中心裂纹巴西圆盘Ⅰ、Ⅱ及复合型断裂辅助实验器

摘要

本发明公开了一种实验器材，尤其是一种中心裂纹巴西圆盘Ⅰ、Ⅱ及复合型断裂辅助实验器，包括主体和转子；主体具有前部的圆盘放置端面和后部的刻度端面，主体上设置有从刻度端面贯穿至圆盘放置端面的安装孔；转子具有前部的安装端和后部的操作端，安装端上设置有裂纹安装结构；转子可转动安装在主体的安装孔中，并且转子的安装端与主体的圆盘放置端面对应，操作端与刻度端面对应。利用转子的转动可以调节巴西圆盘上裂纹与所加荷载的角度；在所使用中无需用手去直接接触巴西圆盘，这样可以避免压力机对操作者造成威胁；裂纹与压力机所加荷载的角度可以任意调节，从而方便适用，满足不同的实验要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种实验器材，尤其是一种中心裂纹巴西圆盘Ⅰ、Ⅱ及复合型断裂辅助实验 器。

背景技术

权威杂志《力学进展》评选出的“20世纪理论和应用力学十大进展”，断裂力学位列第2， 仅次于有限元法，高于生物力学。断裂力学是20世纪固体力学重大成就之一,是工程材料与 构件强度估算与寿命预测的主要理论基础。

中心裂纹巴西圆盘由于可实现Ⅰ、Ⅱ及复合型断裂成为断裂力学实验的主要实验试件。 通过改变圆盘裂纹与所加荷载夹角来实现Ⅰ、Ⅱ及复合型断裂。

现在实验技术为使裂纹与荷载达到一定的角度，一般通过以下几个步骤完成：①用直尺 找到裂纹中心，②量角器测量一定角度并画出，③将试件置于压力机上，并手扶好(避免圆 盘滚动)，④压力机实行加压。由于手工的误差及直尺与量角器本身的误差，导致了裂纹倾斜 角的不准确，这对实验的结果将产生较大的影响。而且加压时除了操作压力机的人外，需要 多余的人手扶圆盘，以避免圆盘滚动，浪费了人力，也产生一定的安全隐患。且实验步骤较 为繁琐。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种使用方便且安全的中心裂纹巴西圆盘Ⅰ、Ⅱ及复 合型断裂辅助实验器。

本发明解决其技术问题所采用的中心裂纹巴西圆盘Ⅰ、Ⅱ及复合型断裂辅助实验器，包 括主体和转子；所述主体具有前部的圆盘放置端面和后部的刻度端面，所述主体上设置有从 刻度端面贯穿至圆盘放置端面的安装孔；所述转子具有前部的安装端和后部的操作端，所述 安装端上设置有裂纹安装结构；所述转子可转动安装在主体的安装孔中，并且转子的安装端 与主体的圆盘放置端面对应，操作端与刻度端面对应。

进一步的是，所述安装孔为两端直径大、中间直径小的阶梯孔；所述转子也为两端直径 大、中间直径小的阶梯状，并且转子直径较大的安装端是可拆卸的。

进一步的是，所述主体的圆盘放置端面上的左右两侧平行设置有两条阻挡壁。

进一步的是，所述主体为非对称结构，所述安装孔与主体上部的距离小于安装孔与主体 下部的距离。

进一步的是，所述裂纹安装结构包括：在转子安装端上设置的长条孔、与长条孔形状匹 配的安装片。

进一步的是，所述裂纹安装结构为垂直设置在转子安装端上的两根固定轴；两根固定轴 对称位于安装端圆心的两侧，并在同一直径上。

进一步的是，所述主体的刻度端面上设置有刻度，所述转子的操作端上设置有指针。

进一步的是，所述转子通过阻尼结构与安装孔相配合。

进一步的是，所述转子紧配合安装在安装孔中。

本发明的有益效果是：由于采用了主体和可转动的转子，因此可将巴西圆盘通过裂纹安 装结构安装在转子上，利用转子的转动可以调节巴西圆盘上裂纹与所加荷载的角度；在所使 用中无需用手去直接接触巴西圆盘，这样可以避免压力机对操作者造成威胁；裂纹与压力机 所加荷载的角度可以任意调节，从而方便适用，满足不同的实验要求。主体可以设置为非对 称结构，这样这是是巴西圆盘在安装后顶部外露，从而使压力机能够直接作用在巴西圆盘上。 转子和安装孔通过阻尼结构配合，这样可以保持转子的转动角度，避免已调整好角度的转子 误转。

附图说明

图1是本发明的正视图；

图2是本发明的后视图；

图3是图1的左视半剖图；

图4是本发明一种实施方式的示意图；

图5是本发明另一种实施方式的示意图；

图中零部件、部位及编号：主体1、转子2、阻挡壁3、裂纹安装结构4、固定轴5、安 装片6、安装端21。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括主体1和转子2；所述主体1具有前部的圆盘放置端面和后部 的刻度端面，所述主体1上设置有从刻度端面贯穿至圆盘放置端面的安装孔；所述转子2具 有前部的安装端21和后部的操作端，所述安装端21上设置有裂纹安装结构4；所述转子2 可转动安装在主体1的安装孔中，并且转子2的安装端21与主体1的圆盘放置端面对应，操 作端与刻度端面对应。转子上的裂纹安装结构4主要是与巴西圆盘上的裂纹配合，从而将巴 西圆盘固定。实验用的巴西圆盘在中心开设有长条形的裂纹孔，依次模拟裂纹，裂纹安装结 构4一部分配合安装在转子2上，另一部分配合安装在巴西圆盘的裂纹孔中，即利用裂纹安 装结构4穿过裂纹孔，从而固定巴西圆盘，具体的可见后面列举的实施方式。

在使用时，将巴西圆盘的裂纹孔安装在裂纹安装结构4上，此时巴西圆盘固定在本辅助 实验器的转子2上，此时利用本辅助实验器将巴西圆盘放置到压力机上，转动转子2即可改 变巴西圆盘上裂纹孔的角度，从而获得想要的裂纹与荷载的角度，然后将压力机压下夹住巴 西圆盘，拆下本辅助实验器；最后即可进行实验，断裂韧度计算公式为：

$K_I=\frac{P_{\max }}{\mathrm{\pi BR}}\sqrt{\mathrm{\pi a}}{F}_1---\left(1\right)$

$K_{\mathrm{II}}=\frac{P_{\max }}{\mathrm{\pi BR}}\sqrt{\mathrm{\pi a}}{F}_{\mathrm{II}}---\left(2\right)$

式中：K_Ι为张开型应力强度因子，K_ΙΙ为剪切型应力强度因子，R为试样半径，B为试 样厚度，P_max为试样临界破坏时的荷载，2a为预制裂纹长度，F_Ι和F_ΙΙ为无因次应力强度因子， 是a/R及倾斜角β的函数(0.2≤a/R≤0.8)，β为裂纹方向与加载角方向夹角。

为了限位转子2，如图3所示，所述安装孔为两端直径大、中间直径小的阶梯孔；所述 转子2也为两端直径大、中间直径小的阶梯状，并且转子2直径较大的安装端21是可拆卸的。 在安装转子2时，去除安装端21，将转子2插入到安装孔中，最后装上安装端21，此时便完 成装配；反之即可进行拆卸。安装后的转子2只能转动，不能再轴向平动。

为了更好的固定巴西圆盘，如图1和图3所示，所述主体1的圆盘放置端面上的左右两 侧平行设置有两条阻挡壁3。巴西圆盘在安装放置时，利用两条阻挡壁3将其夹住，从而可 以有效的定位巴西圆盘。两条阻挡壁3配合裂纹安装结构4可以很好的固定巴西圆盘。

具体的，如图1和图3所示，所述主体1为非对称结构，所述安装孔与主体1上部的距 离小于安装孔与主体1下部的距离。安装孔、转子2和巴西圆盘在安装后是同轴的，这种不 对称结构的主体1可以使巴西圆盘的顶部露出主体1的上表面，也就是巴西圆盘的顶部高于 主体1顶部，巴西圆盘的底部与主体1的底部平齐；在本辅助实验器放置到压力机上后，压 力机能够直接与巴西圆盘的顶部接触，当压力机压紧巴西圆盘后，能够顺利取出本辅助实验 器。

作为本发明的一种实施方式，如图5所示，所述裂纹安装结构4包括：在转子2安装端 21上设置的长条孔、与长条孔形状匹配的安装片6。主体1含有伸出两侧的阻挡壁3，可将 巴西圆盘较好的固定住，避免了巴西圆盘的滚动。转子2的安装端有与巴西圆盘相对应的裂 纹长条孔，转子2主轴通过主体1内的阶梯形安装孔，并与一带相同长条孔的安装端21连接， 螺丝，粘连等皆可，注意两裂纹对齐，使其与主体1相连，并实现转子2可相对主体1转动。 这种方式的优点是安装片6是可以拆卸的，即利用安装片6的安装就可以固定巴西圆盘。安 装片6本申请体积较小，在拆装时不容易干扰到巴西圆盘，也就是在巴西圆盘固定到压力机 上需要拆下本辅助实验器时，只需拆下安装片6，即可方便的拆下整个辅助实验器，单独安 装片6的拆除不容易影响到巴西圆盘的角度。

作为本发明的另一种实施方式，如图4所示，所述裂纹安装结构4为垂直设置在转子2 安装端21上的两根固定轴5；两根固定轴5对称位于安装端21圆心的两侧，并在同一直径 上。在安装圆盘时，将圆盘的长条裂纹孔的两端分别对准两根固定轴5,穿入，即可固定圆盘。 这种方式的好处是整个辅助实验器的结构较为简单，但是在压力机上取出辅助实验器时需要 小心避免干扰巴西圆盘的角度。

为了更准确的调节角度，如图2所示，所述主体1的刻度端面上设置有刻度，刻度的精 度根据具体情况而定，所述转子2的操作端上设置有指针。转子2的指针需要与转子2上的 裂纹安装结构走向相同，即指针需与安装后巴西圆盘上裂纹走向相同，这时，裂纹走向与载 荷的夹角即可转换为指针的读数，也就是可以直接利用指针的读数读出夹角，从而精确的获 得想要的角度。

为了避免裂纹走向和载荷的夹角角度改变，所述转子2通过阻尼结构与安装孔相配合。 阻尼结构可以采用粗糙的接触面实现，或者转子2紧配合安装在安装孔中，此时，转子2具 有自锁的功能，一旦转动到需要的角度时即可自锁，避免再次旋转，从而使调节好的巴西圆 盘裂纹角度能够很好的保持。