动态断裂试验中试样弹跳规律及对K因子影响

论文摘要

动态断裂试验中,断裂韧度的计算,目前仍借用静态断裂实验的断裂韧度计算公式确定断裂韧度值。但须知,在静态断裂试验中,试样的响应与加载速率同步,试样始终与支座保持接触,处于三点受力状态。而在动态断裂试验中,试样可能弹离支座,造成试样与支座接触的脱离,导致非三点受力的应力状态,从而导致与静态断裂力学公式的偏离。然而,目前研究者们对试样与支座脱离的现象与规律,尚没有一致的认识,断裂韧度的计算方法亦尚不统一。本文对这些问题进行了比较系统的研究,得到了有实际意义的研究结果。采用Hopkinson动态断裂装置对标准Charpy试样进行冲击试验,结果表明,确实存在试样与支座的脱离现象,并认为该现象本质上决定于测试系统的刚度,对于一定试验条件下的测试,则决定于试样尺寸和跨距。对不同尺寸试样进行冲击试验,结果表明,试样弹离支座的时间与试样尺寸及跨距有关。在宽度一定的条件下,跨距S与试样长度L之比(S/L)值越小,脱离时间越短,当S/L小于某一特征值时,试样与支座不再脱离。实际上这一特征值就是试样与支座不发生脱离的临界条件。当宽度变化时,S/L随之变化。文中建立了各种试样尺寸与跨距条件下试样不发生脱离的临界条件,为动态断裂韧度测试提供了科学的依据,研究认为,在试样始终与支座接触或起裂发生在试样与支座再次接触的条件下,动态断裂韧度可采用传统的静态断裂力学公式确定,而当试样起裂发生在试样脱离支座的过程中时则必须按照单点弯曲条件下的应力强度因子表达式求解。通过有限元软件Ansys,建立了三维模型,模型中同时包括子弹、加载杆、试样、支座,更真实的模拟动态三点弯曲试验,计算了裂尖处的J积分,并且证明了路径无关性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 动态断裂测试技术及进展
• 1.2.1 直接冲击法
• 1.2.2 落（摆）锤试验法
• 1.2.3 分段式Hopkinson压杆技术（三点弯曲试验法）
• 1.2.4 单点弯曲试验法
• 1.3 Hopkinson装置的发展历史及应用领域
• 1.3.1 Hopkinson装置在压缩试验中的应用
• 1.3.2 剪切性能的测试
• 1.3.3 拉伸性能测试
• 1.3.4 扭转性能的测试
• 1.3.5 动态断裂性能的测试方法
• 1.4 与试样/支座脱离现象有关研究的简述
• 1.5 脱离时间的计算方法
• 1.5.1 根据加载初始时刻计算
• 1.5.2 根据监裂应变片的受力时刻计算
• 1.5.3 高速摄像仪
• 1.5.4 电压测量法
• 1.6 三点弯曲冲击试验动态应力强度因子的确定
• 1.6.1 直接法
• 1.6.2 间接法
• 1.7 本课题研究内容
• 第2章 试验部分
• 2.1 试验材料
• 2.2 试样尺寸
• 2.3 试验设备及测试方法
• 2.3.1 测试装置
• 2.3.2 测试原理
• 2.3.3 试验方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 三点弯曲试样与支座的脱离现象
• 3.1 引言
• 3.2 Hopkinson动态断裂试验中脱离现象的考查
• 3.3 本试验脱离时间的计算
• 3.4 本章小结
• 第4章 试样弹跳规律的研究
• 4.1 引言
• 4.2 影响弹跳的因素
• 4.2.1 长度的影响
• 4.2.2 跨距的影响
• 4.2.3 宽度的影响
• 4.2.4 试样弹跳规律
• 4.3 本章小结
• 第5章 动态三点弯曲试验的有限元模拟
• 5.1 引言
• 5.2 有限元分析
• 5.2.1 动力学基本方程
• 5.2.2 材料模型
• 5.2.3 ANSYS模型及网格划分
• 5.2.4 求解及J积分计算
• 5.3 计算结果及分析
• 5.3.1 试样弹跳情况的模拟
• 5.3.2 J积分路径无关性证明
• Id(J_Id)的比较'>5.3.3 K_Id(J_Id)的比较
• 5.3.4 不同尺寸试样J积分曲线比较
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢