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(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型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(shí)驗(yàn)的試件，屬于板料塑性成形技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景
在板料塑性成形領(lǐng)域，塑性屈服行為一直是重要的研究熱點(diǎn)，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(duì)屈服行 為(包括初始屈服和后繼屈服)的準(zhǔn)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(guān)鍵。
傳統(tǒng)的用于屈服行為研究的實(shí)驗(yàn)方法都有一定的局限性。應(yīng)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(yàn)可實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)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(yàn)、圓板脹形試驗(yàn)、平面應(yīng)變 試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)等基本試驗(yàn)組合，但僅能得到如單拉、平面應(yīng)變或等雙拉點(diǎn)等 特定數(shù)據(jù)；由多塊板料膠合在一起的雙向壓縮實(shí)驗(yàn)，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(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。目 前，采用平板形試件進(jìn)行雙拉實(shí)驗(yàn)成為近來的主要方向。
平板形試件雙拉實(shí)驗(yàn)中，十字形雙向拉伸成為近來的研究熱點(diǎn)。隨著實(shí)驗(yàn) 設(shè)備精密制造及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，十字形雙向拉伸試驗(yàn)已經(jīng)成為研究復(fù) 雜加載應(yīng)變路徑最為方便的方法，特別是其具有可以直接計(jì)算應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)值 的優(yōu)點(diǎn)。通過控制拉伸兩軸的載荷或位移大小，改變?cè)嚰奢S的拉力比值使中 心區(qū)得到不同的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜加載，得到不同加載路徑下雙拉區(qū)應(yīng) 力應(yīng)變分布，建立相關(guān)屈服狀態(tài)。平面十字形試件雙向拉伸實(shí)驗(yàn)方法早在20 世紀(jì)60年代就被提出，但直到近年來才取得一些突破，得到有關(guān)應(yīng)用。
限制平面十字形試件雙向拉伸實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的主要問題有[1]:①十字形雙向拉 伸試件的設(shè)計(jì)和制備，解決試件中心區(qū)應(yīng)力應(yīng)變分布不均勻、圓角處應(yīng)力集中 較大、兩軸載荷互相干涉、變形不規(guī)律和實(shí)現(xiàn)中心區(qū)大變形問題；②試件中心區(qū)應(yīng)力、應(yīng)變的測(cè)量和計(jì)算方法，尤其是中心區(qū)應(yīng)力的確定問題；③雙向拉伸 載荷方式的控制，以實(shí)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(duì)于第三個(gè)問題己經(jīng)較好地解決，關(guān)鍵的問題是解決 中心區(qū)大變形、受力不均和中心區(qū)應(yīng)力的測(cè)量問題，重點(diǎn)是十字形試件的設(shè)計(jì)。
實(shí)現(xiàn)中心區(qū)應(yīng)力分布均勻和大變形，兩者既相互聯(lián)系，但具體實(shí)現(xiàn)又有相 互矛盾的地方。研究者設(shè)計(jì)了多種不同形式中心區(qū)和十字臂的十字形試件。
為實(shí)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(gè)加強(qiáng)塊或加強(qiáng)板的十字形試件，使 試件的加工工序復(fù)雜；另一種為梯形十字臂的試件。所能達(dá)到的效果均有限。
D. Banabic[2]、 W. Miiller等[31在Kreipig研究成果的基礎(chǔ)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(yīng)力的影響較大，中 心區(qū)應(yīng)力計(jì)算不方便且不準(zhǔn)確。
為了解決中心區(qū)正應(yīng)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(yīng)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。
Kelly^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(jìn)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?zhǔn)绞直?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(duì)中心區(qū)應(yīng)力、應(yīng)變的影響，認(rèn)為較優(yōu)的臂厚帶鉸鏈?zhǔn)竭^渡且開槽的減薄 試件能達(dá)到其設(shè)計(jì)目的，但加工復(fù)雜，要求材料厚度較大。
Lin和Ding^在其研究中采用了臂上開槽+中心區(qū)減薄的形式，每個(gè)十字臂 上分別有4條槽，并4個(gè)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(diǎn)是可以得到較大變形， 但中心區(qū)應(yīng)力計(jì)算不方便。
Yu等P]基于極限應(yīng)變分析，對(duì)十字形試件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。其采用中心區(qū) 二次減薄的設(shè)計(jì)方案，先是十字槽形減薄，然后再在中心進(jìn)行圓形減薄，以進(jìn) 一步使變形集中在中心區(qū)。但是，該設(shè)計(jì)方案不利于加工制備，且由于形狀復(fù)雜，中心區(qū)應(yīng)力的計(jì)算較困難。
吳向東等,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(jìn) 行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出了較為合適的試件尺寸，并結(jié)合復(fù)雜應(yīng)變路徑的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行
了分析。實(shí)驗(yàn)表明，這種試件只能達(dá)到一定程度的變形量，等效應(yīng)變約0.02。 總結(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(qiáng))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(diǎn)是臂 上開縫/槽可以大大減小甚至消除中心區(qū)的剪應(yīng)力，從而使中心變形區(qū)的應(yīng)力主 軸和拉伸方向重合，這樣可以方便地測(cè)量計(jì)算中心區(qū)的應(yīng)力值；其缺點(diǎn)是這種 試件僅對(duì)強(qiáng)化材料才適用，且中心區(qū)變形不會(huì)很大，因?yàn)橹挥挟?dāng)縫/槽區(qū)域的金 屬已進(jìn)入強(qiáng)化階段后，中心試驗(yàn)區(qū)應(yīng)力才能達(dá)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(shí)現(xiàn)中心較大變形，但是這種試 件需要對(duì)中心區(qū)進(jìn)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(qiáng)的試件則由于裝夾難度較大，實(shí)現(xiàn)起來較為困難。韓非，萬敏，吳向東.板料成形極限理論與實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展[J].塑性工程學(xué)報(bào)， 2006, 13(5): 80-86 D. Banabic， H. Aretz, D. S. Comsa. L. Paraianu. An improved analytical description of orthotropy in metallic sheets [J]. Interfiational Journal of Plasticity, 2005.21(3): 493-512
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實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種臂上開縫且中心區(qū)減薄型十字形試件，以 克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種能實(shí)現(xiàn)中心區(qū)大變形、應(yīng)力分布均勻且 應(yīng)力計(jì)算方便準(zhǔn)確，臂上開縫均布、中心區(qū)方形或組合式減薄的十字形試件， 使其能用于復(fù)雜加載路徑下的板材雙向拉伸實(shí)驗(yàn)，且能滿足加工制備方便的要 求。本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。采用基本的十字形試件作為基 礎(chǔ)，試件長(zhǎng)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(duì)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。方形減薄在中心區(qū)有一圓角過渡， i =12 20mm，且該過渡不能與開縫的端點(diǎn)相切；組合式減薄的過渡為三段相 切的l/4圓弧，半徑相等，r = 6 12mm。
本實(shí)用新型提供一種臂上開縫且中心區(qū)減薄型十字形試件，其優(yōu)點(diǎn)及功效 在于本實(shí)用新型的減薄區(qū)寬度與臂寬度相等使計(jì)算應(yīng)力方便準(zhǔn)確；減薄區(qū)的 圓角過渡則減小了應(yīng)力集中。該試件用于復(fù)雜加載路徑下雙向拉伸實(shí)驗(yàn)，提高 變形量，達(dá)到大變形。


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(duì)稱減薄的示意圖
圖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(shí)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(shí)施例 圖中具體標(biāo)號(hào)如下
1、十字臂 2、圓弧過渡 3、開縫
4、中心減薄區(qū) 5、厚度過渡 6、兩面對(duì)稱減薄
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明。 本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。采用基本的十字形試件作為基
礎(chǔ)，試件長(zhǎng)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1。然后在十字臂上開縫 (縫寬0.2 0.5111111)，間隔均勻，共ll條，見圖2，開縫長(zhǎng)度為40 60 mm; 另外開縫在靠近中心區(qū)域的一端，留有/ = 1 2 mm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(duì)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，/ = 12 20mm，且該過渡不 能與開縫的端點(diǎn)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(shí)施例一
如圖6所示，基本的十字形試件長(zhǎng)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(zhǎng)50mm，且在靠近中心區(qū)域的一端，留有/=1111111 的工藝間隔。最后對(duì)中心區(qū)進(jìn)行兩面對(duì)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(shí)施例二
如圖7所示，基本的十字形試件長(zhǎng)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(zhǎng)50mm，且在靠近中心區(qū)域的一端，留有/=1111111 的工藝間隔。最后對(duì)中心區(qū)進(jìn)行兩面對(duì)稱減薄，取厚度比為0.6，三段相切式的 圓弧過渡其半徑為8 mm，圖5所示的厚度過渡由所采用的減薄工藝決定。
權(quán)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(chǔ)，試件長(zhǎng)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(duì)稱減?。黄涮卣髟谟谥行臏p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(quán)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，i = 12 20mm，且該過渡不能與 開縫的端點(diǎn)相切。
3、 根據(jù)權(quán)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。
專利摘要本實(shí)用新型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(chǔ)，試件長(zhǎng)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(duì)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薄；所述的方形減薄在中心區(qū)有一圓角過渡，R＝12～20mm，且該過渡不能與開縫的端點(diǎn)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。本實(shí)用新型的減薄區(qū)寬度與臂寬度相等使計(jì)算應(yīng)力方便準(zhǔn)確；減薄區(qū)的圓角過渡則減小了應(yīng)力集中。該試件用于復(fù)雜加載路徑下雙向拉伸實(shí)驗(yàn)，提高變形量，達(dá)到大變形。
文檔編號(hào)G01N3/00GK201225974SQ20082007995
公開日2009年4月22日 申請(qǐng)日期2008年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月15日
發(fā)明者敏 萬, 吳向東, 王海波, 非 韓 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)