉伸试验及其相连，通过普通拉压型试验机驱动夹具一，使得载荷通过夹具二和辅助夹具传递至试样上，从而可满足I型、II型、III型及I-II、I-III、II-III复合型裂纹疲劳断裂测试的要求，为实现关键机械零部件和工程构件在复杂服役条件下的疲劳断裂失效评定奠定了基础。
2)、本发明在工作时，通过自适应的支撑装置与辅助夹具配合，再与夹具二装配固定形成适用于不同厚度试样的装置，再通过螺钉将整个夹具二与试样相连接，然后夹具一与夹具二通过螺栓螺母连接，并使夹具一的夹持端与疲劳拉伸试验及其相连，通过普通拉压型试验机驱动夹具一，使得载荷通过夹具二和辅助夹具传递至试样上。从而满足不同尺寸的疲劳断裂试样的加载条件，为复合型裂纹尺寸效应的研究提供了条件。
3)、本发明当中的夹具二扇形板上设计的两组通孔可使施加的载荷沿半径方向传递至试样上，并且可以固定夹具一和夹具二，避免出现可能影响实验结果的转动。扇形弧板两组通孔的设计可省去螺栓螺母的固定装配，操作简单，易于实现。
4)、本发明通过更换辅助夹具(不需改变整套加载夹具及试样)的方式实现三种不同的复合型裂纹的疲劳断裂测试试验以及不同尺寸厚度试样的复合型疲劳断裂试验研究，相较于以往需要加工复杂的加载夹具，本发明通过更换辅助夹具调整满足不同类型裂纹疲劳断裂试验的方式，降低了操作难度与成本。三种辅助夹具以及升降装置总体形制简单，加工简易，操作简便。
5)、本发明中的试样可以同时满足I型、II型、III型及复合型疲劳裂纹扩展试验，因此本发明中的试样也被称为CTS(紧凑拉伸剪切)扭试样以及CTT (紧凑拉伸撕裂)试样；本发明中的CTS以及CTT试样的独特结构不仅具备足够长的有效裂纹扩展区域，还易于预制I型疲劳裂纹。
附图说明
图1(a)是本发明情形1的Ⅰ-Ⅱ复合型加载的结构示意图；
图1(b)是试样以不同角度实现不同复合比的加载情况示意图；
图2(a)是本发明情形2的Ⅰ-Ⅲ型的结构示意图；
图2(b)是试样以不同角度实现不同复合比的加载情况示意图；
图3(a)是本发明情形3的Ⅱ-Ⅲ型的结构示意图；
图3(b)是试样以不同角度实现不同复合比的加载情况示意图。
图4是试样的结构示意图；
图5是夹具二的结构示意图；
图6(a)是自适应升降装置的整体结构示意图；
图6(b)是自适应升降装置的整体结构示意图的侧向视图；
图7是试样组合一的结构示意图；
图8是试样组合二的结构示意图；
图9是试样组合三的结构示意图；
图10是本发明实现三种不同复合加载形式的整体示意图。
图中：10、夹具一；20、夹具二；21、凹槽；22、辅助夹具第一通孔；23、辅助夹具第二通孔；24、螺孔；31、辅助夹具一；32、辅助夹具二；33、辅助夹具三；34、自适应支撑器；341、上板；342、下板；343、连杆；35、锥形弹簧； 40、复合型裂纹扩展试样；42、固定孔；43、封闭端；44、机加工缺口；50、内六角螺栓；51、C级螺母；52、紧固螺栓；53、A级螺母；54、长螺栓
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施方式及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。以下结合附图，详细说明本发明各实例提供的技术方案。
根据本发明提供了一种适用于非标准多元复合型疲劳断裂的试验装置及方法，用于测试材料的复合型疲劳断裂行为。图1为Ⅰ-Ⅱ复合型加载时的情形，在实验过程中承受拉伸、平面剪切作用；图2为Ⅰ-Ⅲ型加载时的情形，在实验过程中承受拉伸、反平面剪切作用；图3为Ⅱ-Ⅲ型的结构示意图，在实验过程中承受平面剪切、反平面剪切作用。根据ASTME647标准，试样尺寸接近标准 CT试样。内六角螺栓50和C级螺母51用于固定夹具一10与夹具二20，长螺栓54用于固定辅助夹具和夹具二20，紧固螺栓52和A级螺母53用于连接辅助夹具与试样40。
图1(a)为Ⅰ-Ⅱ型加载实验装置示意图，所述复合型裂纹扩展试样40上下各由两块所述辅助夹具一31通过其上的通孔与所述复合型裂纹扩展试样40 连接固定形成试样组合。所述试样组合上下各由两块所述夹具二20通过其上的螺孔与试样组合中辅助夹具一31的通孔穿透连接固定。所述夹具一10与所述夹具二20上任意两个成径向对称的通孔连接，其夹持端与试验机相连。夹具二 20的外部弧线上有7个成15°等角度分布的通孔，改变夹具一10与夹具二20 中通孔的连接位置，使载荷与预制裂纹之间的角度为α，实现角度α为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的变化，即可实现Ⅰ-Ⅱ型复合加载，复合型裂纹扩展试样40将承受不同复合比的Ⅰ-Ⅱ型载荷。如图1(b)，当α＝ 90°时，加载方向与裂纹垂直，为Ⅰ型载荷条件，裂纹为张开型；当0°<α<90°时，为Ⅰ-Ⅱ复合型载荷条件；α＝0°时，加载方向与裂纹平行，为Ⅱ型载荷条件，裂纹为滑开型。
图2(a)为Ⅰ-Ⅲ型加载实验装置示意图，所述复合型裂纹扩展试样40上下各由两块所述辅助夹具二32通过其上的通孔与所述复合型裂纹扩展试样40 穿透固定形成试样组合。所述试样组合上下各由两块所述夹具二20通过其上的螺孔与试样组合中辅助夹具二32的通孔穿透连接固定。所述夹具一10与所述夹具二20上任意两个成径向对称的通孔连接，其夹持端与试验机相连。夹具二 20的外部弧线上有7个成15°等角度分布的通孔，改变夹具一10与夹具二20 中通孔的连接位置，使载荷与预制裂纹之间的角度为α，实现角度α为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的变化，即可实现Ⅰ-Ⅲ型复合加载，复合型裂纹扩展试样40将承受不同复合比的Ⅰ-Ⅲ型载荷。如图2(b)，当α＝ 90°时，加载方向与裂纹垂直，为Ⅰ型载荷条件，裂纹为张开型；当0°<α<90°时，为Ⅰ-Ⅲ复合型载荷条件；α＝0°时，加载方向与裂纹面平行，为Ⅲ型载荷条件，裂纹为撕开型。
图3(a)为Ⅱ-Ⅲ型加载实验装置示意图，所述复合型裂纹扩展试样40上下各由两块所述辅助夹具三33通过其上的螺孔与所述复合型裂纹扩展试样40 使用紧固螺栓52旋合固定形成试样组合。所述试样组合上下各由两块所述夹具二20通过其上的螺孔与试样组合中辅助夹具三33的通孔穿透连接固定。所述夹具一10与所述夹具二20上任意两个成径向对称的通孔连接，其夹持端与试验机相连。选择不同的对称孔，改变夹具一10与夹具二20中通孔的连接位置，使载荷与预制裂纹之间的角度为α，实现角度α从0°到90°的变化，即可实现Ⅱ-Ⅲ型复合加载，复合型裂纹扩展试样3承受不同复合比的Ⅱ-Ⅲ型载荷。如图3(b)，当α＝0°时，加载方向与裂纹平行，为Ⅱ型载荷条件，裂纹为滑开型；当0°<α<90°时，为Ⅱ-Ⅲ复合型载荷条件；α＝90°时，加载方向与裂纹面平行，为Ⅲ型载荷条件，裂纹为撕开型。
如图4所示，所述板状的试样40呈矩形，试样40上设置有一个自试样40 的边缘处沿试样40的宽度方向试样40内部延伸的机加工缺口44，所述机加工缺口41设置在试样40的沿其长度方向一侧的中部，且所述机加工缺口44的位于试样40内部的封闭端43；呈尖峰状，所述机加工缺口44的尖峰状封闭端43 的峰线与所述预制疲劳裂纹面共面；所述机加工缺口44的两侧对称设置有供绝缘连接部件穿过的固定孔42，所述固定孔42的孔中心连线垂直于所述预制疲劳裂纹面。
如图5所示，所述夹具二20为一扇形弧板，夹具二20的最外围圆弧，及其内部七组通孔所分布的弧线是三个同心圆，辅助夹具第一通孔22分布在三个同心圆位于中间的弧线上，辅助夹具第一通孔23分布在三个同心圆最内侧的弧线上，所述凹槽21在夹具二20矩形缺口远离弧度一侧长度方向中部，用于与辅助夹具一31、辅助夹具二32装配配合，所述螺孔24与辅助夹具一31、辅助夹具二32、辅助夹具三33上对应位置的通孔同直径，同心一组长螺栓54会穿入螺孔通过通孔使得三种辅助夹具与夹具二20完成固定。
如图6(a)和(b)所示，所述自适应支撑器34是两块开有一对通孔的硬质金属板，量板内侧面开有一组环形槽以适应锥形弹簧35,中间环绕通孔配有一对锥形弹簧35，上下金属板两侧各有一组连杆343，其上端与上板341连接，下端接进下板342槽口中。自适应支撑器34通过紧固螺栓52与辅助夹具的通孔以及试样40的对应的通孔穿透。
如图7所示，所述辅助夹具一31与试样40以及自适应支撑器34通过紧固螺栓52和A级螺母53组合而成的试样组合一。所述自适应支撑器34，其上开有与辅助夹具一31对应通孔位置相同的通孔。所述试样组合是用于将不同厚度的试样通过加上可以自动适应厚度的自适应支撑器来使其满足同一加载夹具，进而进行I-II复合裂纹疲劳断裂实验。
如图8所示，所述辅助夹具二32与试样40以及自适应支撑器34通过紧固螺栓52和A级螺母53组合而成的试样组合二。所述自适应支撑器34，其上开有与辅助夹具二32对应通孔位置相同的通孔。所述试样组合是用于将不同厚度的试样通过加上可以自动适应厚度的自适应支撑器来使其满足同一加载夹具，进而进行I-III复合裂纹疲劳断裂实验。
如图9所示，所述辅助夹具三33与试样40以及自适应支撑器34通过紧固螺栓52和A级螺母53组合而成的试样组合三。所述自适应支撑器34，其上开有用辅助夹具三33对应螺孔位置相同的通孔。所述试样组合是用于将不同厚度的试样通过加上可以自动适应厚度的自适应支撑器来使其满足同一加载夹具，进而进行II-III复合裂纹疲劳断裂实验。
本申请实施例具有以下优点：
1、提供了多种复合型裂纹疲劳断裂实验的平台；
2、降低了进行实验的成本，仅需替换辅助夹具即可进行其他复合型裂纹试验；
3、使用自适应支撑器可以满足不同厚度的试样进行试验；
4、实验装置操作简单，各部件可替换，实验准确高效，误差小；
5、试样具有相同的几何尺寸，避免了尺寸效应的影响。

Claims (5)

1.一种适用于非标准多元复合型疲劳断裂的试验装置，其特征在于，包括：夹具一(10)，夹具二(20)，辅助夹具，复合型裂纹扩展试样(40)，能与辅助夹具配合用于自动适应不同厚度复合型裂纹扩展试样(40)的自适应支撑器(34)；
所述夹具一(10)为一对U形钩，夹持端上设置有通孔，夹持端的尾端与电子万能实验机接口对接，用于传递实验机器施加的拉压载荷；
所述夹具二(20)为两块扇形弧板，两块扇形弧板中心对称布置，扇形弧板上带有七组通孔，每组通孔的圆心置于扇形弧板的同一半径上且等弧度间距排布，且最两端两组通孔相对于扇形弧板的圆心呈90度弧度关系，每组通孔之间间隔弧度为15°，夹具二(20)的最外围圆弧，及其内部通孔所分布的弧线是三个同心圆；扇形弧板的圆心角处设置有矩形缺口，矩形缺口远离弧度一侧长度方向中部设置有凹槽(21)，凹槽(21)两侧设置有用于与辅助夹具装配配合的通孔(24)；所述夹具二(20)通过更换不同的辅助夹具达到不同复合型疲劳断测试实验目的；
所述夹具一(10)通过螺栓和螺母与夹具二(20)上任意一组通孔相固连，使得施加在夹具一(10)上的载荷通过夹具二(20)将不同方向的载荷传递至复合型裂纹扩展试样(40)；
所述复合型裂纹扩展试样(40)为板状结构，试样外形尺寸接近标准CT试样，复合型裂纹扩展试样(40)上设置有固定孔(42)，用于与辅助夹具和自适应支撑器(34)配合连接；
所述自适应支撑器(34)包括上板(341)、下板(342)、连杆(343)和锥形弹簧(35)；上板(341)和下板(342)通过连杆(343)和锥形弹簧(35)连接；自适应支撑器(34)的两侧均设置有连杆(343)，连杆(343)的上端与上板(341)侧面连接，能绕连接点转动，连杆(343)的下端设置在下板(342)侧面的凹槽中，能沿凹槽滑动；上板(341)的下表面和下板(342)的上表面开有环形槽，锥形弹簧(35)的两端设置在环形槽内，环形槽内设置有通孔，用于与辅助夹具和复合型裂纹扩展试样(40)配合连接。
2.根据权利要求1所述的一种适用于非标准多元复合型疲劳断裂的试验装置，其特征在于，所述的复合型裂纹扩展试样(40)上设置有一个自复合型裂纹扩展试样(40)的边缘处，沿复合型裂纹扩展试样(40)的宽度方向复合型裂纹扩展试样(40)内部延伸的机加工缺口(44)，所述机加工缺口(44)设置在复合型裂纹扩展试样(40)的沿其长度方向一侧的中部，且所述机加工缺口(44)的位于复合型裂纹扩展试样(40)内部的封闭端(43)呈尖峰状，所述机加工缺口(44)的封闭端(43)的峰线与预制疲劳裂纹面共面；所述的固定孔(42)对称设置在机加工缺口(44)的两侧，固定孔(42)的孔中心连线垂直于预制疲劳裂纹面。
3.根据权利要求1所述的一种适用于非标准多元复合型疲劳断裂的试验装置，其特征在于，所述自适应支撑器(34)的上板(341)和下板(342)为硬质金属板。
4.根据权利要求1所述的一种适用于非标准多元复合型疲劳断裂的试验装置，其特征在于，所述辅助夹具为一“L”型实体零件，包括辅助夹具(31)、辅助夹具(32)和辅助夹具(33)，试验过程中通过改变“L”型零件的方向与夹具二(20)装配，形成不同复合型裂纹试样I-II复合型、I-III复合型以及II-III复合型的总加载夹具；通过不同形式的加载夹具能将机器上施加的力传递至试样，进而实现不同复合型载荷的施加；
为实现不同辅助夹具与夹具二(20)以及试样的连接，辅助夹具上具体的开孔及装配如下：辅助夹具(31)与辅助夹具(32)端面两侧各设置有通孔，一端通过螺栓穿过通孔与夹具二(20)连接，另一端通过螺栓和螺母与复合型裂纹扩展试样(40)连接；辅助夹具(33)其窄面端设置有通孔，通过螺栓与夹具二(20)连接，宽面端设置有螺纹孔，通过螺栓与复合型裂纹扩展试样(40)连接；辅助夹具和复合型裂纹扩展试样(40)之间通过设置自适应支撑器(34)进而用于不同厚度试样的疲劳断裂测试。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的试验装置进行复合型疲劳断裂试验的使用方法，其特征在于，包括如下三种情形：
情形1：Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹疲劳断裂测试的试验方法，包括如下步骤：
步骤1.1：将一组辅助夹具一(31)分别通过螺栓和螺母穿过复合型裂纹扩展试样(40)的通孔相对固定于复合型疲劳断裂试样(40)两侧，且保证辅助夹具一(31)的板状平面与复合型裂纹扩展试样(40)的板状平面互相平行且紧密贴合；将已经与试样组合完成的辅助夹具一(31)装配入夹具二(20)的凹槽口中并通过螺栓穿过通孔与夹具二(20)完成固定牢固，且保证辅助夹具(31)的一侧端面与夹具(20)的一侧平面对齐重合，另一侧辅助夹具的端面相对夹具(20)的侧面突出；
步骤1.2：两个夹具一(10)分别通过两组螺栓与两个夹具二(20)上第一组90°的通孔连接，并通过U型钩夹持端与电子万能实验机相连传递载荷，使得试样呈Ⅰ型加载状态，裂纹为张开型；
步骤1.3：依次调整两个夹具一(10)分别与两个扇形弧板上第二组75°的通孔，第三组60°的通孔，第四组45°的通孔，…，第六15°的组通孔通过螺栓相连接，并通过夹具一(10)的夹持端与电子万能实验机相连传递载荷，使得试样承受不同程度的Ⅰ-Ⅱ型复合加载状态，裂纹为张开型和滑开型并存；
步骤1.4：调整两个U型钩分别通过两组螺栓与两个扇形弧板上第七组0°的通孔连接，并通过U型钩夹持端与电子万能实验机相连传递载荷，使得复合型裂纹扩展试样(40)呈Ⅱ型加载状态，裂纹为滑开型；
步骤1.5：更换不同厚度的复合型疲劳断裂试样(40)，在复合型裂纹扩展试样(40)和辅助夹具一(31)之间加入自适应支撑器(34)，随后再重新装配成试样组合，与夹具二(20)完成配合固定；重复步骤1.2-1.4即可完成不同厚度的复合型裂纹扩展试样(40)加载；
情形2：Ⅰ-Ⅲ复合型裂纹疲劳断裂测试的试验方法，包括如下步骤：
步骤2.1：将两组辅助夹具二(32)分别通过螺栓和螺母穿过复合型裂纹扩展试样(40)的通孔相对固定于复合型疲劳断裂试样(40)两侧，且保证辅助夹具二(32)的凹槽两侧平面与试样的板状平面互相平行且紧密贴合；将已经与试样组合完成的辅助夹具二(32)装配入夹具二(20)的凹槽口中并通过螺栓穿过通孔与夹具二(20)完成固定牢固，且保证辅助夹具二(32)两侧的板状平面与夹具二(20)的两侧平面重合；
步骤2.2：两个U型钩分别通过两组螺栓与两组扇形弧板上第一组90°的通孔连接，并通过U型钩夹持端与试验机相连传递载荷，使得复合型裂纹扩展试样(40)呈Ⅲ型加载状态，裂纹为撕开型；
步骤2.3：依次调整两个U型钩分别通过两组螺栓与两组扇形弧板上第二组75°的通孔，第三组60°的通孔，第四组45°的通孔，…，第六组15°的通孔，并通过U型钩夹持端与试验机相连传递载荷，使得复合型裂纹扩展试样(40)承受不同程度的Ⅰ型和Ⅲ型复合加载状态，裂纹为张开型和撕开型并存；
步骤2.4：调整两个U型钩分别通过两组螺栓与两组扇形弧板上第七组0°的通孔中连接，并通过U型钩夹持端与试验机相连传递载荷，使得复合型裂纹扩展试样(40)的裂纹呈Ⅰ型加载状态，裂纹为张开型；
步骤2.5：更换试样为不同厚度的复合型疲劳断裂试样(40)，在复合型裂纹扩展试样(40)和辅助夹具二(32)之间加入自适应支撑器(34)，随后再重新装配成试样组合，与辅助夹具二(32)完成配合固定；重复步骤2.2-2.4即可完成不同厚度的复合型裂纹扩展试样(40)加载；
情形3：Ⅱ-Ⅲ复合型疲劳断裂测试的试验方法，包括如下步骤：
步骤3.1：将两组辅助夹具三(33)分别通过螺栓和螺母穿过复合型裂纹扩展试样(40)的通孔相对固定于复合型疲劳断裂试样(40)两侧，且保证辅助夹具三(33)与复合型裂纹扩展试样(40)的有螺孔平面互相平行且紧密贴合；将已经与复合型裂纹扩展试样(40)组合完成的辅助夹具三(33)装配入夹具二(20)的凹槽口中并通过长螺栓穿过通孔与夹具二(20)完成固定牢固，且保证辅助夹具三(33)一侧平面与夹具二(20)的一侧平面重合；
步骤3.2：两个U型钩分别通过两组螺栓与两组扇形弧板上第一组90°的通孔连接，并通过U型钩夹持端与试验机相连传递载荷，使得复合型裂纹扩展试样(40)呈Ⅲ型加载状态，裂纹为撕开型；
步骤3.3：依次调整两个U型钩分别通过两组螺栓与两组扇形弧板上第二组75°的通孔，第三组60°的通孔，第四组45°的通孔，…，第六组15°的通孔，并通过U型钩夹持端与试验机相连传递载荷，使得复合型裂纹扩展试样(40)承受不同程度的Ⅱ型和Ⅲ型复合加载状态，裂纹为滑开型和撕开型并存；
步骤3.4：调整两个U型钩分别通过两组螺栓与两组扇形弧板上第七组0°的通孔中连接，并通过U型钩夹持端与试验机相连传递载荷，使得复合型裂纹扩展试样(40)的裂纹呈Ⅱ型加载状态，裂纹为滑开型；
步骤3.5：更换试样为不同厚度的复合型裂纹扩展试样(40)，在复合型裂纹扩展试样(40)和辅助夹具三(33)之间加入自适应支撑器(34)，随后再重新装配成复合型裂纹扩展试样(40)组合，与夹具二(20)完成配合固定；重复步骤3.2-3.4即可完成不同厚度的复合型裂纹扩展试样(40)加载。
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CN117491128A (zh) * 2023-10-24 2024-02-02 天津大学 一种适用于多种试样的i&ii复合疲劳断裂试验装置及方法

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