一种适用于非标准多元复合型疲劳断裂的试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种适用于非标准多元复合型疲劳断裂的试验装置及方法，属于复合型疲劳断裂测试技术领域。该装置包括上夹具、下夹具、辅助夹具、自适应支撑器、复合型裂纹扩展试样，以及配套定制的用于固定辅助夹具和对应上下夹具螺钉和若干定位的螺栓螺母。本发明专利技术通过置换辅助夹具可实现Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和具有不同复合比的

A test device and method suitable for non-standard multivariate composite fatigue fracture

【技术实现步骤摘要】
一种适用于非标准多元复合型疲劳断裂的试验装置及方法


[0001]本专利技术公开了一种适用于非标准多元复合型疲劳断裂的试验装置及方法，属于复合型疲劳断裂测试


技术介绍

[0002]疲劳与断裂是机械零件常见的失效方式之一，也是最严重的失效形式之一。由于工程结构承受载荷的不对称性，裂纹产生的随机性以及材料的各向异性等情况，实际工程构件中的裂纹往往不是单一型的，裂纹尖端附近区域的应力场中同时包含Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型裂纹的应力，也就是结构中的裂纹往往呈现复合型状态。
[0003]复合型裂纹裂尖场及疲劳断裂行为受试样材料、几何尺寸、应力状态、受载形式等不确定性因素的影响，现有的试验研究结论难以统一。并且，由于复合型疲劳断裂问题的复杂性以及试样的多样性，尚未形成统一的复合型疲劳断裂试验标准。因此需要制定相关复合型裂纹断裂测试试验标准规范复合型疲劳断裂试验研究，其中试验装置的开发是解决复合型疲劳断裂试验标准化问题的前提。
[0004]复合型裂纹类型包含I
‑
II，I
‑
III以及II
‑
III等复合型裂纹等，每一种复合型裂纹的试验研究需配套对应的加载夹具，材料成本及加工成本相对较高。且疲劳断裂问题的尺寸效应影响因素不可忽略，若考虑尺寸效应的影响，需配套若干加载夹具，则大大提高了试验成本。本专利中开发了一种复合型加载夹具，可通过置换小的夹具辅助件达到不同复合型裂尖状态；以及通过添加自适应支撑器达到适应不同厚度试样的试验。操作简单，易于实现，且节约材料和加工成本。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种适用于非标准多元复合型疲劳断裂的试验装置及方法，以解决现有技术存在的上述问题。本专利技术通过置换对应的辅助夹具使得专利技术能够进行不同类型复合型裂纹，以及通过添加自适应支撑器实现不同厚度试样的疲劳断裂试验。
[0006]本专利技术提供一种适用于非标准多元复合型疲劳断裂的试验装置，包括：夹具一10，夹具二20，辅助夹具，复合型裂纹扩展试样40，能与辅助夹具配合用于自动适应不同厚度复合型裂纹扩展试样40的自适应支撑器34；
[0007]所述夹具一10为一对U形钩，夹持端上设置有通孔，夹持端的尾端与电子万能实验机接口对接，用于传递实验机器施加的拉压载荷；
[0008]所述夹具二20为两块扇形弧板，两块扇形弧板中心对称布置，扇形弧板上带有七组通孔，每组通孔的圆心置于扇形弧板的同一半径上且等弧度间距排布，且最两端两组通孔相对于扇形弧板的圆心呈90度弧度关系，每组通孔之间间隔弧度为15
°
，夹具二20的最外围圆弧，及其内部通孔所分布的弧线是三个同心圆；扇形弧板的圆心角处设置有矩形缺口，矩形缺口远离弧度一侧长度方向中部设置有凹槽21，凹槽21两侧设置有用于与辅助夹具装
配配合的通孔24；所述夹具二20通过更换不同的辅助夹具达到不同复合型疲劳断测试实验目的；
[0009]所述夹具一10通过螺栓和螺母与夹具二20上任意一组通孔相固连，使得施加在夹具一10上的载荷通过夹具二20将不同方向的载荷传递至复合型裂纹扩展试样40；
[0010]所述复合型裂纹扩展试样40为板状结构，试样外形尺寸接近标准CT试样，复合型裂纹扩展试样40上设置有固定孔42，用于与辅助夹具和自适应支撑器 34配合连接；
[0011]所述自适应支撑器34包括上板341、下板342、连杆343和锥形弹簧35；上板341和下板342通过连杆343和锥形弹簧35连接；自适应支撑器34的两侧均设置有连杆343，连杆343的上端与上板341侧面连接，能绕连接点转动，连杆343的下端设置在下板342侧面的凹槽中，能沿凹槽滑动；上板341的下表面和下板342的上表面开有环形槽，锥形弹簧35的两端设置在环形槽内，环形槽内设置有通孔，用于与辅助夹具和复合型裂纹扩展试样40配合连接。
[0012]进一步的，所述的复合型裂纹扩展试样40上设置有一个自复合型裂纹扩展试样40的边缘处，沿复合型裂纹扩展试样40的宽度方向复合型裂纹扩展试样 40内部延伸的机加工缺口44，所述机加工缺口44设置在复合型裂纹扩展试样 40的沿其长度方向一侧的中部，且所述机加工缺口44的位于复合型裂纹扩展试样40内部的封闭端43呈尖峰状，所述机加工缺口44的封闭端43的峰线与预制疲劳裂纹面共面；所述的固定孔42对称设置在机加工缺口44的两侧，固定孔42的孔中心连线垂直于预制疲劳裂纹面。
[0013]进一步的，所述自适应支撑器34的上板341和下板342为硬质金属板。
[0014]进一步的，所述辅助夹具为一“L”型实体零件，包括辅助夹具31、辅助夹具32和辅助夹具33，试验过程中通过改变“L”型零件的方向与夹具二20装配，形成不同复合型裂纹试样I
‑
II复合型、I
‑
III复合型以及II
‑
III复合型的总加载夹具；通过不同形式的加载夹具能将机器上施加的力传递至试样，进而实现不同复合型载荷的施加；
[0015]为实现不同辅助夹具与夹具二20以及试样的连接，辅助夹具上具体的开孔及装配如下：辅助夹具31与辅助夹具32端面两侧各设置有通孔，一端通过螺栓穿过通孔与夹具二20连接，另一端通过螺栓和螺母与复合型裂纹扩展试样40 连接；辅助夹具33其窄面端设置有通孔，通过螺栓与夹具二20连接，宽面端设置有螺纹孔，通过螺栓与复合型裂纹扩展试样40连接；辅助夹具和复合型裂纹扩展试样40之间通过设置自适应支撑器34进而用于不同厚度试样的疲劳断裂测试。
[0016]基于如上装置进行复合型疲劳断裂试验的使用方法，包括如下三种情形：
[0017]情形1：
Ⅰ‑Ⅱ
复合型裂纹疲劳断裂测试的试验方法，包括如下步骤：
[0018]步骤1.1：将一组辅助夹具一31分别通过螺栓和螺母穿过复合型裂纹扩展试样40的通孔相对固定于复合型疲劳断裂试样40两侧，且保证辅助夹具一31 的板状平面与复合型裂纹扩展试样40的板状平面互相平行且紧密贴合；将已经与试样组合完成的辅助夹具一31装配入夹具二20的凹槽口中并通过螺栓穿过通孔与夹具二20完成固定牢固，且保证辅助夹具31的一侧端面与夹具20的一侧平面对齐重合，另一侧辅助夹具的端面相对夹具20的侧面突出；
[0019]步骤1.2：两个夹具一10分别通过两组螺栓与两个夹具二20上第一组90
°
的通孔连接，并通过U型钩夹持端与电子万能实验机相连传递载荷，使得试样呈Ⅰ型加载状态，裂纹为张开型；
[0020]步骤1.3：依次调整两个夹具一10分别与两个扇形弧板上第二组75
°
的通孔，第三组60
°
的通孔，第四组45
°
的通孔，
…
，第六15
°
的组通孔通过螺栓相连接，并通过夹具一10的夹持端与电子万能实验机相连传递载荷，使得试样承受不同程度的
Ⅰ‑Ⅱ
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于非标准多元复合型疲劳断裂的试验装置，其特征在于，包括：夹具一(10)，夹具二(20)，辅助夹具，复合型裂纹扩展试样(40)，能与辅助夹具配合用于自动适应不同厚度复合型裂纹扩展试样(40)的自适应支撑器(34)；所述夹具一(10)为一对U形钩，夹持端上设置有通孔，夹持端的尾端与电子万能实验机接口对接，用于传递实验机器施加的拉压载荷；所述夹具二(20)为两块扇形弧板，两块扇形弧板中心对称布置，扇形弧板上带有七组通孔，每组通孔的圆心置于扇形弧板的同一半径上且等弧度间距排布，且最两端两组通孔相对于扇形弧板的圆心呈90度弧度关系，每组通孔之间间隔弧度为15
°
，夹具二(20)的最外围圆弧，及其内部通孔所分布的弧线是三个同心圆；扇形弧板的圆心角处设置有矩形缺口，矩形缺口远离弧度一侧长度方向中部设置有凹槽(21)，凹槽(21)两侧设置有用于与辅助夹具装配配合的通孔(24)；所述夹具二(20)通过更换不同的辅助夹具达到不同复合型疲劳断测试实验目的；所述夹具一(10)通过螺栓和螺母与夹具二(20)上任意一组通孔相固连，使得施加在夹具一(10)上的载荷通过夹具二(20)将不同方向的载荷传递至复合型裂纹扩展试样(40)；所述复合型裂纹扩展试样(40)为板状结构，试样外形尺寸接近标准CT试样，复合型裂纹扩展试样(40)上设置有固定孔(42)，用于与辅助夹具和自适应支撑器(34)配合连接；所述自适应支撑器(34)包括上板(341)、下板(342)、连杆(343)和锥形弹簧(35)；上板(341)和下板(342)通过连杆(343)和锥形弹簧(35)连接；自适应支撑器(34)的两侧均设置有连杆(343)，连杆(343)的上端与上板(341)侧面连接，能绕连接点转动，连杆(343)的下端设置在下板(342)侧面的凹槽中，能沿凹槽滑动；上板(341)的下表面和下板(342)的上表面开有环形槽，锥形弹簧(35)的两端设置在环形槽内，环形槽内设置有通孔，用于与辅助夹具和复合型裂纹扩展试样(40)配合连接。2.根据权利要求1所述的一种适用于非标准多元复合型疲劳断裂的试验装置，其特征在于，所述的复合型裂纹扩展试样(40)上设置有一个自复合型裂纹扩展试样(40)的边缘处，沿复合型裂纹扩展试样(40)的宽度方向复合型裂纹扩展试样(40)内部延伸的机加工缺口(44)，所述机加工缺口(44)设置在复合型裂纹扩展试样(40)的沿其长度方向一侧的中部，且所述机加工缺口(44)的位于复合型裂纹扩展试样(40)内部的封闭端(43)呈尖峰状，所述机加工缺口(44)的封闭端(43)的峰线与预制疲劳裂纹面共面；所述的固定孔(42)对称设置在机加工缺口(44)的两侧，固定孔(42)的孔中心连线垂直于预制疲劳裂纹面。3.根据权利要求1所述的一种适用于非标准多元复合型疲劳断裂的试验装置，其特征在于，所述自适应支撑器(34)的上板(341)和下板(342)为硬质金属板。4.根据权利要求1所述的一种适用于非标准多元复合型疲劳断裂的试验装置，其特征在于，所述辅助夹具为一“L”型实体零件，包括辅助夹具(31)、辅助夹具(32)和辅助夹具(33)，试验过程中通过改变“L”型零件的方向与夹具二(20)装配，形成不同复合型裂纹试样I
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II复合型、I
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III复合型以及II
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III复合型的总加载夹具；通过不同形式的加载夹具能将机器上施加的力传递至试样，进而实现不同复合型载荷的施加；为实现不同辅助夹具与夹具二(20)以及试样的连接，辅助夹具上具体的开孔及装配如下：辅助夹具(31)与辅助夹具(32)端面两侧各设置有通孔，一端通过螺栓穿过通孔与夹具二(20)连接，另一端通过螺栓和螺母与复合型裂纹扩展试样(40)连接；辅助夹具(33)其窄
面端设置有通孔，通过螺栓与夹具二(20)连接，宽面端设置有螺纹孔，通过螺栓与复合型裂纹扩展试样(40)连接；辅助夹具和复合型裂纹扩展试样(40)之间通过设置自适应支撑器(34)进而用于不同厚度试样的疲劳断裂测试。5.根据权利要求1
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4任意一项所述的试验装置进行复合型疲劳断裂试验的使用方法，其特征在于，包括如下三种情形：情形1：
Ⅰ‑Ⅱ
复合型裂纹疲劳断裂测试的试验方法，包括如下步骤：步骤1.1：将一组辅助夹具一(31)分别通过螺栓和螺母穿过复合型裂纹扩展试样(40)的通孔相对固定于复合型疲劳断裂试样(40)两侧，且保证辅助夹具一(31)的板状平面与复合型裂纹扩展试样(40)的板状平面互相平行且紧密贴合；将已经与试样组合完成的辅助夹具一(31)装配入夹具二(20)的凹槽口中并通过螺栓穿过通孔与夹具二(20)完成固定牢固，且保证辅助夹具(31)的一侧端面与夹具(20)的一侧平面对齐重合，另一侧辅助夹具的端面相对夹具(20)的侧面突出；步骤1.2：两个夹具一(10)分别通过两组螺栓与两个夹具二(20)上第一组90
°
的通孔连接，并通过U型钩夹持端与电子万能实验机相连传递载荷，使得试...

【专利技术属性】
技术研发人员：缪新婷，洪海升，彭剑，蒋晨阳，别锋锋，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：