可实现任意加载比、不同加载路径的压剪试验装置及方法

摘要

本发明公开了一种可实现任意加载比、不同加载路径的压剪试验装置及方法。所述压剪试验装置由左压缩压头、右压缩压头、前弯曲压头、后弯曲压头、加力圆棒和分块组成，其中：所述左压缩压头和右压缩压头分置于缺口试样的左右两端，呈对称分布；所述加力圆棒为四个，分置于试样的左前方、右前方、左后方、右后方；所述分块为两块，分别置于加力圆棒的前方和后方并与圆棒接触；所述前弯曲压头和后弯曲压头分置于分块的前后两侧。该实验装置结构紧凑，使用方便，制造成本低，非常适合航空航天领域内对材料的压-剪基本性能测定的需求。

说明书

技术领域

本发明属于材料力学性能试验技术领域，涉及一种压剪复合加载 试验装置及方法。

背景技术

在航空航天工程结构中，为了满足航空航天领域内对材料安全性 的需要，需要测定材料的基本力学性能，获得力学性能数据以及其力 学响应。目前，材料在单向拉伸、单向压缩或者纯剪切条件下的性能 研究已经进行得比较充分，已有相关的国家和行业标准可供参考，但 材料在实际服役过程中承受的往往都是拉伸、压缩和剪切复合受力状 态，因此对材料在压-剪或拉-剪复合加载条件下的材料力学性能参数 的测定和力学响应的研究已成为重要的研究课题。特别是为了适应目 前对材料减重的迫切需要，必须研究材料在压-剪或拉-剪复合加载条 件下的强度，以设计出充分发挥材料力学性能的结构，同时还需考察 材料在不同加载路径下，材料的力学响应是否有差别，为下一步的理 论和相应的设计建立基础和做好准备。

针对各向同性金属的剪切性能的测试，罗马尼亚科学家Iosipescu 提出了一种缺口型试样进行加载的方法(Iosipescu N.New accurate  procedure for single shear testing of metals[J].J MATER，1967，2(3)： 537-566)，在该论文中指出虽然对于一般的等截面矩形梁来说，剪 应力在中间截面的分布不是均匀的，呈抛物线分布，但Iosipescu在 其论文中提出在梁上下两端开出90°的切口后，它不但不会引入应 力集中，反而使梁在缺口间和沿梁纵轴某一段的剪应力呈均匀分布。 其利用光弹实验等色线条纹图充分证明了这一点，且指出均匀区沿梁 纵轴(缺口下)的宽度大概为2mm左右，因此能够保证测量剪切的 作用。后来经过发展，已经成功运用于陶瓷基复合材料、碳碳复合材 料、木材等各种各向异性材料。该结构夹具结构紧凑，材料节省。但 遗憾的是只能进行单纯的剪切实验。

国内中山大学的李家驹老师提出了一种简化的反对称四点弯曲 剪切实验(李家驹.反对称四点弯曲剪切实验方法的研究[J].力学与 实践，1986，05：36-40)，在其论文中，使用光弹试验对环氧树脂试样进 行应力分布的观测，发现使用加力棒而造成的集中线载荷的应力集中 并不影响缺口下的均匀剪应力场的，还可以用现成的纯弯曲梁的夹具 实现剪切性能测试的功能。但遗憾依然是只能进行纯剪切实验。

Arcan开发了一种可在单轴试验机上进行拉-剪复合加载的特制 圆盘(Arcan M，Hashin Z，Voloshin A.A method to produce uniform  plane-stress states with applications to fiber-reinforced materials[J]. Experimental mechanics，1978，18(4)：141-146)，在圆盘外端与缺口试 样中心偏移一定的角度处进行拉伸，从而产生偏轴的剪切力，从而实 现复合加载。该方法的优点是显而易见的，实现了复合加载。但由于 在圆盘的加载位置需要对圆盘进行特殊加工，导致特制的圆盘的偏移 角度从0°到90°只能进行诸如10°、30°、45°的等量变化，变 化较少，从而导致复合加载的加载比例比较单一，无法全面地考察不 同加载比下的力学性能。另外，该方法复合加载的力是同时作用的， 不能实现先拉力再剪切(或相反)，重点研究先剪切再拉力(或相反) 这种不同加载路径下是否会对材料产生不同的力学响应。

国内西北工业大学的矫桂琼老师课题组利用Arcan圆盘加特制 的辅助设备实现了压剪复合加载(王翔，王波，矫桂琼.平纹编织C/SiC 压剪复杂应力状态试验研究[A].中国力学学会.第十五届全国复合材 料学术会议论文集(下册)[C].中国力学学会：2008：5)。但仍然无法 避免使用Arcan所带来的上述问题。

发明人李庆飞等在中国专利CN103454151A中公开了一种压剪 复合加载试验装置，实现了对复合材料结构件的压剪复合加载性能试 验测试的能力。但是该发明属于结构力学领域，无法满足由于成本等 原因所限，对那些属于材料力学领域内的小型化试样进行压剪复合加 载力学性能测试的要求。

发明内容

为解决目前现有的Arcan圆盘测定过程中加载比例较少、压力与 剪切力同时作用于材料，而不能分开作用的问题，和对小型化试样压 剪力学性能测试的迫切需要，本发明提供了一种可实现任意加载比、 不同加载路径的压剪试验装置。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种可实现任意加载比、不同加载路径的压剪试验装置，包括： 在缺口试样左右两端进行压缩的左压缩压头和右压缩压头、在试样前 后两端对试样产生弯曲作用的前弯曲压头和后弯曲压头、通过对试样 施加弯曲载荷从而在试样缺口处产生剪切力的加力圆棒、将前弯曲压 头和后弯曲压头的力传递给试样的分块；所述左压缩压头和右压缩压 头分置于缺口试样的左右两端，呈对称分布；所述加力圆棒为四个， 分置于试样的左前方、右前方、左后方、右后方，位于试样左前方的 加力圆棒与位于试样右后方的加力圆棒跟缺口的距离相等，位于试样 右前方的加力圆棒与位于试样左后方的加力圆棒跟缺口的距离相等， 即四个圆棒相对于试样的缺口呈反对称分布；所述分块为两块，分别 置于加力圆棒的前方和后方并与圆棒接触；所述前弯曲压头和后弯曲 压头分置于分块的前后两侧，且前弯曲压头和后弯曲压头的轴线恰好 通过试样的缺口位置。

一种可实现任意加载比、不同加载路径的压剪试验方法，主要包 括如下步骤：

一、测量缺口试样的特征尺寸：长度L、高度H、宽度B、两个 缺口之间的距离h。

二、将压剪试验装置的左压缩压头、右压缩压头、前弯曲压头和 后弯曲压头的外螺纹旋转到双轴试验机的四个加载轴的螺母内，把缺 口试样与压剪试验装置装配好，调整试样和压剪试验装置各个部件的 位置，保证前弯曲压头和后弯曲压头的连线正好通过试样的缺口，四 个加力圆棒相对于试样成反对称分布，并分别测量左前与右后加力圆 棒沿试样轴向的距离a和左后与右前加力圆棒沿试样轴向的距离b。

三、设定试验加载方案，根据试验所需的复合应力加载比例的需 要，按照公式：缺口处平均剪应力τ＝F/s＝P₁·(a-b)/((a+b)·(B·h))、缺口截 面所受的平均压应力σ＝P₂/s＝p₂/(B·h)将缺口处的压应力和剪应力 的比值换算成后弯曲压头应施加的剪力P₁和左压缩压头与右压缩压 头应施加的压力P₂之间的比例，在准静态试验过程中，在压剪同时 加载时，设定双轴试验机所控制的P₁和P₂同时作用且增加速率之比 保持恒定；在压剪分开加载时设定先P₁作用、而使P₂为零，等P₁达 到一定数值后，将P₁作用力去掉，P₂再作用，或者设定先P₂作用、 而使P₁为零，等P₂达到一定数值后，将P₂作用力去掉，P₁再作用； 试验进行一段时间后，试样发生破坏，将此时最大的P₁和P₂代入剪 应力和压应力公式，得到压-剪复合加载时的强度值。

针对目前航空航天领域需要对材料复合加载条件下不同加载比 例对材料力学性能产生的影响以及不同加载路径对材料产生的力学 响应的研究，本发明在充分吸收各方法和设备的优点基础之上，特别 是在李家驹提出的方法之上，结合双轴试验机四个加载轴能够独立进 行运动的特点，提出了一种改进的四点弯曲剪切实验方法，并针对该 方法发明了一套可实现任意加载比、不同加载路径的压剪实验装置。 该试验装置能在普通双轴试验机上实现压剪复合加载试验，且可实现 在缺口截面处的压应力与剪应力之间的比例任意，测得材料在各个比 例内的模量和强度信息，且可独创地实现先压应力作用再剪应力作 用，或者两者前后顺序相反，考察材料在不同加载路径条件下的力学 响应。该实验装置结构紧凑，使用方便，制造成本低，非常适合航空 航天领域内对材料的压-剪基本性能测定的需求。

附图说明

图1为可实现任意加载比、不同路径的压剪实验装置的结构示意 图；

图2为能够实现压剪复合加载的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限 于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发 明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1所示，本发明提供了一种可实现任意加载比、不同加载路 径的压剪试验装置，包括：在缺口试样8左右两端进行压缩的左压缩 压头1和右压缩压头1`、在缺口试样8前后两端对缺口试样8产生弯 曲作用的前弯曲压头2和后弯曲压头2`、通过对缺口试样8施加弯曲 载荷从而在缺口试样8缺口处产生剪切力的加力圆棒、将前弯曲压头 2和后弯曲压头2`的力传递给缺口试样8的分块；所述左压缩压头1 和右压缩压头1`分置于缺口试样8的左右两端，呈对称分布；所述加 力圆棒为四个，分置于缺口试样8的左前方、右前方、左后方、右后 方并与试样接触，其中：位于缺口试样8左前方的加力圆棒7与位于 缺口试样8右后方的加力圆棒6跟缺口的距离相等，位于缺口试样8 右前方的加力圆棒4与位于缺口试样8左后方的加力圆棒5跟缺口的 距离相等，即四个加力圆棒相对于缺口试样8的缺口呈反对称分布； 所述分块为两块，分置于加力圆棒的前后方；所述前弯曲压头2和后 弯曲压头2`分置于分块的前后侧，且前弯曲压头2和后弯曲压头2` 的轴线恰好通过缺口试样8的缺口位置。

下面结合图1-2说明压-剪复合加载条件下的操作情况。

1、测量缺口试样的特征尺寸：长度L、高度H、宽度B、两个 缺口之间的距离h。

2、将压剪试验装置的左压缩压头1、右压缩压头1`、前弯曲压 头2和后弯曲压头2`的外螺纹旋转到双轴试验机的四个加载轴的螺 母内，把缺口试样与压剪装置按照图1的结构示意图装配好，调整试 样和试验装置各个部件的位置，保证前弯曲压头2和后弯曲压头2` 的连线正好通过缺口试样8的缺口，四个加力圆棒相对于缺口试样8 成反对称分布，并分别测量左前与右后加力圆棒沿缺口试样8轴向的 距离a和左后与右前加力圆棒沿缺口试样8轴向的距离b。

3、设定双轴试验机按照力加载方式进行控制，实验过程中将弯 曲压头2始终保持不动，由于对称关系和作用力与反作用力相等的原 理，弯曲压头2上所受的载荷与弯曲压头2`上所受的载荷将始终保持 近似相等，由图2的原理图知，缺口试样8后端的后弯曲压头2`施加 的载荷P₁经过置于加力圆棒后方的分块3`传递给位于缺口试样8左 后方和右后方的加力圆棒，根据材料力学知识得，左后端和右后端的 加力圆棒的分力分别为R＝P₁·a/(a+b)和Q＝P₁·a/(a+b)，如图2中b 所示。由于加力圆棒的作用，将在缺口试样8各个位置产生不同的剪 力和弯矩，分别如图2.c和2.d所示。由于左右两端压力的作用，将 在缺口试样8各个位置产生恒定的压力P₂，如图2.e所示。综合图2 中b、c、d、e可知，在缺口截面位置处，将有剪切力F₁＝P₁·(a-b)/(a+b)、 弯矩W＝0、压力F₂＝P₂。这样就在缺口处实现了弯矩为零，在无两端 压力P₂的情况下，缺口截面是个纯剪切面。加上两端的压力则构成 压剪复合加载，同时由于缺口位置相对于缺口试样8来说，截面积最 小，在加载过程中缺口处将比其他位置应力更大，最终破坏也将出现 在缺口位置。达到了力学性能试验中要求破坏出现在标距区(缺口位 置)的要求。因此，根据在缺口处剪应力为τ＝F/s＝P₁·(a-b)/((a+b)·(B·h)) 其中F为缺口处的剪力，s为缺口截面的面积。缺口截面的压应力为 σ＝P₂/s＝p₂/(B·h)。在试验过程中破坏时P₁和P₂将达到最大，将最 大的P₁和P₂代入剪应力和压应力就得到了压-剪复合加载时的强度 值。

4、由于双轴试验机具有四个轴能够单独运动的能力，且在试验 过程中的加载规律可以自行设定，因此就可以根据实验需要，设定 P₁和P₂之间的比例，从而实现剪应力和压应力之间的任意比值，获 得更多的不同加载比下的力学性能和强度值，对强度谱的研究将更为 充分，同时双轴试验机还可以设定先前后加载轴运动而保持左右轴不 动，等前后轴加载到一定位移时，再左右轴运动而前后轴运动，即先 剪切力再压应力作用于缺口截面，或者两者相反，先左右加载轴运动 而保持前后轴不动，等左右轴加载到一定位移时，再前后轴运动而左 右轴运动，即先压应力再剪切力作用于缺口截面。验证这种不同的加 载路径是否与压-剪同时复合加载材料力学性能相同，为探究不同加 载路径对材料的力学响应研究提供实验支撑。