[发明专利]用于张开型动态断裂韧性测试的实验装置以及方法

权利要求书

1.用于张开型动态断裂韧性测试的实验装置，其特征在于，包括入射杆加载端夹具(1)、透射杆支撑端夹具(3)及试样(2)；

所述的入射杆加载端夹具(1)与入射杆(4)密封连接，并使用塑料套筒固定；

所述的透射杆支撑端夹具(3)与透射杆(5)密封连接，并使用塑料套筒固定；

试样(2)两端与入射杆加载端夹具(1)及透射杆支撑端夹具(3)同为密封连接；

所述的入射杆加载端夹具(1)包括加载端圆柱底座(101)，加载端圆柱底座(101)一端与入射杆(4)密封连接，另一端上设有一个加载端(102)；加载端(102)的头部为设有倒圆的加载端顶端(103)，使试样(2)与入射杆加载端夹具(1)为线线接触。

2.根据权利要求1所述的用于张开型动态断裂韧性测试的实验装置，其特征在于，所述的透射杆支撑端夹具(3)包括支撑端圆柱底座(301)，支撑端圆柱底座(301)一端与透射杆(5)密封连接，另一端上对称的设有两个支撑端(302)，支撑端(302)的头部为设有倒圆的支撑端顶部(303)，使得试样(2)与透射杆支撑端夹具(3)为线线接触。

3.根据权利要求1所述的用于张开型动态断裂韧性测试的实验装置，其特征在于，所述的试样(2)中部包括划线(201)及线切割初始裂缝(202)，划线(201)位于初始裂缝(202)上方为，间隔0.05mm，用于监测起裂和放大起裂时的变形特征。

4.用于张开型动态断裂韧性测试的方法，其特征在于，采用权利要求1到3任一项所述的用于张开型动态断裂韧性测试的实验装置，包括以下步骤：

步骤1：纯I型动态断裂实验；原理为气炮发射具有一定速度的子弹撞击入射杆(4)，通过入射杆加载端夹具(1)及透射杆支撑端夹具(3)对I型断裂的试样(2)实现纯I型加载，实现纯I型动态断裂实验；实验中通过单脉冲系统实现对试样(2)的单次加载，通过控制子弹长度和气压大小对加载速率进行精确控制；

步骤2：数据处理及ABAQUS有限元建模方法；通过超动态应变仪获取入射杆(4)、透射杆(5)以及试样(2)上的电信号，通过一维应力波理论计算得到入射应力、反射应力以及试样的应变信号，见公式2式中：

F_in、F_out为入射杆(4)与透射杆(5)的载荷，A为截面面积，E为弹性模量，ε_i(t)、ε_r(t)、ε_t(t)分为是入射信号、反射信号和透射信号；

将入射应力曲线作为输入量在Abaqus/Explicit有限元数值模拟软件进行计算；试样按1：1等比例建模，根据实际边界条件进行约束，入射杆(4)和透射杆(5)均选用线弹性本构模型；入射杆(4)和透射杆(5)选用六面体缩减积分单元C3D8R；对试样(2)的裂纹尖端进行网格细化，采用六面体C3D8R-楔形体C3D6-四面体C3D4的过渡方式划分网格，保证裂尖位移场计算结果的准确性，计算误差在10％以内；

步骤3：实验-数值法计算动态应力强度因子；通过实验-数值法计算裂尖的I型动态应力强度因子曲线K(t)；见公式3、4、5：

其中公式中c₀为杆的纵波波速，r为距裂尖的距离，θ为预制裂纹边上的点与裂尖的夹角，G为剪切模量，μ为泊松比，u(r,t)为裂尖位移场；另外，裂尖的加载速率由公式6确定，其中t_f为试样的起裂时间，K_Id为动态断裂韧性；

步骤4：应变法确定起裂时间；应变法即对比实测试样应变信号与有限元模拟中粘贴应变片位置处的应变信号，两者的分离点作为材料的起裂时刻；动态应力强度因子的曲线中，起裂时间对应的值即为材料的纯I型动态断裂韧性。