[發明專利]一種I型裂紋試樣的動態對稱拉伸裝置及其實驗方法

有效

• 申請號: 201810121056.0
• 申請日: 2018-02-07
• 公開（公告）號: CN108333047B
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發明（設計）人: 李玉龍;聶海亮;劉會芳
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08
• 代理公司: 北京中珒知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11806
• 代理人: 王中

本發明涉及材料領域的斷裂力學性能測試的實驗方法，是一種I型裂紋試樣的動態對稱拉伸裝置及其實驗方法。本發明的一種試樣動態對稱拉伸裝置，包括電源、電容充電器、加載槍和波導桿桿系統，所述電容充電器采用現有電磁鉚接設備的供電部分,兩個參數相同的加載槍并聯連接后，接入所述電容充電器中。本發明還涉及一種根據前述試樣動態對稱拉伸裝置的實驗方法。由于兩個加載槍的參數相同，并且是并聯接入電容充電器，因此放電電流會同步并且均勻地分配到兩個加載槍中，從而在兩個加載槍中產生相同的壓縮應力波，并分別在兩個凸臺反射成拉伸波并進入拉伸桿同時對試樣進行加載，所以能夠實現對試樣的對稱加載，以保證試樣裂紋擴展為I型層裂裂紋。

技術領域

本發明涉及材料領域的斷裂力學性能測試的實驗方法，具體是一種I型裂紋試樣的動態對稱拉伸裝置及其實驗方法。

背景技術

目前，在斷裂力學領域，I型裂紋的斷裂韌性測量是一個重要的研究問題。Jose等采用標準緊湊拉伸(Compact Tension，CT)試樣測量I型層間斷裂韌性，收到良好效果。

另外，在斷裂力學領域，雙懸臂梁(DCB)實驗已經是測量I型準靜態層間斷裂韌性的標準試驗。DCB試樣也被廣泛地應用于膠接層I型斷裂韌性的測量中。

然而，在通常情況下，復合材料層合板容易受到面外的沖擊載荷，層間裂紋一般表現出動態擴展。因此需要對動態層間斷裂進行深入的研究。動態斷裂力學主要研究兩大類問題。第一類問題是含裂體在動態載荷下的起裂問題；第二類是裂紋的快速擴展以及止裂問題。

第一類問題研究的主要內容即為動態加載下裂紋起始的斷裂準則，即動態起裂韌性(以I型斷裂為例表示為K_IC^d或G_IC^d)的測量。動態情況下，由于慣性效應，CT試樣很難進行I型裂紋加載。為了利用最常用的分離式霍普金森壓桿系統進行CT試樣的對稱加載，一些學者提出了一些改進的霍普金森壓桿實驗方法。Sun等采用HPB加載WLCT試樣，在入射桿端加工一個凸起，實驗時將所述凸起嵌入標準緊湊拉伸(CT)試樣的初始裂紋之內，在壓縮過程中，凸起會對初始裂紋的兩個裂紋面施加對稱的拉伸力矩，從而實現動態加載。為研究界面的動態層間斷裂韌性，Syn設計一種四點彎曲試樣，如加載裝置為霍普金森壓桿，四點彎曲加載裂紋尖端只受彎矩的作用，試驗中采用石英壓電薄膜測量動態載荷。Wu等采用三點彎曲方式測量動態層間斷裂韌性，加載裝置為霍普金森壓桿。以上方法都是將壓縮力變成對稱的拉伸力矩，但是由于試樣加工精度的問題，加載力的對稱性很難達到。

此外，在實現I型動態層間斷裂最常用的DCB試樣時，加載形式為拉伸加載，只是加載的速率比準靜態加載速率有所提高。

實現高的加載速率有以下幾種的方法：(1)采用一般試驗機進行高速加載，該方法簡單易行，但其加載速率受試驗機最大加載速率的限制，加載速率一般在1m/s以下；(2)通過設計復雜的加載裝置，放大試驗機的加載速率，Hug等采用一種裝置將原有試驗機的垂直位移轉換為水平位移，水平加載的速率是垂直加載速率的4倍，能達到的最大加載速率為1.6m/s，Joannic等設計的加載裝置，可達到的最大加載速率為2.4m/s；(3)采用高速試驗機，Blackman等采用高速試驗機對DCB試樣進行加載，最大的加載速度可達15m/s；(4)采用落錘加載DCB試樣。上述加載方式均為為單向加載，其缺點是，在高速情況下，試樣加載不對稱，斷裂形式為I/II復合型斷裂。

除了拉伸形式的DCB試驗之外，還有動態壓縮形式的DCB試驗：(1)WIF試樣，Kusaka等采用HPB加載復合材料層合板WIF試樣，加載速率可達20m/s，Thouless等采用落錘加載WIF試樣，測量膠接層的動態斷裂韌性；(2)采用落錘楔入加載DCB試樣。但是這種方法也無法保證裂紋擴展為純I型裂紋。