一种高速回转圆盘试样材料力学性能测试装置及试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种高速回转圆盘试样材料力学性能测试装置及试验方法，利用高速回转的圆盘式样在旋转惯性力的作用下，材料质点产生径向位移，径向位移的大小与转盘几何形状与尺寸、转速及转盘材质有关，以此原理形成材料力学性能试验方法并构建试验装置。该装置可以实现圆盘试样从初始变形至接近拉伸失稳的变形全过程的精确测量。基于所述实验方法，本发明专利技术还提供一种材料应力应变关系获得方法，通过将计算机模拟的U

【技术实现步骤摘要】
一种高速回转圆盘试样材料力学性能测试装置及试验方法


[0001]本专利技术涉及材料力学性能测试
，具体涉及一种高速回转圆盘试样材料力学性能测试装置及试验方法。

技术介绍

[0002]随着计算机技术的快速发展，数值模拟方法大量应用在工程结构的分析、设计及研究中。数值模拟结果的可信度依赖于结构几何建模、约束与载荷，以及材料性能参数三个方面的精准度。就材料力学性能参数而言，传统的依靠个别参数(如弹性模量、屈服强度、抗拉强度等)已不能满足数值模拟关于材料性能表征的需要，对更大应变范围和更加精确的材料力学应力应变关系有着迫切的需求。
[0003]现有材料力学性能试验方法主要有单轴拉伸、十字形试样双向拉伸、小冲孔、液压鼓胀试验等。目前最多采用的是单轴拉伸试验方法，拉伸试样通常经机加工制成，试样横截面可以为圆形、矩形、多边形、环形等(ISO 6892
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1:2019Metallic materials
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Tensile testing
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Part1:Method of test at room temperature；GB/T 228.1
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2021金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法)。单轴拉伸试验方法的优点是试件简单，方法传统。不足主要是：1)所测得的应力和应变是一定意义上的平均值(引伸计标距范围或夹头距离范围)；2)总体处于单向应力状态，难以准确预测双向应力状态的力学行为；3)容易较早进入局部变形阶段，极限应变值小(通常不及双向拉伸试验的一半)，无法获得材料大应变范围的应力应变关系。
[0004]“十”字形试件双向拉伸试验适用于板材(GB/T 36024
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2018金属材料薄板和薄带十字形试样双向拉伸试验方法；ISO 16842:2021Metallic materials
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Sheet and strip
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Biaxial tensile testing method using a cruciform test piece)，其试样简明直观，可直接反映双向受力状态。为了使破裂由枝部向中央转移，在试件中央工作区获得高度均匀的变形场，“十”字形试件在结构形式上进行各种优化尝试，主要有枝根圆角、中央减薄、枝部栅缝及其组合的优化结构。该试验方法从工作区获得的应力远远低于极限抗拉强度，在测量区获得的最大应变仅为应变极限的1/4(L.Nasdala,A.H.Husni.Determination of yield surfaces in accordance with ISO 16842using an optimized cruciform test specimen.Experimental Mechanics,2020,(60):815
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832)
[0005]小冲孔试验通常指的是小冲孔弯曲试验(Manahan M P.The development of a miniaturized disk bend test for the determination of post
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irradiation mechanical behavior.Dissertation.Massachusetts Institute of Technology,Boston,1982；GB/T 29459.2
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2012在役承压设备金属材料小冲杆试验方法第2部分：室温下拉伸性能的试验方法)。小冲孔试验方法的优点是：1)试样尺寸小(一般为3～10mm)；2)可现场在役取样。在建立材料应力应变关系等的研究中，其实验结果的准确性及其可重复性与传统的试验方法仍然存在较大的差距，数据关联处理工作远不完善。由于试样尺寸很小，冲头等的偏心会明显增加试样的刚度，降低实验的精度。
[0006]液压鼓胀试验试件周边被固定夹持，侧向施加静压力，随着载荷增加，鼓胀变形加大，从而获得材料力学性能(ISO 16808:2022Metallic materials
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Sheet and strip
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Determination of biaxial stress
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strain curve by means of bulge test with optical measuring systems)。这种试验方法的优点：1)试件准备十分简便；2)实验结果的可重复性好；3)局部变形处曲率的增加抑制了应力水平的进一步提高，使得局部大的变形被及时转移，从而使试件获得充分的变形；4)鼓胀试验能够考虑双向应力状态的力学行为。鼓胀试验的复杂性在于：1)试件胀形曲率因不同经向位置而异，且随变形不断变化；2)没有均匀的应力应变场，存在较大的应力应变梯度；3)壁厚非均匀减薄；4)承压时几何及变形的准确测量难度很大，安全原因使得接近变形极限时的测量几乎难以实现；5)卸压后测量，弹性回复会造成测量精度的降低；6)在不同的变形阶段，弹性回复的大小不同；7)内表面轮廓测量很难实现。
[0007]综上所述，现有材料力学性能试验方法存在测试复杂、测量精度低、无法获得材料大应变范围的应力应变关系。

技术实现思路

[0008]为了解决现有材料力学性能试验方法存在的测试复杂、测量精度低、无法获得材料大应变范围的应力应变关系的技术问题，本专利技术提供一种高速回转圆盘试样材料力学性能测试装置及试验方法。
[0009]本专利技术采用的技术方案是：
[0010]一种高速回转圆盘试样材料力学性能测试装置，包括试验台底座，安装在试验台底座上的变频调速电动机、试验护壳主箱体和试验护壳侧箱体，一端通过单个高速轴承可转动安装在试验护壳主箱体中的动力输入轴，一端通过两个高速轴承可转动安装在试验护壳侧箱体中的外端支承转轴，通过中央区分别与动力输入轴和外端支承转轴的另一端同轴固定联接的圆盘试样，输入端与变频调速电动机连接、输出端与动力输入轴连接的增速器，安装在试验护壳主箱体上用于测量圆盘试样外圆周径向位移的位移传感器，安装在试验护壳主箱体上用于测量圆盘试样转速的转速传感器，与位移传感器及转速传感器连接的数据采集系统，以及与数据采集系统连接的计算机；
[0011]数据采集系统同步采集分别由位移传感器和转速传感器产生的模拟信号，并转化为数字信号传入计算机，通过计算机中的软件实施采集的控制以及数据的保存。
[0012]进一步地，圆盘试样为轴对称结构，其盘面自外圆周向圆心依次划分有离心区、离心过渡区、主变形区、中央过渡区及中央区；所述中央区主要用于圆盘试样的悬中支承，所述主变形区主要用于产生径向变形，所述离心区主要用于产生离心力，所述离心过渡区主要用于连接离心区与主变形区，所述中央过渡区主要用于连接主变形区与中央区。
[0013]进一步地，所述主变形区呈厚度均匀的圆环形，其厚度最薄且面积最大；所述离心区呈厚度均匀的圆环形，其厚度大于主变形区的厚度且与中央区的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高速回转圆盘试样材料力学性能测试装置，其特征在于，包括试验台底座(2)，安装在试验台底座(2)上的变频调速电动机(1)、试验护壳主箱体(11)和试验护壳侧箱体(7)，一端通过单个高速轴承(8)可转动安装在试验护壳主箱体(11)中的动力输入轴(5)，一端通过两个高速轴承(8)可转动安装在试验护壳侧箱体(7)中的外端支承转轴(9)，通过中央区(6
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5)分别与动力输入轴(5)和外端支承转轴(9)的另一端同轴固定联接的圆盘试样(6)，输入端与变频调速电动机(1)连接、输出端与动力输入轴(5)连接的增速器(3)，安装在试验护壳主箱体(11)上用于测量圆盘试样(6)外圆周径向位移的位移传感器(12)，安装在试验护壳主箱体(11)上用于测量圆盘试样(6)转速的转速传感器(13)，与位移传感器(12)及转速传感器(13)连接的数据采集系统(14)，以及与数据采集系统(14)连接的计算机(15)；数据采集系统(14)同步采集分别由位移传感器(12)和转速传感器(13)产生的模拟信号，并转化为数字信号传入计算机(15)，通过计算机(15)中的软件实施采集的控制以及数据的保存。2.根据权利要求1所述的一种高速回转圆盘试样材料力学性能测试装置，其特征在于，圆盘试样(6)为轴对称结构，其盘面自外圆周向圆心依次划分有离心区(6
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1)、离心过渡区(6
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2)、主变形区(6
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3)、中央过渡区(6
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4)及中央区(6
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5)；所述中央区(6
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5)主要用于圆盘试样(6)的悬中支承，所述主变形区(6
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3)主要用于产生径向变形，所述离心区(6
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1)主要用于产生离心力，所述离心过渡区(6
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2)主要用于连接离心区(6
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1)与主变形区(6
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3)，所述中央过渡区(6
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4)主要用于连接主变形区(6
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3)与中央区(6
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5)。3.根据权利要求2所述的一种高速回转圆盘试样材料力学性能测试装置，其特征在于，所述主变形区(6
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3)呈厚度均匀的圆环形，其厚度最薄且面积最大；所述离心区(6
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1)呈厚度均匀的圆环形，其厚度大于主变形区(6
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3)的厚度且与中央区(6
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5)的有效厚度为同数量级；所述离心过渡区(6
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2)的外圆厚度等于离心区(6
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1)的厚度，内圆厚度等于主变形区(6
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3)的厚度；所述中央过渡区(6
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4)的外圆厚度等于主变形区(6
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3)的厚度，内圆厚度等于中央区(6
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5)的有效厚度，所述有效厚度为中央区(6
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5)扣除连接段轴向长度后的最小厚度。4.根据权利要求3所述的一种高速回转...

【专利技术属性】
技术研发人员：高光藩，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：