CN110031288A - 一种板材纯剪切实验加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种板材纯剪切实验加载装置，属于板材力学性能测试技术领域，包括板材试件、前加载装置和后加载装置，所述板材试件设置在前加载装置和后加载装置之间，前连接扭转试验机区域内部设有前加载装置定位孔，前加载装置定位面上设有前上剪切力施加台阶和前下剪切力施加台阶，后加载装置定位面上设有后上剪切力施加台阶和后下剪切力施加台阶，前加载装置定位孔内部中央位置设有加载装置定位销。本发明通过前后加载装置所设定的特殊相对位置，可以获得精确的剪切应力与加载扭矩之间的转换关系，进而获得精确的板材纯剪切实验应力‑应变关系。该加载方式可实现板材在纯剪切状态下到达完全的剪断结果。

Description

一种板材纯剪切实验加载装置

技术领域

本发明涉及一种板材力学性能测试技术领域，具体是一种板材纯剪切实验加载装置。

背景技术

板材，特别是轧制板材在国民经济生产中有着广泛的应用，特别是用于汽车、飞机及造船工业。几何形状不同的产品经由不同的加工工艺使之最终成形，例如，最为普遍使用的冲压成形工艺。

为避免板材在塑性加工过程中发生起皱与开裂等失效现象，需要了解所用板材的力学性能，特别是需要借助计算机数值仿真技术，模拟成形过程中板材呈现出的可成形特性，包括对板材成形极限的预测，进而来合理地设计与优化成形工艺参数，可有效地缩短零件的开发流程、降低零件研发成本。因此得到准确的板材实验力学性能数据是实现仿真预测的基本条件，也是实际工程应用中需要解决的迫切问题。

目前，描述板材力学性能的实验基本是基于单向拉伸实验，或者双向拉伸实验展开的。但是，由于金属材料发生塑性变形时，基本是以剪切滑移形式表现出来的，因此，剪切特性是描述金属材料最为基本的实验参数。另外，由于板材产品可能涉及各种各样的几何形状，而只要发生几何形状变化的区域都将形成剪切应力的作用，故而，板材的剪切塑性变形特性，包括剪切成形极限的实验判据是板材实际应用中最为重要的参数之一。但是，由于纯剪切加载要求的特殊性，即，它不同于拉伸实验，拉伸变形发生在一个均匀的测试区域内，而是要求发生在固定的剪切平面上，因此，从上世纪（50）年代至今，学术界一直在不断的研究纯剪切加载实验方法，试图获得更精确的板材纯剪切实验数据。虽然提出了多种多样的板材剪切实验方法，但是，这些方法均无法使被测试材料在完整的塑性变形过程中处于纯剪切应力状态。因此，所得数据只能用于了解板材的基本剪切强化与塑性变形特性，但是，无法直接用于仿真材料模型中，如果应用则只能做为近似应用。

针对目前最为常用，并且已成为标准的三种剪切实验方法为例，分别为：Miyauchi实验，ASTMB（831）-（05）标准实验和Twin-Bridge实验。这些方法的剪切实验，无论加载方式如何，拉伸，或者扭转，施加到板材上的剪切力都发生在一个区域面积内，而不是一个固定的剪切面上。随着剪切变形的进行，变形区域将存在附加的拉应力现象，而且拉应力的影响程度无法定量描述，这不仅影响到对剪切应力值大小的确定，而且也涉及到对剪切应变值的精确确定，即无法保证加载的全过程该区域材料始终处于纯剪切应力状态，这是现有板材剪切实验方法共存的问题。

因此目前还没有有效的实验方法能够得到板材的纯剪切实验数据，这也是目前学术界和工程界都非常关注和亟待解决的问题，特别是仿真模拟应用的需要。

发明内容

对于现有的问题，本发明的目的在于提供一种板材纯剪切实验加载装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种板材纯剪切实验加载装置，包括板材试件、前加载装置和后加载装置，所述板材试件设置在前加载装置和后加载装置之间，前加载装置外部设有前连接扭转试验机区域，前连接扭转试验机区域内部设有前加载装置定位孔，前加载装置内部设有前加载装置定位面，前加载装置定位面上设有前上剪切力施加台阶和前下剪切力施加台阶，后加载装置外部设有后连接扭转试验机区域，后加载装置内部设有后加载装置定位面，后加载装置定位面上设有后上剪切力施加台阶和后下剪切力施加台阶，前加载装置定位孔内部中央位置设有加载装置定位销。

作为本发明进一步的方案：所述前上剪切力施加台阶侧壁为前加载上剪切力施加壁，前下剪切力施加台阶侧壁为前加载下剪切力施加壁。

作为本发明进一步的方案：所述后上剪切力施加台阶侧壁为后加载上剪切力施加壁，后下剪切力施加台阶侧壁为后加载下剪切力施加壁。

作为本发明进一步的方案：所述后加载装置和前加载装置相互配合连接，板材试件中间设有板材中心孔，板材中心孔和前加载装置定位孔同中心轴设置，加载装置定位销穿过板材中心孔***设置在前加载装置定位孔内，板材试件的板材试件外表面靠近前加载装置设置，板材试件的板材试件内表面靠近后加载装置设置。

作为本发明进一步的方案：所述板材试件中间区域为板材试件剪切区域，板材试件剪切区域上设有上内扇形开口、下内扇形开口、上外扇形开口和下外扇形开口。

作为本发明进一步的方案：所述上内扇形开口一侧侧壁为上内扇形剪切加载壁，下内扇形开口一侧侧壁为下内扇形剪切加载壁，上外扇形开口一侧侧壁为上外扇形剪切加载壁，下外扇形开口一侧侧壁为下外扇形剪切加载壁，上内扇形剪切加载壁和上外扇形剪切加载壁之间为板材试件剪切区域，下内扇形剪切加载壁和下外扇形剪切加载壁之间也为板材试件剪切区域。

作为本发明进一步的方案：所述上内扇形开口、下内扇形开口分别***设置在后加载装置的后上剪切力施加台阶、后下剪切力施加台阶上，后加载装置的后加载上剪切力施加壁及后加载下剪切力施加壁与板材试件的上内扇形剪切加载壁及下内扇形剪切加载壁紧靠在一起，板材试件的内表面与后加载装置的定位面形成无间隙靠在一起。

作为本发明进一步的方案：所述上外扇形开口、下外扇形开口与前加载装置的前上剪切力施加台阶、前下剪切力施加台阶安装在一起，板材试件的上外扇形剪切加载壁、下外扇形剪切加载壁与前加载装置的前加载上剪切力施加壁、前加载下剪切力施加壁紧靠一起，板材试件的外表面与前加载装置的定位面之间形成无间隙靠合。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过前后加载装置所设定的特殊相对位置，当前后加载装置以相反向方形成扭转加载时，待测板材的剪切受力仅仅发生在一对固定的弧面上；剪切变形亦发生在固定的剪切面上，其它区域不发生任何塑性变形；前后加载装置贴靠板材两面，在板材剪切过程中保持不变的距离，既可以稳定板材的剪切变形，也可以防止板材可能发生的起皱失稳问题；前后加载装置通过扭转试验机提供实验扭矩，前后加载装置的安装及传力精度依靠前加载装置的定位孔和后加载装置的定位销来实现。由于剪切力仅仅作用在固定的剪切面上，因此，可以获得精确的剪切应力与加载扭矩之间的转换关系，进而获得精确的板材纯剪切实验应力-应变关系。该加载方式可实现板材在纯剪切状态下到达完全的剪断结果。

附图说明

图1为板材纯剪切实验加载装置的结构示意图。

图2为板材纯剪切实验加载装置中前加载装置示意图。

图3为板材纯剪切实验加载装置中后加载装置示意图。

图4为板材纯剪切实验加载装置的板材试件示意图，

图5为板材纯剪切实验加载装置的板材试件侧视图。

其中：1-板材试件，2-板材中心孔，3-上内扇形开口，4-下内扇形开口，5-上内扇形剪切加载壁，6-下内扇形剪切加载壁，7-上外扇形开口，8-下外扇形开口，9-上外扇形剪切加载壁，10-下外扇形剪切加载壁，11-板材试件剪切区域，12-板材试件外表面，13-板材试件内表面，14-前加载装置，15-前加载装置定位孔，16-前上剪切力施加台阶，17-前下剪切力施加台阶，18-前加载上剪切力施加壁，19-前加载下剪切力施加壁，20-前加载装置定位面，21-前连接扭转试验机区域，22-后加载装置，23-后上剪切力施加台阶，24-后下剪切力施加台阶，25-后加载上剪切力施加壁，26-后加载下剪切力施加壁，27-后加载装置定位面，28-后加载装置定位销，29-后连接扭转试验机区域。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设有”、“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。

实施例一：请参阅图1-5，一种板材纯剪切实验加载装置，包括板材试件1、前加载装置14和后加载装置22，所述板材试件1设置在前加载装置14和后加载装置22之间，方便板材试件1的剪切，利于使用。

前加载装置14外部设有前连接扭转试验机区域21，前连接扭转试验机区域21内部设有前加载装置定位孔15，前加载装置14内部设有前加载装置定位面20，前加载装置定位面20上设有前上剪切力施加台阶16和前下剪切力施加台阶17，前上剪切力施加台阶16侧壁为前加载上剪切力施加壁18，前下剪切力施加台阶17侧壁为前加载下剪切力施加壁19。通过前连接扭转试验机区域21连接外部电机带动前加载装置14转动，前上剪切力施加台阶16和前下剪切力施加台阶17转动时，通过前加载上剪切力施加壁18、前加载下剪切力施加壁19施加力对板材进行剪切，方便使用。

后加载装置22外部设有后连接扭转试验机区域29，后加载装置22内部设有后加载装置定位面27，后加载装置定位面27上设有后上剪切力施加台阶23和后下剪切力施加台阶24，后上剪切力施加台阶23侧壁为后加载上剪切力施加壁25，后下剪切力施加台阶24侧壁为后加载下剪切力施加壁26，前加载装置定位孔15内部中央位置设有加载装置定位销28。通过后连接扭转试验机区域29连接另一外部电机带动后加载装置22转动，后上剪切力施加台阶23和后下剪切力施加台阶24转动时，后加载上剪切力施加壁25、后加载下剪切力施加壁26施加力对板材进行剪切，方便使用。

后加载装置22和前加载装置14相互配合连接，板材试件1中间设有板材中心孔2，板材中心孔2和前加载装置定位孔15同中心轴设置，加载装置定位销28穿过板材中心孔2***设置在前加载装置定位孔15内，板材试件1的板材试件外表面12靠近前加载装置14设置，板材试件1的板材试件内表面13靠近后加载装置22设置。

板材试件1中间区域为板材试件剪切区域11，板材试件剪切区域11上设有上内扇形开口3、下内扇形开口4、上外扇形开口7和下外扇形开口8。上内扇形开口3一侧侧壁为上内扇形剪切加载壁5，下内扇形开口4一侧侧壁为下内扇形剪切加载壁6，上外扇形开口7一侧侧壁为上外扇形剪切加载壁9，下外扇形开口8一侧侧壁为下外扇形剪切加载壁10，上内扇形剪切加载壁5和上外扇形剪切加载壁9之间为板材试件剪切区域11，下内扇形剪切加载壁6和下外扇形剪切加载壁10之间也为板材试件剪切区域11，上内扇形开口3、下内扇形开口4分别***设置在后加载装置22的后上剪切力施加台阶23、后下剪切力施加台阶24上，后加载装置22的后加载上剪切力施加壁25及后加载下剪切力施加壁26与板材试件1的上内扇形剪切加载壁5及下内扇形剪切加载壁6紧靠在一起，板材试件1的内表面13与后加载装置22的定位面27形成无间隙靠在一起。利于后续板材的切割，保证稳定性，方便使用。

上外扇形开口7、下外扇形开口8与前加载装置14的前上剪切力施加台阶16、前下剪切力施加台阶17安装在一起，板材试件1的上外扇形剪切加载壁9、下外扇形剪切加载壁10与前加载装置14的前加载上剪切力施加壁18、前加载下剪切力施加壁19紧靠一起，板材试件1的外表面12与前加载装置14的定位面20之间形成无间隙靠合，利于板材的切割，保证稳定性。

通过后加载装置22和前加载装置14转动，带动后上剪切力施加台阶23、后下剪切力施加台阶24、前上剪切力施加台阶16、前下剪切力施加台阶17转动，后加载上剪切力施加壁25及后加载下剪切力施加壁26对上内扇形开口3、下内扇形开口4施加力进行剪切，上外扇形剪切加载壁9、下外扇形剪切加载壁10对上外扇形开口7、下外扇形开口8施加力进行剪切，方便使用。

待测的板材试件的外轮廓形状为方形，或者圆形。本实施案例中，待测板材选用金属板材的外轮廓形状为方形，靠近剪切区域的两个边被折弯成90度，用于增加板材的抗起皱能力。板材边长为100mm，壁厚为1mm，材料为DP钢。

实施例二：在实施例一的基础上对于板材试件1与后加载装置22的连接，首先，将板材试件1的上内扇形开口3和下内扇形开口4与后加载装置22的后上剪切力施加台阶23及后下剪切力施加台阶24穿插一起，使后加载装置22的后加载上剪切力施加壁25及后加载下剪切力施加壁26与板材试件1的上内扇形剪切加载壁5及下内扇形剪切加载壁6紧靠在一起，同时，板材试件1的内表面13与后加载装置22的定位面27形成无间隙靠在一起，板材试件1的内扇形开口3和4的外径尺寸与后加载装置22的后上剪切力施加台阶23和后下剪切力施加台阶24的外径尺寸相同；而对于板材试件1与前加载装置14的连接，将板材试件1的上外扇形开口7和下外扇形开口8与前加载装置14的前上剪切力施加台阶16和前下剪切力施加台阶17安装在一起，使板材试件1的上外扇形剪切加载壁9和下外扇形剪切加载壁10与前加载装置14的前加载上剪切力施加壁18和前加载下剪切力施加壁19紧靠一起，板材试件1的外表面12与前加载装置14的定位面20之间形成无间隙靠合，板材试件1的上外扇形开口7和下外扇形开口8的内径尺寸与前加载装置14的前上剪切力施加台阶16和前下剪切力施加台阶17的内径尺寸完全相同。

前加载装置14的定位孔15尺寸与后加载装置22的定位销28的尺寸相同可相对滑动并通过板材试件1的中心孔2穿插在一起，前加载装置14的前连接扭转试验机区域21与后加载装置22的连接扭转试验机区域29与扭转试验机连接，用于提供试验扭转力。

扭转试验机施加的扭矩是经由前加载装置14的前加载上剪切力施加壁18和前加载下剪切力施加壁19以及后加载装置22的后加载上剪切力施加壁25和后加载下剪切力施加壁26传递到试件板材1上的，扭转力施加到试件1的板材试件剪切区域11上，形成纯剪切应力，进而通过光学测量方法，或者通过采集应变片的板材试件剪切区域11的剪切应变值，最后得到板材的纯剪切应力-应变关系数据。

本实施剪切试验方法还可以在一定温度下进行，进而得到板材在一定温度下的纯剪切应力-应变关系数据。

本实施案例基于纯剪切施力原理，使板材的纯剪切过程仅仅发生在固定的剪切面上，而不是一个剪切区域，因此，可获得足够精确的板材纯剪切实验应力-应变关系数据。基于本实施剪切加载装置及方法，不仅可得到板材精确的纯剪切塑性变形实验数据，而且也可以将其实验数据用于定义仿真数值模拟的材料模型。

本实施案例结构简单，按材料的纯剪切施力原理设计的加载装置可以使试件的测试面处于稳定的纯剪切应力状态，可以确保从测试材料发生初始屈服一直到试件被完全剪切断裂的全过程中均处于稳定的纯剪切应力状态，而不会伴随塑性变形的增加出现拉应力或者压应力产生的现象。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种板材纯剪切实验加载装置，包括板材试件（1）、前加载装置（14）和后加载装置（22），其特征在于，所述板材试件（1）设置在前加载装置（14）和后加载装置（22）之间，前加载装置（14）外部设有前连接扭转试验机区域（21），前连接扭转试验机区域（21）内部设有前加载装置定位孔（15），前加载装置（14）内部设有前加载装置定位面（20），前加载装置定位面（20）上设有前上剪切力施加台阶（16）和前下剪切力施加台阶（17），后加载装置（22）外部设有后连接扭转试验机区域（29），后加载装置（22）内部设有后加载装置定位面（27），后加载装置定位面（27）上设有后上剪切力施加台阶（23）和后下剪切力施加台阶（24），前加载装置定位孔（15）内部中央位置设有加载装置定位销（28）。

2.根据权利要求1所述的板材纯剪切实验加载装置，其特征在于，所述前上剪切力施加台阶（16）侧壁为前加载上剪切力施加壁（18），前下剪切力施加台阶（17）侧壁为前加载下剪切力施加壁（19）。

3.根据权利要求2所述的板材纯剪切实验加载装置，其特征在于，所述后上剪切力施加台阶（23）侧壁为后加载上剪切力施加壁（25），后下剪切力施加台阶（24）侧壁为后加载下剪切力施加壁（26）。

4.根据权利要求1所述的板材纯剪切实验加载装置，其特征在于，所述后加载装置（22）和前加载装置（14）相互配合连接，板材试件（1）中间设有板材中心孔（2），板材中心孔（2）和前加载装置定位孔（15）同中心轴设置，加载装置定位销（28）穿过板材中心孔（2）***设置在前加载装置定位孔（15）内，板材试件（1）的板材试件外表面（12）靠近前加载装置（14）设置，板材试件（1）的板材试件内表面（13）靠近后加载装置（22）设置。

5.根据权利要求1-4任一所述的板材纯剪切实验加载装置，其特征在于，所述板材试件（1）中间区域为板材试件剪切区域（11），板材试件剪切区域（11）上设有上内扇形开口（3）、下内扇形开口（4）、上外扇形开口（7）和下外扇形开口（8）。

6.根据权利要求5所述的板材纯剪切实验加载装置，其特征在于，所述上内扇形开口（3）一侧侧壁为上内扇形剪切加载壁（5），下内扇形开口（4）一侧侧壁为下内扇形剪切加载壁（6），上外扇形开口（7）一侧侧壁为上外扇形剪切加载壁（9），下外扇形开口（8）一侧侧壁为下外扇形剪切加载壁（10），上内扇形剪切加载壁（5）和上外扇形剪切加载壁（9）之间为板材试件剪切区域（11），下内扇形剪切加载壁（6）和下外扇形剪切加载壁（10）之间也为板材试件剪切区域（11）。

7.根据权利要求6所述的板材纯剪切实验加载装置，其特征在于，所述上内扇形开口（3）、下内扇形开口（4）分别***设置在后加载装置（22）的后上剪切力施加台阶（23）、后下剪切力施加台阶（24）上，后加载装置（22）的后加载上剪切力施加壁（25）及后加载下剪切力施加壁（26）与板材试件（1）的上内扇形剪切加载壁（5）及下内扇形剪切加载壁（6）紧靠在一起，板材试件（1）的内表面（13）与后加载装置（22）的定位面（27）形成无间隙靠在一起。

8.根据权利要求6所述的板材纯剪切实验加载装置，其特征在于，所述上外扇形开口（7）、下外扇形开口（8）与前加载装置（14）的前上剪切力施加台阶（16）、前下剪切力施加台阶（17）安装在一起，板材试件（1）的上外扇形剪切加载壁（9）、下外扇形剪切加载壁（10）与前加载装置（14）的前加载上剪切力施加壁（18）、前加载下剪切力施加壁（19）紧靠一起，板材试件（1）的外表面（12）与前加载装置（14）的定位面（20）之间形成无间隙靠合。