CN109100220A - 获取构元单轴应力-应变关系的测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及力学试验领域，旨在解决现有技术中的测试方法适用范围较窄，适用局限性大的问题，提供获取构元单轴应力‑应变关系的测试方法，其包括以下步骤：1)对对象构元施加单调荷载试验，并获得对象构元的载荷P‑位移h曲线；2)求解不同位移h下的P‑h曲线所围成的面积W，即为变形能W，得到变形能W‑位移h曲线；3)在lnh～lnW双对数坐标系下对W‑h曲线进行线性拟合及其他代换计算，最终得到被测材料的单轴应力‑应变关系。本发明的有益效果是一方面扩大了可适用的对象；另一方面本专利将通过不同对象构元载荷‑位移曲线获得被测材料的单轴应力‑应变关系的分析方法进行了统一，采用了相同的理论模型和分析步骤，且理论模型相比现有技术方案更加简单。

Description

获取构元单轴应力-应变关系的测试方法
技术领域
本发明涉及力学试验领域，具体而言，涉及获取构元单轴应力-应变关系的测试方法。
背景技术
单轴应力-应变曲线是材料与力学建立关系的关键环节，也是材料各种力学性能(如材料强度、硬度、疲劳寿命等)关联的基础，对于工程构件的设计和安全评价起着重要的作用。获取材料应力-应变关系的常规做法是选取原材料加工或从工程构件上截取标准拉伸试样后在实验室进行单轴拉伸试验。
现有技术中的测试方法和模型多仅能适用于一种或少数几种构件和荷载的测试，适用范围较窄，适用局限性大。
发明内容
本发明旨在提供一种获取构元单轴应力-应变关系的测试方法，以解决现有技术中的测试方法适用范围较窄，适用局限性大的问题。
本发明的实施例是这样实现的：
本发明实施例提供一种获取构元单轴应力-应变关系的测试方法，其包括以下步骤：
1)进行对对象构元施加单调荷载试验，并获得对象构元的载荷P-位移h曲线；
2)求解不同位移h下的P-h曲线所围成的面积W，即为变形能W，得到变形能W-位移h曲线，该曲线满足式(1)：
W＝αhm (1)
3)在lnh～lnW双对数坐标系下对W-h曲线进行线性拟合，求得参数α和m；
4)将3)所得结果α和m代入式(2)求得被测构元的本构关系参数K和n；
式中，v*为特征能量密度且满足v*＝K/(1+n)，E为已知的弹性模量，n为应***化指数，K为应***化系数，h*为特征位移，β1、β2、β3与β4为根据由对象构元和对应的试验决定的无量纲常数；
5)将由4)计算的K和n结果代入式(3)得到被测材料的单轴应力-应变关系：
式中，σy为名义屈服应力，
在本实施例的一种实施方式中：
所述对象构元为圆杆，所述试验为对圆杆施加的扭转荷载，此时β1＝156.4、β2＝0、β3＝0.04889、β4＝1。
在本实施例的一种实施方式中：
所述对象构元为具有缺口的板件，所述试验为对该具有缺口的板件施加拉伸荷载，此时β1＝2.254、β2＝-0.0483、β3＝0.322、β4＝1.048。
在本实施例的一种实施方式中：
所述对象构元为圆环，所述试验为对该圆环施加径向压缩荷载，此时β1＝0.3791、β2＝-0.08160、β3＝0.144、β4＝0.9184。
在本实施例的一种实施方式中：
所述对象构元为圆片；
所述试验为对该圆片施加径向压缩荷载，此时β1＝0.9278、β2＝-0.1703、β3＝1.167、β4＝1.129；或者所述试验为对该圆片施加法向压入荷载P，此时β1＝0.9278、β2＝-0.1703、β3＝1.167、β4＝1.129。
在本实施例的一种实施方式中：
所述对象构元为块体；
所述试验为：对该块体施加平压荷载，此时β1＝13.03、β2＝-0.3716、β3＝0.3684、β4＝0.8222；或者所述试验为对该块体施加球压荷载P，此时β1＝51.60、β2＝-1.6708、β3＝0.1578、β4＝0.4333。
在本实施例的一种实施方式中：
所述对象构元为自由梁件，所述试验为对该梁件施加纯弯荷载，此时β1＝78.21、β2＝-0、β3＝0.1326、β4＝1。
在本实施例的一种实施方式中：
所述对象构元为简支梁，所述试验为对该简支梁施加弯曲荷载，此时β1＝1.450、β2＝-0.1014、β3＝1、β4＝1。
在本实施例的一种实施方式中：
所述对象构元为悬臂梁，所述试验为对该悬臂梁施加弯曲荷载，此时β1＝5.085、β2＝-0.06000、β3＝0.5121、β4＝1。
本发明实施例提供一种获取构元单轴应力-应变关系的测试方法，其包括以下步骤：
1)进行对对象构元施加单调荷载试验，并获得对象构元的载荷P-位移h曲线；其中对象构元和对应的试验选自以下组中的任一种：对圆杆施加的扭转荷载、对具有缺口的板件施加拉伸荷载、对圆环施加径向压缩荷载、对圆片施加径向压缩荷载、对圆片施加法向压入荷载、对块体施加平压荷载为、对块体施加球压荷载、对梁件施加纯弯荷载、对简支梁施加弯曲荷载和对悬臂梁施加弯曲荷载；
2)求解不同位移h下的P-h曲线所围成的面积W，即为变形能W，得到变形能W-位移h曲线，该曲线满足式(1)：
W＝αhm (1)
3)在lnh～lnW双对数坐标系下对W-h曲线进行线性拟合，求得参数α和m；
4)将3)所得结果α和m代入式(2)求得被测构元的本构关系参数K和n；
式中，v*为特征能量密度且满足v*＝K/(1+n)，E为已知的弹性模量，n为应***化指数，K为应***化系数，h*为特征位移，β1、β2、β3与β4为由对象构元和对饮的试验决定的无量纲常数，其值取自下表1：
表1；
5)将由4)计算的K和n结果代入式(3)得到被测材料的单轴应力-应变关系：
式中，σy为名义屈服应力，
本发明实施例中公开的获取构元单轴应力-应变关系的测试方法，能够实现在包含圆杆、块体、梁、板件、圆环、圆片、块体等对象构元在拉/压弯等荷载下，通过试验载荷-位移曲线获得被测构元材料的单轴应力-应变关系。相比现有技术方案，本专利一方面扩大了可适用的对象，从现有的块体球压、圆环径向压缩扩大为圆杆扭转、含缺口板拉伸、圆环径向压缩、圆片径向压缩、圆片法向压入、纯弯梁、悬臂梁弯曲、简支梁弯曲、块体球压、块体平压等多种对象，适用范围大大增加；另一方面本专利将通过不同对象载荷-位移曲线获得被测材料的单轴应力-应变关系的分析方法进行了统一，采用了相同的理论模型和分析步骤，且理论模型相比现有技术方案更加简单，参数更少。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了对圆杆施加的扭转荷载的方式；
图2示出了对具有缺口的板件施加拉伸荷载的方式；
图3示出了对圆环施加径向压缩荷载的方式；
图4示出了对圆片施加径向压缩荷载的方式；
图5示出了对块体施加平压荷载的方式；
图6示出了对块体施加球压荷载的方式；
图7示出了对梁件施加纯弯荷载的方式；
图8示出了对圆片施加法向压入荷载的方式；
图9示出了对简支梁施加弯曲荷载的方式；
图10示出了对悬臂梁施加弯曲荷载的方式；
图11-图16依次示出了对块体施加平压荷载、对块体施加球压荷载、对圆环施加径向压缩荷载、对圆片施加径向压缩荷载、对圆片施加法向压入荷载以及对悬臂梁施加弯曲荷载这六种试验下获得的被测对象构元的材料的单轴应力-应变关系示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，本发明的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，本发明的描述中若出现术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
本发明实施例提供一种获取构元单轴应力-应变关系的测试方法，其包括以下步骤：
1)进行对对象构元施加单调荷载试验，并获得对象构元的载荷P-位移h曲线；
2)求解不同位移h下的P-h曲线所围成的面积W，即为变形能W，得到变形能W-位移h曲线，该曲线满足式(1)：
W＝αhm (1)
3)在lnh～lnW双对数坐标系下对W-h曲线进行线性拟合，求得参数α和m；
4)将3)所得结果α和m代入式(2)求得被测构元的本构关系参数K和n；
式中，v*为特征能量密度且满足v*＝K/(1+n)，E为已知的弹性模量，n为应***化指数，K为应***化系数，h*为特征位移，β1、β2、β3与β4为根据由对象构元和对应的试验决定的无量纲常数；
5)将由4)计算的K和n结果代入式(3)得到被测材料的单轴应力-应变关系：
式中，σy为名义屈服应力，
其中，对象构元和对应的试验选自以下组中的任一种：对圆杆施加的扭转荷载(荷载施加方式见于图1)、对具有缺口的板件施加拉伸荷载(荷载施加方式见于图2)、对圆环施加径向压缩荷载(荷载施加方式见于图3)、对圆片施加径向压缩荷载(荷载施加方式见于图4)、对圆片施加法向压入荷载(荷载施加方式见于图8)、对块体施加平压荷载(荷载施加方式见于图5)、对块体施加球压荷载(荷载施加方式见于图6)、对梁件施加纯弯荷载(荷载施加方式见于图7)、对简支梁施加弯曲荷载(荷载施加方式见于图9)和对悬臂梁施加弯曲荷载(荷载施加方式见于图10)，并且在不同试验下，β1、β2、β3与β4的值可取自表1。
表1
图11-图16依次示出了对块体施加平压荷载、对块体施加球压荷载、对圆环施加径向压缩荷载、对圆片施加径向压缩荷载、对圆片施加法向压入荷载以及对悬臂梁施加弯曲荷载等六种试验下获得的被测对象构元的材料的单轴应力-应变关系。
综合以上，本发明实施例中公开的获取构元单轴应力-应变关系的测试方法，能够实现在包含圆杆、块体、梁、板件、圆环、圆片、块体等对象构元在拉/压弯等荷载下，通过试验载荷-位移曲线获得被测构元材料的单轴应力-应变关系。相比现有技术方案，本专利一方面扩大了可适用的对象，从现有的块体球压、圆环径向压缩扩大为圆杆扭转、含缺口板拉伸、圆环径向压缩、圆片径向压缩、圆片法向压入、纯弯梁、悬臂梁弯曲、简支梁弯曲、块体球压、块体平压等多种对象，适用范围大大增加；另一方面本专利将通过不同对象载荷-位移曲线获得被测材料的单轴应力-应变关系的分析方法进行了统一，采用了相同的理论模型和分析步骤，且理论模型相比现有技术方案更加简单，参数更少，使得易于获得载荷-位移曲线的简单构元均可通过本专利技术方案预测材料的单轴应力-应变关系。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种获取构元单轴应力-应变关系的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对对象构元施加单调荷载试验，并获得对象构元的载荷P-位移h曲线；
2)求解不同位移h下的P-h曲线所围成的面积W，即为变形能W，得到变形能W-位移h曲线，该曲线满足式(1)：
W＝αhm (1)
3)在lnh～lnW双对数坐标系下对W-h曲线进行线性拟合，求得参数α和m；
4)将3)所得结果α和m代入式(2)求得被测构元的本构关系参数K和n；
式中，v*为特征能量密度且满足v*＝K/(1+n)，E为已知的弹性模量，n为应***化指数，K为应***化系数，h*为特征位移，β1、β2、β3与β4为根据由对象构元和对应的试验决定的无量纲常数；
5)将由4)计算的K和n结果代入式(3)得到被测材料的单轴应力-应变关系：
式中，σy为名义屈服应力，
2.根据权利要求1所述的获取构元单轴应力-应变关系的测试方法，其特征在于：
所述对象构元为圆杆，所述试验为对圆杆施加的扭转荷载，此时β1＝156.4、β2＝0、β3＝0.04889、β4＝1。
3.根据权利要求1所述的获取构元单轴应力-应变关系的测试方法，其特征在于：
所述对象构元为具有缺口的板件，所述试验为对该具有缺口的板件施加拉伸荷载，此时β1＝2.254、β2＝-0.0483、β3＝0.322、β4＝1.048。
4.根据权利要求1所述的获取构元单轴应力-应变关系的测试方法，其特征在于：
所述对象构元为圆环，所述试验为对该圆环施加径向压缩荷载，此时β1＝0.3791、β2＝-0.08160、β3＝0.144、β4＝0.9184。
5.根据权利要求4所述的获取构元单轴应力-应变关系的测试方法，其特征在于：
所述对象构元为圆片；
所述试验为对该圆片施加径向压缩荷载，此时β1＝0.9278、β2＝-0.1703、β3＝1.167、β4＝1.129；或者所述试验为对该圆片施加法向压入荷载，此时β1＝0.9278、β2＝-0.1703、β3＝1.167、β4＝1.129。
6.根据权利要求1所述的获取构元单轴应力-应变关系的测试方法，其特征在于：
所述对象构元为块体；
所述试验为：对该块体施加平压荷载为P，此时β1＝13.03、β2＝-0.3716、β3＝0.3684、β4＝0.8222；或者所述试验为对该块体施加球压荷载，此时β1＝51.60、β2＝-1.6708、β3＝0.1578、β4＝0.4333。
7.根据权利要求1所述的获取构元单轴应力-应变关系的测试方法，其特征在于：
所述对象构元为自由梁件，所述试验为对该梁件施加纯弯荷载，此时β1＝78.21、β2＝-0、β3＝0.1326、β4＝1。
8.根据权利要求1所述的获取构元单轴应力-应变关系的测试方法，其特征在于：
所述对象构元为简支梁，所述试验为对该简支梁施加弯曲荷载，此时β1＝1.450、β2＝-0.1014、β3＝1、β4＝1。
9.根据权利要求1所述的获取构元单轴应力-应变关系的测试方法，其特征在于：
所述对象构元为悬臂梁，所述试验为对该悬臂梁施加弯曲荷载，此时β1＝5.085、β2＝-0.06000、β3＝0.5121、β4＝1。
10.一种获取构元单轴应力-应变关系的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)进行对对象构元施加单调荷载试验，并获得对象构元的载荷P-位移h曲线；其中对象构元和对应的试验选自以下组中的任一种：对圆杆施加的扭转荷载、对具有缺口的板件施加拉伸荷载、对圆环施加径向压缩荷载、对圆片施加径向压缩荷载、对圆片施加法向压入荷载、对块体施加平压荷载为、对块体施加球压荷载、对梁件施加纯弯荷载、对简支梁施加弯曲荷载和对悬臂梁施加弯曲荷载；
2)求解不同位移h下的P-h曲线所围成的面积W，即为变形能W，得到变形能W-位移h曲线，该曲线满足式(1)：
W＝αhm (1)
3)在lnh～lnW双对数坐标系下对W-h曲线进行线性拟合，求得参数α和m；
4)将3)所得结果α和m代入式(2)求得被测构元的本构关系参数K和n；
式中，v*为特征能量密度且满足v*＝K/(1+n)，E为已知的弹性模量，n为应***化指数，K为应***化系数，h*为特征位移，β1、β2、β3与β4为由对象构元和对应的试验决定的无量纲常数，其值取自下表1：
表1；
5)将由4)计算的K和n结果代入式(3)得到被测材料的单轴应力-应变关系：
式中，σy为名义屈服应力，
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