專利名稱：臂上開縫且中心區(qū)減薄型十字形試件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一種臂上開縫且中心區(qū)減薄型十字形試件，具體為板材雙向拉伸實 驗的試件，屬于板料塑性成形技術領域。
背景技術：
-在板料塑性成形領域，塑性屈服行為一直是重要的研究熱點，尤其是隨著 諸多新工藝、新結(jié)構(gòu)、新材質(zhì)的板材和一些新成形工藝的不斷推出，對屈服行 為(包括初始屈服和后繼屈服)的準確確定是在理論解析和有限元分析中得到 精確結(jié)果的關鍵。傳統(tǒng)的用于屈服行為研究的實驗方法都有一定的局限性。應用薄壁管在軸 向載荷和內(nèi)壓、軸向載荷和扭轉(zhuǎn)載荷作用下的試驗可實現(xiàn)不同的應變路徑，但 管件與板材在性能上有一定的差距；可用單拉試驗、圓板脹形試驗、平面應變 試驗和壓縮試驗等基本試驗組合，但僅能得到如單拉、平面應變或等雙拉點等 特定數(shù)據(jù)；由多塊板料膠合在一起的雙向壓縮實驗，可通過改變加載方式得到 不同的加載路徑，但由于摩擦引起的誤差，無法建立精確的應力應變關系。目 前，采用平板形試件進行雙拉實驗成為近來的主要方向。平板形試件雙拉實驗中，十字形雙向拉伸成為近來的研究熱點。隨著實驗 設備精密制造及計算機控制技術的發(fā)展，十字形雙向拉伸試驗己經(jīng)成為研究復 雜加載應變路徑最為方便的方法，特別是其具有可以直接計算應力、應變數(shù)值 的優(yōu)點。通過控制拉伸兩軸的載荷或位移大小，改變試件兩軸的拉力比值使中 心區(qū)得到不同的應力應變狀態(tài)，實現(xiàn)復雜加載，得到不同加載路徑下雙拉區(qū)應 力應變分布，建立相關屈服狀態(tài)。平面十字形試件雙向拉伸實驗方法早在20 世紀60年代就被提出，但直到近年來才取得一些突破，得到有關應用。限制平面十字形試件雙向拉伸實驗應用的主要問題有[1①十字形雙向拉 伸試件的設計和制備，解決試件中心區(qū)應力應變分布不均勻、圓角處應力集中 較大、兩軸載荷互相干涉、變形不規(guī)律和實現(xiàn)中心區(qū)大變形問題；②試件中心區(qū)應力、應變的測量和計算方法，尤其是中心區(qū)應力的確定問題；③雙向拉伸 載荷方式的控制，以實現(xiàn)不同的雙拉加載、無卸載非比例加載和雙線性加載等 不同的加載路徑。目前，對于第三個問題己經(jīng)較好地解決，關鍵的問題是解決 中心區(qū)大變形、受力不均和中心區(qū)應力的測量問題，重點是十字形試件的設計。實現(xiàn)中心區(qū)應力分布均勻和大變形，兩者既相互聯(lián)系，但具體實現(xiàn)又有相 互矛盾的地方。研究者設計了多種不同形式中心區(qū)和十字臂的十字形試件。為實現(xiàn)中心區(qū)的更大的變形量，早期的一些研究圍繞十字臂展開，如在十 字臂上采用焊接或螺栓連接的方式增加多個加強塊或加強板的十字形試件，使 試件的加工工序復雜；另一種為梯形十字臂的試件。所能達到的效果均有限。D. Banabic2]、 W. Miiller等[3]在Kreipig研究成果的基礎上給出了一種圓角 很大且深入到試件中心區(qū)的十字形試件，圓角的存在使剪應力的影響較大，中 心區(qū)應力計算不方便且不準確。為了解決中心區(qū)正應力不均勻的問題，臂上開槽/縫型的十字形試件被提 出。Kuwabam等W在其研究中，應用了臂上開縫的十字形試件，得到的中心區(qū) 變形量也是有限的。Kdl嚴則將中心區(qū)減薄與十字臂開槽相結(jié)合，提出了用開槽將十字臂分開 的十字形試件。Demmerle和Boehler^給出了幾種改進的十字形試件，包括梯 形臂開槽+中心區(qū)方形減薄、直臂開槽+中心區(qū)圓形減薄、鉸鏈式十字臂+開槽。 研究了一些幾何尺寸參數(shù)，如開槽間距、槽寬、圓角半徑、中心變薄區(qū)幾何尺 寸等對中心區(qū)應力、應變的影響，認為較優(yōu)的臂厚帶鉸鏈式過渡且開槽的減薄 試件能達到其設計目的，但加工復雜，要求材料厚度較大。Lin和Dingm在其研究中采用了臂上開槽+中心區(qū)減薄的形式，每個十字臂 上分別有4條槽，并4個孔用于加載拉伸，減薄方式為二次軋制。Green等[8]采用了臂上開槽、中心區(qū)方形減薄的十字形試件，但十字臂開槽 分布不均勻，且減薄區(qū)寬度小于臂的寬度。這樣的優(yōu)點是可以得到較大變形， 但中心區(qū)應力計算不方便。Yu等P]基于極限應變分析，對十字形試件進行了優(yōu)化設計。其采用中心區(qū) 二次減薄的設計方案，先是十字槽形減薄，然后再在中心進行圓形減薄，以進 一步使變形集中在中心區(qū)。但是，該設計方案不利于加工制備，且由于形狀復雜，中心區(qū)應力的計算較困難。吳向東等[1<)]基于板料屈服行為研究的目的，采用臂上開縫型十字形試件進 行了優(yōu)化設計，給出了較為合適的試件尺寸，并結(jié)合復雜應變路徑的實現(xiàn)進行了分析。實驗表明，這種試件只能達到一定程度的變形量，等效應變約0.02?？偨Y(jié)起來，十字形試件的形式大致有如下幾種普通型，臂上開槽/縫型， 臂上開槽/縫且中心區(qū)減薄型，圓角型，十字臂為夾層(加強)型，梯形十字臂 型，十字臂為梯形、臂上開槽/縫且中心區(qū)減薄型。在這些不同形式的十字形試件中，以臂上開縫/槽型的研究最多，優(yōu)點是臂 上開縫/槽可以大大減小甚至消除中心區(qū)的剪應力，從而使中心變形區(qū)的應力主 軸和拉伸方向重合，這樣可以方便地測量計算中心區(qū)的應力值；其缺點是這種 試件僅對強化材料才適用，且中心區(qū)變形不會很大，因為只有當縫/槽區(qū)域的金 屬已進入強化階段后，中心試驗區(qū)應力才能達到足夠高的水平。往往出現(xiàn)十字 臂先于中心區(qū)斷裂的情況。中心區(qū)減薄型可以實現(xiàn)中心較大變形，但是這種試 件需要對中心區(qū)進行加工使其變薄，必須采用合適的加工方法制備試件；而十 字臂加強的試件則由于裝夾難度較大，實現(xiàn)起來較為困難。 [1]韓非，萬敏，吳向東.板料成形極限理論與實驗研究進展[J].塑性工程學報,2006, 13(5): 80-86[2] D. Banabic, H. Aretz, D. S. Comsa. L. Paraianu. An'improved analytical description of orthotropy in metallic sheets[J], International Journal of Plasticity, 2005.21(3): 493-512[3] W. Miiller, K. P6hlandt。
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-圖1為基本形式的十字形試件圖2為在十字臂上均勻開縫后的十字形試件圖3為臂上開縫均布、中心區(qū)方形減薄的十字形試件圖4為臂上開縫均布、中心區(qū)組合式減薄的十字形試件圖5為中心區(qū)兩面對稱減薄的示意6為臂上開縫均布、中心區(qū)方形減薄的十字形試件具體實施例 圖7為臂上開縫均布、中心區(qū)組合式減薄的十字形試件具體實施例
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的技術方案做進一步的說明。 本發(fā)明是通過以下技術方案來實現(xiàn)的。采用基本的十字形試件作為基礎，試件長寬相等，尺寸范圍為360 380 mm，十字臂寬84 108 mm;在臂與臂 之間，有圓弧過渡，過渡半徑為2 6mm，見圖l。然后在十字臂上開縫(縫 寬0.2 0.5mm)，間隔均勻，共11條，見圖2，開縫長度為40 60 mm;另外 開縫在靠近中心區(qū)域的一端，留有/= 1 2mm的工藝間隔。最后在中心區(qū)域 減薄，如圖3、 4所示；中心減薄區(qū)與十字臂等寬度，并在板材兩面對稱減薄， 減薄后的厚度比為0.5 0.7(中心厚度/臂厚度)，見圖5;減薄區(qū)形狀為方形或 組合形式。方形減薄在中心區(qū)有一圓角過渡，W=12 20mm，且該過渡不能與 開縫的端點相切，見圖3;組合式減薄的過渡為三段相切的1/4圓弧，半徑相 等，r = 6 12mm，見圖4。實施例一如圖6所示，基本的十字形試件長X寬為360mmX360mm，十字臂寬96 mm，臂與臂之間過渡圓弧半徑為6 mm。然后十字臂上開縫，各開縫11條， 間隔均勻，間距8mm，縫長50mm，且在靠近中心區(qū)域的一端，留有/=1111111 的工藝間隔。最后對中心區(qū)進行兩面對稱減薄，取厚度比(中心厚度/臂厚度) 為0.6，圓角半徑為12mm，圖5所示的厚度過渡由所采用的減薄工藝決定。實施例二如圖7所示，基本的十字形試件長X寬為360mmX360mm，十字臂寬96 mm，臂與臂之間過渡圓弧半徑為4 mm。然后十字臂上開縫，各開縫11條， 間隔均勻，間距8mm，縫長50mm，且在靠近中心區(qū)域的一端，留有/二lmm 的工藝間隔。最后對中心區(qū)進行兩面對稱減薄，取厚度比為0.6，三段相切式的 圓弧過渡其半徑為8mm，圖5所示的厚度過渡由所采用的減薄工藝決定。
權利要求
1、一種臂上開縫且中心區(qū)減薄型十字形試件，采用基本的十字形試件作為基礎，試件長寬相等，在十字臂的臂與臂之間，有圓弧過渡；十字臂上有間隔均勻的開縫；中心減薄區(qū)為兩面對稱減薄；其特征在于中心減薄區(qū)與十字臂等寬度；減薄區(qū)形狀為方形減薄或組合式減薄。
2、 根據(jù)權利要求1所述的臂上開縫且中心區(qū)減薄型十字形試件，其特征在 于所述的方形減薄在中心區(qū)有一圓角過渡，及-12 20mm，且該過渡不能與 開縫的端點相切。
3、 根據(jù)權利要求1所述的臂上開縫且中心區(qū)減薄型十字形試件，其特征在 于所述的組合式減薄的過渡為三段相切的1/4圓弧，半徑相等，r = 6 12mm。
全文摘要
本發(fā)明一種臂上開縫且中心區(qū)減薄型十字形試件，采用基本的十字形試件作為基礎，試件長寬相等，在十字臂的臂與臂之間，有圓弧過渡；十字臂上有間隔均勻的開縫；中心減薄區(qū)為兩面對稱減??；其特征在于中心減薄區(qū)與十字臂等寬度；減薄區(qū)形狀為方形減薄或組合式減?。凰龅姆叫螠p薄在中心區(qū)有一圓角過渡，R＝12～20mm，且該過渡不能與開縫的端點相切；組合式減薄的過渡為三段相切的1/4圓弧，半徑相等，r＝6～12mm。本發(fā)明的減薄區(qū)寬度與臂寬度相等使計算應力方便準確；減薄區(qū)的圓角過渡則減小了應力集中。該試件用于復雜加載路徑下雙向拉伸實驗，提高變形量，達到大變形。
文檔編號G01N3/00GK101251453SQ20081010408
公開日2008年8月27日 申請日期2008年4月15日 優(yōu)先權日2008年4月15日
發(fā)明者敏 萬, 吳向東, 王海波, 非 韓 申請人:北京航空航天大學