复杂应力状态下材料断裂性能测试试样设计方法及试样

1.本发明涉及材料断裂性能测试试验技术领域，尤其涉及一种复杂应力状态下材料断裂性能测试试样设计方法及试样。


背景技术：

2.结构材料在服役过程中，由于服役环境的多变性，服役过程伴随着复杂应力状态的特性。所述复杂应力状态，即材料的应力状态不是简单的纯受拉或纯受剪，而是三向主应力的复合应力状态。
3.目前研究学者设计了多种类型的试样，用于测试材料在复杂应力状态下的断裂性能，从应用效果评估，设计的多数试样存在如下不足：
4.未充分考虑材料的服役特性，设计的试样不能反应材料在服役过程中，断裂时的应力状态；设计的试样形状较为复杂，需要较高的加工精度和繁琐的加工工艺，难以在零部件上取样，难以在工业上推广使用；设计的试样只满足准静态测试要求，难以进行动态测试。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种复杂应力状态下材料断裂性能测试试样设计方法及试样。
6.一种复杂应力状态下材料断裂性能测试试样设计方法，包括：分析目标结构在服役极限状态下的主要变形结构件，获取主要变形结构件变形前后的应力三轴度分布和lode角参数分布，根据所述应力三轴度分布和lode角参数分布，进行目标结构的服役应力状态分析；根据目标结构的服役应力状态分析，结合应力三轴度和lode角参数的取值，及材料断裂性能的测试条件，采用仿真方法设计主要变形结构件试样；根据所述主要变形结构件试样及测试条件，进行目标结构的断裂性能测试仿真，根据仿真结果获取试样的应力状态和应变变化情况；根据所述应力状态和应变变化情况优化试样尺寸，直至试样的应变集中在测量区域，且测量区域的应力三轴度和lode角参数的数值稳定时，获取最优的主要变形结构件试样尺寸。
7.进一步地，在所述主要变形结构件的厚度小于3mm时，采用应力三轴度进行目标结构的服役应力状态分析；在所述主要变形结构件的厚度大于或等于3mm时，结合应力三轴度和lode角参数进行目标结构的服役应力状态分析。
8.进一步地，所述主要变形结构件试样包括杯凸试样和非杯凸试样，通过拉伸试验设备对非杯凸试样进行断裂性能测试；通过杯凸设备对所述杯凸试样进行断裂性能测试；采用拉伸试验设备测试时，主要变形结构件试样的一端固定，另一端加载，根据测试条件，进行主要变形结构件试样的断裂性能测试仿真，分析主要变形结构件试样的应力状态和应变分布。
9.进一步地，所述非杯凸试样均设置为对称试样。
10.一种复杂应力状态下材料断裂性能测试试样，在主要变形结构件为厚度小于3mm的薄板时，薄板主要变形结构件试样包括第一剪切试样、第一单拉试样、第一r10缺口试样、第一r5缺口试样和第一杯凸试样；在主要变形结构件为厚度大于或等于3mm的厚板或铸造材料时，厚板主要变形结构件试样包括薄板主要变形结构件试样、第二杯凸试样、平面应变试样和轴对称圆棒拉伸试样。
11.进一步地，所述第一单拉试样根据gb/t228.1-2010的方法进行设计，所述第一杯凸试样和第二杯凸试样根据gb/t15825.8-2008的方法进行设计。
12.进一步地，所述第一剪切试样的应力三轴度为0，第一单拉试样的应力三轴度为0.333，所述第一r10缺口试样的应力三轴度为0.48，所述第一r5缺口试样的应力三轴度为0.577，所述第一杯凸试样的应力三轴度为0.666。
13.进一步地，所述第二杯凸试样的lode角参数为-1，所述平面应变试样的lode角参数为0，所述轴对称圆棒拉伸试样的lode角参数为1。
14.进一步地，所述第二杯凸试样包括70mm宽度杯凸试样和90mm宽度杯凸试样；所述平面应变试样包括r1.5平面应变试样、r3平面应变试样和r6平面应变试样；所述轴对称圆棒拉伸试样包括第二圆棒拉伸试样、开口r5圆棒拉伸试样、开口r7.5圆棒拉伸试样和开口r10圆棒拉伸试样。
15.与现有技术相比，本发明的优点及有益效果在于：
16.1、本发明能够充分考虑材料的服役特性，针对薄板、厚板和铸造材料等，设计出不同的复杂应力状态断裂性能测试试样，且试样形状简单，便于进行动态测试，从而能够针对性的反映结构件的服役断裂应力状态。
17.2、本发明简化了复杂应力状态断裂性能测试试样的结构，便于在原材料及零部件上进行取样，适于推广，且试样符合静态测试要求的同时还能够进行动态测试。
附图说明
18.图1为一个实施例中一种复杂应力状态下材料断裂性能测试试样设计方法的流程示意图；
19.图2为一个实施例中正面碰撞后汽车前纵梁应力状态效果图；
20.图3为一个实施例中25％偏置碰撞后汽车a柱应力状态效果图；
21.图4为一个实施例中侧面碰撞后汽车b柱应力状态效果图；
22.图5为图2的前纵梁变形初期和变形末期的应力三轴度区间分布图；
23.图6为图3的a柱变形初期和变形末期的应力三轴度区间分布图；
24.图7为图4的b柱变形初期和变形末期的应力三轴度区间分布图；
25.图8为一个实施例中正面碰撞铝合金车轮的应力状态效果图；
26.图9为一个实施例中不同应力三轴度和lode角参数对应的试样类型；
27.图10为一个实施例中第一剪切试样的结构示意图；
28.图11为一个实施例中第一单拉试样的结构示意图；
29.图12为一个实施例中第一r10缺口试样的结构示意图；
30.图13为一个实施例中第一r5缺口试样的结构示意图；
31.图14为一个实施例中第一杯凸试样的结构示意图；
32.图15为一个实施例中70mm宽度杯凸试样的结构示意图；
33.图16为一个实施例中90mm宽度杯凸试样的结构示意图；
34.图17为一个实施例中r1.5平面应变试样的结构示意图；
35.图18为一个实施例中r3平面应变试样的结构示意图；
36.图19为一个实施例中r6平面应变试样的结构示意图；
37.图20为一个实施例中第二圆棒拉伸试样的结构示意图；
38.图21为一个实施例中开口r5圆棒拉伸试样的结构示意图；
39.图22为一个实施例中开口r7.5圆棒拉伸试样的结构示意图；
40.图23为一个实施例中开口r10圆棒拉伸试样的结构示意图。
具体实施方式
41.在进行本发明具体实施方式说明之前，先对本发明的研发背景进行如下说明：
42.本发明主要是根据实际材料断裂性能测试过程研发的，结构材料在服役过程中，由于服役环境的多变性，其服役过程伴随着复杂应力状态的特性。所谓的复杂应力状态，即材料的应力状态不是简单的纯受拉、或纯受剪，而是三向主应力的复合应力状态。材料的复杂应力状态常用应力三轴度η和lode角参数ξ表征，其值均介于-1～1之间，其中应力三轴度值为负时，表明受压，为正时，表明受拉。计算公式如下所示：
[0043][0044][0045]
式中，σ1、σ2、σ3分别为第一、第二、第三主应力，i1为第一应力不变量，j2、j3分别为第二、第三应变偏量不变量。平面应力状态下，即只存在二维主应力，第三主应力为0，则应力三轴度η和lode角参数ξ能够相互转化，如下式所示：
[0046][0047]
对于厚度小于3mm的板材结构件，在仿真中常用平面应力壳单元进行计算，属于平面应力状态，其应力状态只需用η进行表征；对于较厚的板材、铸造等结构件，在仿真中常用体单元进行计算，属于三维应力状态，其应力状态需用η和ξ共同表征。
[0048]
为对结构材料在服役过程中的断裂行为进行预测，需开发考虑应力状态特性的高精度断裂模型，如johnson-cook、gissmo、mmc、diem等。复杂应力状态断裂性能测试是开发高精度断裂模型的基础，为其提供数据支撑，而复杂应力状态断裂性能测试试样是试验测试的前提。
[0049]
复杂应力状态断裂性能测试试样的设计具有较大难度，设计的试样需满足几点要求：(1)试样能反应材料的复杂应力状态特性；(2)试样需便于取样与测试，即能采用常规拉伸试样使用的如线切割方式加工，并可在常规设备如拉伸试验机上进行测试；(3)在测试过程中，试样的应变需集中在测量区域；(4)在测试过程中，测量区域的η和ξ变化较小，即较稳
定；(5)在测试过程中，裂纹的起裂位置需在测量区域。
[0050]
为了使本发明更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0051]
如图1所示，提供了一种复杂应力状态下材料断裂性能测试试样设计方法，包括以下步骤：
[0052]
步骤s1，分析目标结构在服役极限状态下的主要变形结构件，获取主要变形结构件变形前后的应力三轴度分布和lode角参数分布，根据应力三轴度分布和lode角参数分布，进行目标结构的服役应力状态分析。
[0053]
其中，在主要变形结构件的厚度小于3mm时，采用应力三轴度进行结构材料的应力状态分析；在主要变形结构件的厚度大于或等于3mm时，结合应力三轴度和lode角参数进行材料结构的服役应力状态分析。
[0054]
在一个实施例中，以主要变形结构件的厚度小于3mm的汽车安全结构件为例，极端服役工况为正面碰撞、25％偏置碰撞和侧面碰撞。正面碰撞工况中，前纵梁为主要变形结构件；25％偏置碰撞中，a柱为主要变形结构件；侧面碰撞中，b柱为主要变形结构件。各结构件的极端服役工况下的应力状态如图2至图4所示。前纵梁、a柱和b柱均为厚度小于3mm的板材，因此应力状态只需使用应力三轴度表征，如图5至图7所示，分别为前纵梁、a柱和b柱在变形前后的应力三轴度区间分布。
[0055]
由图2至图4可知，各种极限工况下，随着结构件的变形，结构件上不同区域的应力三轴度值不同，应力三轴度的值介于-0.67～0.67之间，表明结构件既受压也受拉。从图5至图7可知，各极限工况下，结构件从变形初期到变形后期，应力三轴度向高应力三轴度区间，即0.3～0.67聚集，随着结构件发生的变形越大，这种聚集程度越大。结构件发生折弯变形，断裂前的应力三轴度值常集中在0.577左右。
[0056]
在另一个实施例中，以铸造成形的铝合金车轮为例，在正面碰撞工况中，其应力状态如图8所示，从图中可知，随着车轮的变形，不同区域的应力三轴度和lode角参数数值不同，均介于-1～1之间。
[0057]
步骤s2，根据目标结构的服役应力状态分析，结合应力三轴度和lode角参数的取值，及材料断裂性能的测试条件，采用仿真方法设计主要变形结构件试样。
[0058]
如图9所示，针对厚度小于3mm的薄板时，根据结构件的服役应力三轴度分析，设计薄板主要变形结构件试样。金属板材不考虑受压断裂失效，因此设计的试样应力三轴度值大于或等于0即可。因此，薄板主要变形结构件可以包括纯剪试样、应力三轴度值介于0.333～0.577的缺口试样和应力三轴度的值为0.666的杯凸试样等。
[0059]
根据应力三轴度的定义可知，在应力三轴度为0时，表示纯剪应力状态；在应力三轴度为0.333时，表示单拉应力状态；在应力三轴度为0.666时，表示双拉应力状态。
[0060]
针对铸造件和厚度大于或等于3mm的厚板，分别设计lode参数为-1、0、1对应不同应力三轴度的试样，以及平板试样。根据应力三轴度和lode角参数的取值，结合结构件服役应力状态分布，设计厚板主要变形结构件试样。因此厚板主要变形结构件试样可以包括lode角参数为-1的杯凸试样、lode角参数为0的平面应变试样、lode角参数为1轴对称圆棒拉伸试样以及与薄板主要变形结构件相同的平板试样等。
[0061]
其中，单拉试样可以参考gb/t228.1-2010(金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法)进行设计，杯凸试样可直接参考gb/t15825.8-2008(金属薄板成形性能与试验方法第8部分：成形极限图(fld)测定指南)进行设计。剪切试样、缺口试样、平面应变试样和轴对称圆棒拉伸试样需要通过仿真方法获得最终试样尺寸，通过cad画图，获得上述试样的初始几何尺寸。
[0062]
步骤s3，根据主要变形结构件试样及测试条件，进行目标结构的断裂性能测试仿真，根据仿真结果获取试样的应力状态和应变变化情况。
[0063]
具体地，主要变形结构件试样包括有杯凸试样和非杯凸试样，采用杯凸设备及杯凸测试条件对杯凸试样进行断裂测试，在进行断裂性能测试仿真时，分析杯凸试样的应力状态和应变变化情况；采用常规拉伸试验设备及对应的测试条件，对非杯凸试样进行断裂测试，在进行断裂性能测试仿真时，分析非杯凸试样的应力状态和应变变化情况。
[0064]
在采用常规拉伸试验设备进行测试时，非杯凸试样一端固定，另一端加载，参考准静态单向拉伸试验测试条件，进行非杯凸试样的断裂性能测试仿真，分析非杯凸试样的应力状态和应变分布。
[0065]
其中，为了便于试验测试，设计的非杯凸试样需要能够在常规拉伸试验设备上进行测试，因此非杯凸试样均设置为对称试样。杯凸试样采用杯凸设备进行测试，可不为对称试样。
[0066]
步骤s4，根据应力状态和应变变化情况优化试样尺寸，直至试样的应变集中在测量区域，且测量区域的应力三轴度和lode角参数的数值稳定时，获取最优的主要变形结构件试样尺寸。
[0067]
根据各试样的应力状态和应变变化情况，不断优化试样尺寸，当满足试样的应变集中在测量区域，且测量区域的应力三轴度和lode角参数的值，变化较小，且趋于稳定时，获得最优试样尺寸。
[0068]
在本实施例中，通过分析目标结构在服役极限状态下的主要变形结构件，获取主要变形结构件变形前后的应力三轴度分布和lode角参数分布，根据应力三轴度分布和lode角参数分布，进行目标结构的服役应力状态分析；根据目标结构的服役应力状态分析，结合应力三轴度和lode角参数的取值，及材料断裂性能的测试条件，采用仿真方法设计主要变形结构件试样；根据主要变形结构件试样及测试条件，进行目标结构的断裂性能测试仿真，根据仿真结果获取试样的应力状态和应变变化情况，以优化试样尺寸，直至试样的应变集中在测量区域，且测量区域的应力三轴度和lode角参数的数值稳定，即获取最优的主要变形结构件试样尺寸，能够充分考虑材料的服役特性，针对薄板、厚板和铸造材料，设计出不同的复杂应力状态断裂性能测试试样，且试样形状简单，便于进行动态测试，从而能够针对性的反应结构件的服役应力状态和断裂性能。
[0069]
在一个实施例中，如图10至图23所示，根据上述方法，获得了若干复杂应力状态下材料断裂性能测试试样，在主要变形结构件为厚度小于3mm的薄板时，薄板主要变形结构件试样包括有第一剪切试样、第一单拉试样、第一r10缺口试样、第一r5缺口试样和第一杯凸试样；在主要变形结构件为厚度大于或等于3mm的厚板或铸造材料时，厚板主要变形结构件试样包括薄板主要变形结构件试样、第二杯凸试样、平面应变试样和轴对称圆棒拉伸试样。当然，本技术要求保护的试样不仅限于上述试样，而是能够通过上述方法获取到的所有试
样。
[0070]
具体地，由于薄板材料不需要考虑受压断裂失效，属于平面应力状态，因此只需要通过应力三轴度表征结构件的服役应力状态。基于此，可以通过设计第一剪切试样、第一单拉试样、第一r10缺口试样、第一r5缺口试样和第一杯凸试样的应力三轴度，确定薄板的服役应力状态。
[0071]
而铸造材料和厚度大于或等于3mm的厚板的应力状态，属于三维应力状态，就需要结合应力三轴度和lode角参数，共同表征结构件的服役应力状态。因此，可以通过设计与薄板主要变形结构件试样相同的试样确定应力三轴度，同时设计第二杯凸试样、平面应变试样和轴对称圆棒拉伸试样确定结构件的lode角参数，从而能够完整反应结构件的服役应力状态。
[0072]
其中，第一剪切试样的应力三轴度为0，第一单拉试样的应力三轴度为0.333，第一r10缺口试样的应力三轴度为0.48，第一r5缺口试样的应力三轴度为0.57，第一杯凸试样的应力三轴度为0.666。
[0073]
其中，第二杯凸试样的lode角参数为-1，平面应变试样的lode角参数为0，轴对称圆棒拉伸试样的角参数为1。
[0074]
其中，第二杯凸试样包括有70mm宽度杯凸试样和90mm宽度杯凸试样；平面应变试样包括r1.5平面应变试样、r3平面应变试样和r6平面应变试样；轴对称圆棒拉伸试样包括第二圆棒拉伸试样、开口r5圆棒拉伸试样、开口r7.5圆棒拉伸试样和开口r10圆棒拉伸试样。
[0075]
在本实施例中，能够通过上述试样，对薄板、厚板或铸造材料的结构件，进行复杂应力状态断裂性能测试，且能够反应材料服役应力状态和断裂性能。
[0076]
其中，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。