[发明专利]一种用于实现应力状态控制的新型双剪切试样及试验方法

说明书

本发明公开了一种用于实现应力状态控制的新型双剪切试样及试验方法，试样设有一个加载端和两个支撑端，加载端两侧分别通过剪切区连接支撑端，两个支撑端与透射杆紧密相连，加载端与入射杆相连。创建有限元模型，数值模型为三维实体模型，包括入射杆、试样和透射杆，入射杆和透射杆长度为100mm，直径为19mm，入射杆和透射杆采用六面体缩减积分单元C3D8R，试样则采用CD10MT温度位移耦合单元，剪切区采用加密网格。本发明的有益效果是能够实现对材料的应力三轴度和洛德参数进行控制。

技术领域

本发明属于材料力学技术领域，涉及一种用于实现应力状态控制的新型双剪切试样。

背景技术

金属材料被广泛应用于航空航天器、装甲车辆、航母舰船及武器系统等重要工程结构。在它们服役过程中，难免会经历爆炸、冲击、碰撞等高应变率载荷。这些过程中，材料往往处于复杂的应力状态。自上世纪60年代起，人们发现金属材料的变形与失效过程不仅与应变率、温度等因素相关，还与材料的应力状态相关，即材料的力学性能受到应力状态的显著影响。材料中一点的应力状态可以用应力三轴度和洛德参数来描述：应力三轴度定义为静水压力与MISES应力的比值，洛德参数是与偏应力张量和MISES应力比值相关的量。现有研究表明，金属材料的塑性流动和韧性断裂受到应力三轴度和洛德参数的共同影响。一般来说，金属材料的破坏都是从成核现象开始，经过孔洞增长和伸长、孔洞合并，最后发生断裂。应力三轴度主要影响孔洞体积增加，洛德参数主要影响材料的软化效应，表现在空隙的伸长和坍塌。因此，如何在实验条件下实现对应力三轴度和洛德参数的控制，从而研究应力状态对材料特性的影响成为一个前沿课题与研究热点。

多年以来，人们设计了多种用于在静态载荷下测试材料性能的试样，如圆柱拉压试样、刻槽圆柱试样等，能够实现一定范围内的应力三轴度和洛德参数的控制；此外，蝴蝶型剪切试样可以实现在剪切状态和压剪状态下对一定范围的应力三轴度和洛德参数的控制，从而研究应力状态对材料特性的影响。但是在动态载荷下，人们对应力三轴度和洛德参数对材料性能的影响研究主要是通过圆柱形试样来实现。在压缩载荷下，该试样能实现应力三轴度的范围为0.80～0.85，洛德参数为-1。此外，还有带刻槽的圆柱试样，通过改变刻槽的大小，可以实现应力三轴度的范围在0.4～1.625，洛德参数为-1。可以看出，在动态压缩载荷下，通过圆柱试样对应力三轴度和洛德参数的控制具有一定的局限性，而应力三轴度和洛德参数的大小又与材料的流动及失效性能密切相关。因此，通过现有的圆柱或刻槽圆柱试样并不能很好的控制应力三轴度和洛德参数的大小，给相关研究带来了困难。

在动态拉伸或压缩载荷下如果采用圆柱试样，只能研究材料在单轴拉伸或单轴压缩条件下的力学性能。理论上，单轴拉伸应力三轴度为1/3，洛德参数为-1；单轴压缩时应力三轴度为-1/3，洛德参数为1。可以看出这两种状态下，材料的应力三轴度和洛德参数都是定值。因此，采用圆柱试样很难对应力三轴度和洛德参数进行控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于实现应力状态控制的新型双剪切试样，本发明的有益效果是能够实现对材料的应力三轴度和洛德参数进行控制。

本发明所采用的技术方案是包括式样，试样设有一个加载端和两个支撑端，加载端两侧分别通过剪切区连接支撑端，两个支撑端与透射杆紧密相连，加载端与入射杆相连。

进一步，加载端、支撑端和剪切区均为长方形，加载端两侧底角分别通过剪切区连接支撑端一角，两个支撑端分别与加载端成直角。

进一步，两个支撑端和两个剪切区成对称分布，通过改变剪切区的角度和剪切区整体的宽度，调整剪切区材料所受载荷的压剪成分，从而得到不同的应力三轴度和洛德参数的值。

一种用于实现应力状态控制的新型双剪切试样的试验方法，创建有限元模型，数值模型为三维实体模型，包括入射杆、试样和透射杆，入射杆和透射杆长度为100mm，直径为19mm，入射杆和透射杆采用六面体缩减积分单元C3D8R，试样则采用CD10MT温度位移耦合单元，剪切区采用加密网格；