[发明专利]一种I型裂纹试样的动态对称拉伸装置及其实验方法

说明书

本发明涉及材料领域的断裂力学性能测试的实验方法，是一种I型裂纹试样的动态对称拉伸装置及其实验方法。本发明的一种试样动态对称拉伸装置，包括电源、电容充电器、加载枪和波导杆杆系统，所述电容充电器采用现有电磁铆接设备的供电部分,两个参数相同的加载枪并联连接后，接入所述电容充电器中。本发明还涉及一种根据前述试样动态对称拉伸装置的实验方法。由于两个加载枪的参数相同，并且是并联接入电容充电器，因此放电电流会同步并且均匀地分配到两个加载枪中，从而在两个加载枪中产生相同的压缩应力波，并分别在两个凸台反射成拉伸波并进入拉伸杆同时对试样进行加载，所以能够实现对试样的对称加载，以保证试样裂纹扩展为I型层裂裂纹。

技术领域

本发明涉及材料领域的断裂力学性能测试的实验方法，具体是一种I型裂纹试样的动态对称拉伸装置及其实验方法。

背景技术

目前，在断裂力学领域，I型裂纹的断裂韧性测量是一个重要的研究问题。Jose等采用标准紧凑拉伸(Compact Tension，CT)试样测量I型层间断裂韧性，收到良好效果。

另外，在断裂力学领域，双悬臂梁(DCB)实验已经是测量I型准静态层间断裂韧性的标准试验。DCB试样也被广泛地应用于胶接层I型断裂韧性的测量中。

然而，在通常情况下，复合材料层合板容易受到面外的冲击载荷，层间裂纹一般表现出动态扩展。因此需要对动态层间断裂进行深入的研究。动态断裂力学主要研究两大类问题。第一类问题是含裂体在动态载荷下的起裂问题；第二类是裂纹的快速扩展以及止裂问题。

第一类问题研究的主要内容即为动态加载下裂纹起始的断裂准则，即动态起裂韧性(以I型断裂为例表示为K_IC^d或G_IC^d)的测量。动态情况下，由于惯性效应，CT试样很难进行I型裂纹加载。为了利用最常用的分离式霍普金森压杆系统进行CT试样的对称加载，一些学者提出了一些改进的霍普金森压杆实验方法。Sun等采用HPB加载WLCT试样，在入射杆端加工一个凸起，实验时将所述凸起嵌入标准紧凑拉伸(CT)试样的初始裂纹之内，在压缩过程中，凸起会对初始裂纹的两个裂纹面施加对称的拉伸力矩，从而实现动态加载。为研究界面的动态层间断裂韧性，Syn设计一种四点弯曲试样，如加载装置为霍普金森压杆，四点弯曲加载裂纹尖端只受弯矩的作用，试验中采用石英压电薄膜测量动态载荷。Wu等采用三点弯曲方式测量动态层间断裂韧性，加载装置为霍普金森压杆。以上方法都是将压缩力变成对称的拉伸力矩，但是由于试样加工精度的问题，加载力的对称性很难达到。

此外，在实现I型动态层间断裂最常用的DCB试样时，加载形式为拉伸加载，只是加载的速率比准静态加载速率有所提高。

实现高的加载速率有以下几种的方法：(1)采用一般试验机进行高速加载，该方法简单易行，但其加载速率受试验机最大加载速率的限制，加载速率一般在1m/s以下；(2)通过设计复杂的加载装置，放大试验机的加载速率，Hug等采用一种装置将原有试验机的垂直位移转换为水平位移，水平加载的速率是垂直加载速率的4倍，能达到的最大加载速率为1.6m/s，Joannic等设计的加载装置，可达到的最大加载速率为2.4m/s；(3)采用高速试验机，Blackman等采用高速试验机对DCB试样进行加载，最大的加载速度可达15m/s；(4)采用落锤加载DCB试样。上述加载方式均为为单向加载，其缺点是，在高速情况下，试样加载不对称，断裂形式为I/II复合型断裂。

除了拉伸形式的DCB试验之外，还有动态压缩形式的DCB试验：(1)WIF试样，Kusaka等采用HPB加载复合材料层合板WIF试样，加载速率可达20m/s，Thouless等采用落锤加载WIF试样，测量胶接层的动态断裂韧性；(2)采用落锤楔入加载DCB试样。但是这种方法也无法保证裂纹扩展为纯I型裂纹。