硬質(zhì)復(fù)合材料純i型動態(tài)斷裂試件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明一種硬質(zhì)復(fù)合材料純I型動態(tài)斷裂試件，整體形狀為圓盤形狀結(jié)構(gòu)，上下表面相互平行，在圓盤的周向上對稱設(shè)置兩平臺，兩平臺平行且尺寸一致，在圓盤上兩平臺之間的直徑方向上設(shè)置貫穿直槽型裂紋，貫穿直槽型裂紋關(guān)于圓盤的圓心位置對稱；平臺與貫穿直槽型裂紋垂直；本發(fā)明在試件上設(shè)置了直槽型貫穿型裂紋，能夠直接引導(dǎo)直槽型貫穿型裂紋的擴展，從而獲得純I型裂紋；在周向上設(shè)置了平行的加載平臺，便于直接與入射桿、透射桿接觸，便于應(yīng)力波傳播，有效減少應(yīng)力集中；無需新加工夾具和壓桿，簡便裝夾就能達到實驗可靠性要求。
【專利說明】硬質(zhì)復(fù)合材料純I型動態(tài)斷裂試件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于動態(tài)斷裂力學(xué)領(lǐng)域，特別是一種硬質(zhì)復(fù)合材料純I型動態(tài)斷裂試件。【背景技術(shù)】
[0002]動態(tài)斷裂力學(xué)是固體力學(xué)其中的一個分支，近十年來一直是一項研究熱點。同斷裂理論其他分支相比，動態(tài)斷裂力學(xué)是最為不成熟的分支，20世紀(jì)70年代末才逐漸建立基本的概念。迄今為止，動態(tài)斷裂力學(xué)仍然不是一門成熟的學(xué)科。與靜態(tài)斷裂力學(xué)相比，動態(tài)斷裂力學(xué)不僅在數(shù)學(xué)問題的處理中存在一定的困難，同時物理上的復(fù)雜性也使得實驗研究工作難度加大。此外，現(xiàn)階段針對動態(tài)斷裂力學(xué)研究的相關(guān)測試技術(shù)復(fù)雜性和局限性也對制約這一學(xué)科的發(fā)展速度。目前，國際上各國學(xué)者廣泛運用霍普金森壓桿裝置(SHPB)對不同材料進行動態(tài)斷裂實驗。其基本原理是建立在一維應(yīng)力波的基礎(chǔ)上，通過測量和轉(zhuǎn)換信號獲得材料在101?103范圍內(nèi)的應(yīng)變率。這要求材料在動態(tài)加載過程中試件能在一維應(yīng)力波的作用下滿足應(yīng)力平衡要求，進而發(fā)生斷裂失穩(wěn)，而非單純運用SHPB實驗系統(tǒng)獲得沖擊載荷。此外，沖擊載荷下試件能否滿足純I型斷裂也難以保證。為此，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者相繼提出了短棒型，半圓型，圓盤人字型試件。這些試件結(jié)構(gòu)并沒有得到統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)化，對同一材料測得的實驗結(jié)果也存在一定的差異。文章“Effect of Thermal Treatment on theDynamic Fracture Toughness of Laurentian Granite”米用半圓型試件在 SHPB 系統(tǒng)中進行沖擊加載，盡管實驗結(jié)果滿足I型斷裂形面，但無法避免線型加載帶來的應(yīng)力集中所帶來的實驗誤差，并存在一定的爭議:加載率達到一定的程度時，線型加載引起應(yīng)力集中導(dǎo)致加載區(qū)先于預(yù)制裂紋處發(fā)生斷裂失效。此外，如用半圓型試件加載，需從新加工入射桿和透射桿，且精度要求很高，無疑實驗成本提高。文章“Dynamic cracked chevron notchedBrazilian disc method for measuring rock fracture parameters” 中運用中心予頁制人字型裂紋圓盤試件進行實驗分析。這一實驗構(gòu)件不需要重新加工入射桿，也能獲得良好的I型斷裂形面。然而，人字型預(yù)制槽幾何形面相對復(fù)雜，理論分析復(fù)雜繁瑣，需要進行多次實驗對相關(guān)參數(shù)標(biāo)定。同時，此種試件也無法避免高加載率下應(yīng)力集中所帶來的不良影響，應(yīng)力波能否充分傳播也存在爭議。這兩類試件是國內(nèi)外學(xué)者廣泛運用的模型。目的在于獲得I型斷裂形面，沒有考慮結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對實驗結(jié)果準(zhǔn)確真實性的影響。動態(tài)斷裂研究應(yīng)結(jié)合實驗要求和滿足一維應(yīng)力波理論要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種有利于滿足一維應(yīng)力理論實驗要求，便于在霍普金森實驗系統(tǒng)沖擊加載條件下夾持穩(wěn)固，實現(xiàn)純I型斷裂形面，有效避免復(fù)合型裂紋產(chǎn)生的硬質(zhì)復(fù)合材料純I型動態(tài)斷裂試件。
[0004]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:
[0005]一種硬質(zhì)復(fù)合材料純I型動態(tài)斷裂試件，整體形狀為圓盤形狀結(jié)構(gòu)，上下表面相互平行，在圓盤的周向上對稱設(shè)置兩平臺，兩平臺平行且尺寸一致，在圓盤上兩平臺之間的直徑方向上設(shè)置貫穿直槽型裂紋，貫穿直槽型裂紋關(guān)于圓盤的圓心位置對稱；平臺與貫穿直槽型裂紋垂直。
[0006]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點:
[0007]( I)本發(fā)明在試件上設(shè)置了直槽型貫穿型裂紋，與現(xiàn)有技術(shù)不設(shè)置裂紋相比，能夠直接引導(dǎo)直槽型貫穿型裂紋的擴展，從而獲得純I型裂紋，避免沖擊加載率過高時在加載端產(chǎn)生紊亂裂紋。
[0008](2)本發(fā)明在試件周向上設(shè)置了平行的加載平臺，能增大接觸面，便于直接與入射桿、透射桿接觸，便于應(yīng)力波傳播，有效減少應(yīng)力集中；同時能實現(xiàn)對稱裝夾，有效避免弧形加載帶來的非對稱加載。
[0009](3)本發(fā)明能嚴(yán)格達到國際材料機構(gòu)尺寸規(guī)定，減少實驗結(jié)果差異性，達到結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和實驗結(jié)果準(zhǔn)確、真實性目的；簡化構(gòu)件結(jié)構(gòu)，從而避免繁瑣復(fù)雜理論分析，直接在斷裂過程區(qū)進行分析；節(jié)約實驗成本和時間，無需新加工夾具和壓桿，簡便裝夾就能達到實驗可靠性要求。
[0010]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)俯視圖。
圖3是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)透視圖。
【具體實施方式】
[0013]結(jié)合圖1:
[0014]本發(fā)明一種硬質(zhì)復(fù)合材料純I型動態(tài)斷裂試件，整體形狀為圓盤形狀結(jié)構(gòu)，上下表面相互平行，在圓盤的周向上對稱設(shè)置兩平臺，兩平臺平行且尺寸一致，在圓盤上兩平臺之間的直徑方向上設(shè)置貫穿直槽型裂紋，貫穿直槽型裂紋關(guān)于圓盤的圓心位置對稱；平臺與貫穿直槽型裂紋垂直。
[0015]所述的圓盤的厚度為直徑的0.2倍-0.3倍。
[0016]所述的貫穿直槽型裂紋的長度為圓盤直徑的0.5倍-0.7倍。
[0017]所述的貫穿直槽型裂紋長度對應(yīng)的圓心角為15° -30°。
[0018]其結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，節(jié)約實驗成本和時間，且制作簡便、可實施性良好，無需添加其他夾具和模具即可在霍普金森壓桿中直接進行實驗。
[0019]本發(fā)明試件結(jié)構(gòu)加工簡單，目的在于獲取純I型斷裂裂紋，有效避免復(fù)合型裂紋產(chǎn)生，能嚴(yán)格達到國際材料機構(gòu)尺寸規(guī)定，減少實驗結(jié)果差異性，達到結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和實驗結(jié)果準(zhǔn)確、真實性目的；減少沖擊加載引起加載區(qū)應(yīng)力集中效應(yīng)，避免裂紋首先在加載端面行成并擴展；實現(xiàn)一維應(yīng)力波充分傳播，為實驗過程中達到應(yīng)力平衡提供一定的條件；簡化構(gòu)件結(jié)構(gòu)，從而避免繁瑣復(fù)雜理論分析，直接在斷裂過程區(qū)進行分析；節(jié)約實驗成本和時間，無需新加工夾具和壓桿，簡便裝夾即可在霍普金森壓桿中直接進行實驗，能達到實驗可靠性要求。
[0020]實施例1:[0021]本發(fā)明一種硬質(zhì)復(fù)合材料純I型動態(tài)斷裂試件，整體形狀為圓盤形狀結(jié)構(gòu)，上下表面相互平行，圓盤的厚度為直徑的0.2倍，在圓盤的周向上對稱設(shè)置兩平臺，兩平臺平行且尺寸一致，在圓盤上兩平臺之間的直徑方向上設(shè)置貫穿直槽型裂紋，貫穿直槽型裂紋的長度為圓盤直徑的0.6倍，貫穿直槽型裂紋關(guān)于圓盤的圓心位置對稱；平臺與貫穿直槽型裂紋垂直，貫穿直槽型裂紋長度對應(yīng)的圓心角為15°。
[0022]實施例2:
[0023]本發(fā)明一種硬質(zhì)復(fù)合材料純I型動態(tài)斷裂試件，整體形狀為圓盤形狀結(jié)構(gòu)，上下表面相互平行，圓盤的厚度為直徑的0.3倍，在圓盤的周向上對稱設(shè)置兩平臺，兩平臺平行且尺寸一致，在圓盤上兩平臺之間的直徑方向上設(shè)置貫穿直槽型裂紋，貫穿直槽型裂紋的長度為圓盤直徑的0.7倍，貫穿直槽型裂紋關(guān)于圓盤的圓心位置對稱；平臺與貫穿直槽型裂紋垂直，貫穿直槽型裂紋長度對應(yīng)的圓心角為30°。
[0024]實施例3:
[0025]如圖1、2、3所示:
[0026]本發(fā)明一種硬質(zhì)復(fù)合材料純I型動態(tài)斷裂試件，整體形狀為圓盤形狀結(jié)構(gòu)，上下表面相互平行，圓盤的厚度為直徑的0.25倍，在圓盤的周向上對稱設(shè)置兩平臺，兩平臺平行且尺寸一致，在圓盤上兩平臺之間的直徑方向上設(shè)置貫穿直槽型裂紋，貫穿直槽型裂紋的長度為圓盤直徑的0.5倍，貫穿直槽型裂紋關(guān)于圓盤的圓心位置對稱；平臺與貫穿直槽型裂紋垂直，貫穿直槽型裂紋長度對應(yīng)的圓心角為20°。
[0027]結(jié)合附圖1，結(jié)構(gòu)特征為圓盤型，平臺對應(yīng)的圓心角為20°能有效將軸向沖擊力轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪庇跊_載方向的拉伸應(yīng)力，因而能直接引導(dǎo)直槽型貫穿型裂紋的擴展，從而獲得純I型裂紋，避免沖擊加載率過高時在加載端產(chǎn)生紊亂裂紋。
[0028]結(jié)合附圖2，直接在中心位置預(yù)制貫穿直裂紋，能引導(dǎo)純I型裂紋。
[0029]結(jié)合附圖3，將加載端面設(shè)計為加載平臺，能增大接觸面，便于直接與入射桿、透射桿接觸，便于應(yīng)力波傳播，有效減少應(yīng)力集中；同時能實現(xiàn)對稱裝夾，有效避免弧形加載帶來的非對稱加載。
[0030]通過此種結(jié)構(gòu)設(shè)計從而滿足實驗要求，能在動態(tài)沖擊條件下獲得純I型裂紋。且可以用于金屬、巖土類、玻璃及硬質(zhì)復(fù)合材料的準(zhǔn)靜態(tài)、動態(tài)試驗中。
【權(quán)利要求】
1.一種硬質(zhì)復(fù)合材料純I型動態(tài)斷裂試件，其特征在于:整體形狀為圓盤形狀結(jié)構(gòu)，上下表面相互平行，在圓盤的周向上對稱設(shè)置兩平臺，兩平臺平行且尺寸一致，在圓盤上兩平臺之間的直徑方向上設(shè)置貫穿直槽型裂紋，貫穿直槽型裂紋關(guān)于圓盤的圓心位置對稱；平臺與貫穿直槽型裂紋垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硬質(zhì)復(fù)合材料純I型動態(tài)斷裂試件，其特征在于:所述的圓盤的厚度為直徑的0.2倍-0.3倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硬質(zhì)復(fù)合材料純I型動態(tài)斷裂試件，其特征在于:所述的貫穿直槽型裂紋的長度為圓盤直徑的0.5倍-0.7倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硬質(zhì)復(fù)合材料純I型動態(tài)斷裂試件，其特征在于:所述的貫穿直槽型裂紋長度對應(yīng)的圓心角為15° -30°。
【文檔編號】G01N1/28GK103512782SQ201310386561
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月29日
【發(fā)明者】汪文強, 鞠玉濤, 陳雄, 鄭健, 周長省, 許進升, 孫朝翔, 胡少青, 王鴻麗 申請人:南京理工大學(xué)