[发明专利]一种拉扭组合多轴断裂实验系统及实验方法

权利要求书

1.一种拉扭组合多轴断裂实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：设计并制备试样（2），包括：

S11：通过有限元分析来模拟计算试样（2）在不同应力三轴度和罗德参数水平下的加载方式；

所述S11包括：

S111：根据国家标准对与试样（2）同材质的板状材料进行准静态单轴拉伸实验；

S112：建立三维有限元模型，输入准静态单轴拉伸实验获取的材料参数，模型一端施加固定约束，另一端设置施加一组加载比不变的加载方式，并获取对应的应力三轴度和罗德参数；

S113：通过改变加载比，得到对应于不同加载方式的初始应力三轴度和初始罗德参数，并记录各个加载方式及其对应的初始应力三轴度和初始罗德参数；

S12：根据S11的设计结果加工试样（2）；

S13：判断试样（2）是否满足尺寸精度要求；

S14：对试样（2）进行表面处理并制作散斑；

S2：搭建一拉扭组合多轴断裂实验系统，装夹所述试样（2），按照S11的加载方式逐一进行拉扭组合实验，测试并记录实验过程中的试样照片、轴向拉力和扭矩；

其中，所述拉扭组合多轴断裂实验系统包括动态拉扭试验机（1）以及与动态拉扭试验机（1）通信相连的控制装置（3），所述动态拉扭试验机（1）具有上夹头（11）和下夹头（12）和力传感器（13），并由所述上夹头（11）、下夹头（12）将一试样（2）装夹于该动态拉扭试验机（1）上，所述试样（2）为一缺口薄壁管试样，其上设有散斑；所述试样（2）的两端分别为夹持段（22），自两端分别轴向向内为缩颈的平行段（21），所述平行段（21）之间设有沿该薄壁管周向设置且光滑过渡的钝形缺口（23），通孔（24）的内径与夹持段（22）的外径的同轴度小于等于0.01；所述拉扭组合多轴断裂实验系统还包括一与所述控制装置（3）通过一同步触发装置（4）相连的非接触式三维应变光学测量系统（5）；所述非接触式三维应变光学测量系统（5）包括与所述同步触发装置（4）相连的两个相机（51、52）以及与所述两个相机（51、52）均相连的图像采集和数据处理装置（54）；

S3：采用S2中的拉扭组合多轴断裂实验系统的图像采集和数据处理装置（54）中的图像分析软件自动处理所述试样照片得到全场应变图像；

所述S3还包括根据所述全场应变图像进一步分析得到载荷位移曲线以及断裂应变，所述载荷位移曲线通过以下步骤得到：

S31：在所述图像分析软件的全场应变图像上对应于试样（2）的缺口处选取的具有标距的两参考点，图像分析软件直接输出这两个参考点在整个加载过程中各自的三个坐标方向上的多组位移变化值；

S32：根据两个参考点的轴向位移变化之差计算两参考点之间的相对轴向位移，通过该两参考点的转角之差计算两参考点之间的相对转角，得到两参考点在整个加载过程中的相对多组轴向位移值和相对转角值；

S33：以S2测得的轴向拉力与扭矩为载荷，S32得到的两参考点在同时刻的一组相对轴向位移值和相对转角值为位移量，得到载荷位移曲线；

所述断裂应变根据上述的轴向力位移曲线的轴向力减小的位置和扭矩转角曲线中扭矩减小的位置得到；

所述参考点的转角α为：

，

，

，

其中，A₁代表参考点的初始位置， A₂为参考点变形后的位置，A₂’为A₂在A₁点横截面上的投影点，R为试样（2）在缺口处的半径，单位mm，Δx为参考点沿坐标轴x方向上的位移，单位mm，Δz为参考点沿坐标轴z方向上的位移，单位mm。

2.根据权利要求1所述的拉扭组合多轴断裂实验方法，其特征在于，所述两个相机（51、52）之间设有LED灯（53）。

3.根据权利要求1所述的拉扭组合多轴断裂实验方法，其特征在于，所述散斑是通过用砂纸对缺口薄壁管试样的表面进行打磨处理，再将试样表面均匀喷涂一层白色的高温哑光漆，待试样表面油漆风干后，最后选用黑色的哑光漆在试样表面均匀喷涂制得的。

4.根据权利要求1所述的拉扭组合多轴断裂实验方法，其特征在于，在进行所述拉扭组合实验之前，还包括：调节两个相机（51、52）的高度和LED灯（53）的位置，使试样的缺口处于两个相机（51、52）的成像照片的中间，在图像采集与数据处理装置（54）上将相机（51、52）的采集图像频率设置为5Hz，将轴向拉力与扭矩的记录频率设置为5Hz。