[发明专利]一种通过单向拉伸实现双向拉压耦合应力状态的试件

说明书

技术领域

本发明属于力学性能测量技术领域，具体涉及一种通过单向拉伸来实现双向拉压耦合应力状态的试件。

背景技术

传统的材料力学试验里，有单向拉伸、单向压缩和双向拉伸试验，对应的应力场分别为单向拉力、单向压力和双向拉力。研究材料在不同应力状态下的反应，对全面认识材料的性质、指导材料力学的教学与科研具有重要意义。

目前实现双向应力状态通常需采用双轴材料试验机，从两个方向分别对试件进行加载，以获得双向拉压耦合应力状态。但双轴材料试验机所需的试验设备比较复杂，而且同时从两个方向对试件加载，使同步协调的难度较大，增加了实验操作的复杂性，试验结果误差较大。

发明内容

本发明针对现有实现双向应力状态技术的不足，提供了一种通过单向拉伸来实现双向拉压耦合应力状态的试件。其特征在于，所述试件的外轮廓呈八边形；在试件的一条较长的中心轴线的两端对称设置两个圆孔，用于装载拉伸试验机的夹具；在试件的中心区域上对称设置4个平滑过渡的孔，使得试件的中心部位呈现十字交叉形状。

所述试件中心区域的十字交叉部位的上下两个表面通过打磨变薄，试件的厚度t1＝2～4mm，中心区域的厚度t2的取值范围为试件厚度t1的0.5～1.0倍。

所述试件中心区域表面和与之相连的四个十字支撑臂通过斜面过渡连接，斜面的角度不大于20°。

所述试件的尺寸范围为：试件长轴长度L1＝140～160mm，短轴长度W1＝70～90mm，与长轴平行的边长度L2＝20～40mm，与短轴平行的边长度W2＝20～40mm。

所述试件两端圆孔的圆心与平行于试件短轴的边的距离D1＝20～30mm，圆孔的直径Φ2＝5～10mm。

所述试件中心区域4个孔的中心距离试件两条轴线的距离相等，为D2＝10～20mm；孔直径φ1＝20～30mm，倒角半径R＝1.5～5mm。

本发明的有益效果为：使用简单方便，不需要复杂的配套夹具，直接利用现有的单向材料试验机，通过试件的单向拉伸即可实现平面拉压耦合的应力状态；压力场是通过试件自身的结构同步自动施加的，与试件的外部无接触，避免了使用双轴试验机才能实现这种双向应力状态的不足，同时也避免了使用双轴材料试验机时的双向同步协调加载问题。

附图说明

图1(a)为本发明所述试件俯视图；

图1(b)为本发明所述试件A-A面的剖面图；

图2为使用有限元软件对本发明试件进行应力分析时的网格划分图；

图3为本发明所述试件中心区域的十字交叉部位的各应力分量随加载位移的变化曲线图；

图4为本发明所述试件中心区域的十字交叉部位的各应变分量随加载位移的变化曲线图。

具体实施方式

本发明提供了一种通过单向拉伸来实现双向拉压耦合应力状态的试件，下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1(a)为本发明所述试件俯视图；图1(b)为本发明所述试件A-A面的剖面图。所述试件的材料为低碳钢，外轮廓呈八边形，其中，长轴长度L1＝150mm，短轴长度W1＝80mm，与长轴平行的边长度L2＝30mm，与短轴平行的边长度W2＝30mm；在试件的一条较长的中心轴线的两端对称设置两个圆孔，用于装载拉伸试验机的夹具，圆孔的圆心与平行于短轴的边的距离D1＝20mm，孔直径Φ2＝7mm；在试件的中心区域上对称设置4个平滑过渡的孔，使得试件的中心部位呈现十字交叉形状，4个孔的中心距试件两条轴线的距离D2＝15.5mm，孔直径Φ1＝25mm，倒角半径R＝2mm；将试件中心区域的十字交叉部位的上下两个表面通过打磨变薄，试件的厚度t1＝4mm，中心区域的厚度t2＝2mm，中心区域两个对边到试件中心点的距离相等，中心区域边界到试件中心点的垂直距离为6mm；试件中心区域表面和与之相连的四个十字支撑臂通过斜面过渡连接，斜面的角度为14°  。

试验时，将试件的两端装载于单向拉伸试验机的夹具上，试验机施加拉力，试件的中心部位即实现了双向拉压耦合的应力状态。中心十字交叉部位的应变的大小可以贴应变片测量，中心拉压工作区应力应变的大小也可以由有限元仿真计算的结果给出。

本实例即给出了有限元仿真得到的中心拉压耦合部位应力分布的结果，图2为使用有限元软件对本发明试件进行应力分析时的网格划分图。在试件左右两端的圆孔施加位移载荷，大小为4mm，加载时间为0.8ms，单元为实体单元。图3为本发明所述试件中心区域的十字交叉部位的各应力分量随加载位移的变化曲线图，可以看出，拉应力与压应力随时间变化的曲线基本上关于S＝0直线对称，两者绝对值相差不大，剪应力变化曲线始终贴近在S＝0直线上，大小基本上为0，可以忽略不计。图4为本发明所述试件中心区域的十字交叉部位的各应变分量随加载位移的变化曲线图，各分量变化的规律与图4应力的变化规律相同。