专利名称：单轴拉伸试验的数据测量和计算方法
技术领域：
本发明涉及一种单轴拉伸试验的试验方法，尤其是涉及试验数据的测量和计算。
背景技术：
在整车碰撞仿真分析中，结构变形包含材料压溃变形、保险杆和防撞板弯曲变形、 焊点失效等材料大变形情况，目前单轴拉伸试验得到的真实应力应变曲线的长度均不能达 到描述仿真模型网格变形所需要的长度，因此，当应力应变超过给定的曲线时，软件处理一 般是将应力应变关系自动沿切线延长，或在输入曲线时，人为的将曲线延长，此外，从工程 分析的角度，应变失效准则是最具工程应用前景的材料失效模型，只有一个失效参数，并且 可以从单轴拉伸试验中获取。一般来说，真实应力应变曲线上最后一个点表示材料断裂区域的真实应力应变 状态，但如果在有限元模型中，设定该应变作为材料失效标准，将比实际情况较早失效， 且随着网格尺寸减小，材料失效越早，即发生网格尺寸效应。目前，有大量的文献验证了 有限元分析中网格尺寸效应的存在，如文献[1] (Mart Tyler-street, et al. Developing Failure Criteria forApplication to Ship Structures Subjected To Explosive Blast Loadings. The 7th EuropeanLS-DYNA Conference Salzburg. 2009)对单轴拉伸仿真模型 的网格尺寸效应进行了验证，同时，也有许多文献提出了一些理论以修正有限元分析中的 网格尺寸效应问题，因此，从理论上研究网格尺寸效应产生的机理，提出新的单轴拉伸基础 理论和新试验方法，从而对网格尺寸效应问题提出彻底的解决方案，该研究工作具有重要 的工程实践意义。1.单轴拉伸试验(Uniaxial Tensile Testing)在材料力学教材(刘鸿文.《材料力学》第三版 上册.高等教育出版社)中，对 某点M处的应变给出了极限定义
ε = Iim —(1)此极限定义表明了一个应变定义原则——变形量与变形区域相对应原则。在应变 极限定义中，如果假设材料变形不是均勻的，则M点应变采用极限定义，工程应变和真实应 变是同一的；如果假设材料变形是均勻的，则M点应变极限定义等于平均应变定义，但工程 应变和真实应变将不是同一的。由于实际情况是材料变形不是均勻的，在工程上无法通过极限定义求M点处的应 力应变状态，因此，采用平均应变定义假设是必然的选择，从而产生了工程应变的定义方 法，因此，在材料进入塑性变形阶段后，实际真实应变只是在数学上或者实际变形中存在， 而在工程上并不存在，在工程上一旦对其度量，“真实应变”均是对实际真实应变的近似。单轴拉伸试验的主要目的是获取真实应力应变曲线，为理论计算和有限元分析提 供材料输入数据，在该曲线中包含了屈服强度、抗拉强度、延伸率等重要材料信息，目前单轴拉伸试验(参考《金属拉伸试验方法GB228-87)的基本过程如下第一步，按标准中规定的试验条件，使用标准试样(按《金属拉伸试验试样 GB6397-86中规定)进行单轴拉伸试验，测量试验过程中试验拉伸载荷和试样拉伸变形量， 即拉伸载荷位移曲线；
力
and σ
第二步，根据试验测量结果，按下式计算试样不同变形下的工程应变和工程应
e I-I0 d
ε =-=—
Io Iq
F
Λ
(2)其中山为试样标定长度，A0为试样初始截面积，d为在拉伸载荷F作用下的试样 标定长度变形量；第三步，根据第二步中的计算结果，按以下两式计算试样不同变形下的真实应变 和真实应力ε 1 = 1η(1+ ε e)(3)Ot= σ e(l+ ε e)(4)第四步，绘制工程应力应变曲线和真实应力应变曲线。实际上，标准拉伸试验是先由拉伸载荷位移曲线得到工程应力应变曲线，然后将 工程应力应变曲线转化成真实应力应变曲线，由于拉伸载荷位移曲线中拉伸变形量只相当 于本发明中测量的当参考长度等于标定长度时的两个标记点距离的变化量，因此，只能绘 制出一条真实应力应变曲线，同时，由(3)式和(4)式可知，工程应变计算是关键和基础。在单轴拉伸试验标准对应变定义中，由于采用平均工程应变，实际上暗含了一个 假设一在标定长度范围内，材料变形是均勻发生的，而在该标定长度内，包含了较大的弹 性变形和塑性变形区域，计算的工程断裂应变要小于断裂区域局部的工程断裂应变。2.参考长度效应证明文 献[2] (P. A.Du Bois. Crashworthiness and Impact Engineering with LS-DYNA. 2006)中给出了材料断裂区域的断裂应变递推计算公式，以及参考长度效应(网 格尺寸效应)曲线，下面对其证明思路和方法进行说明。由金属材料典型的拉伸试验真实应力应变曲线，可以判断εβ<< ερ< ε rup(5)此判断为材料在大变形条件下应变定义的变形量与变形区域相对应原则提供了 依据。在试样标定长度内，材料变形在标定长度内均勻发生，则试样断裂时的工程断裂应变 < Ρ，ι可表示如下
1-1 d
Ee Λ =LJiL= cL(6)
rup,\jj
iO1O其中Ici为试样标定长度，d为试样断裂时的变形量。将试样标定长度分成三等份，假设材料变形只发生在中间等份上，忽略两边的变 形，则试样断裂时3如下
8
权利要求
一种单轴拉伸试验的数据测量和计算方法，其步骤包括第一步，标示测量点在拉伸方向上，通过布置分界线，将标准试样表面划分成若干区域，并沿拉伸方向画出试样的对称线，分界线与对称线分别垂直相交，交点即为标示点，并测量用于确定参考长度的两标示点之间的初始距离，以及试样初始截面积；第二步，测量试验数据按标准中规定的试验条件，进行单轴拉伸试验，测量试验过程中试样在不同变形状态下用于确定参考长度的两标示点之间的距离和试验拉伸载荷；第三步，计算真实断裂应变应力，按以下步骤进行(1)标记测量点拉伸试验完成后，将断裂试样的两节按裂纹进行对接，尽可能消除间隙，先对断裂试样较短一节上的标示点依次标记为“1、2、…、q”，然后对断裂试样较长一节上的标示点按相同的数字顺序标记相同的个数，如果断裂试样两节长度相等，则选择其中任一节先标记均可；(2)选取参考长度根据两个标记点选取不同参考长度，使得断裂区位于该参考长度的中间，根据被标记的两标示点确定第一步中测量的该两标示点的初始距离，即为参考长度的大小；(3)测量标记点距离根据不同参考长度确定的两个标记点，分别测量试样断裂后两标记点距离；(4)计算工程断裂应变应力根据工程应变定义，计算不同参考长度下的工程断裂应变，并根据工程断裂应变、试样断裂时拉伸载荷和试样初始截面积，计算不同参考长度下的工程断裂应力；(5)计算真实断裂应变应力根据不同参考长度下的工程断裂应变和工程断裂应力，计算不同参考长度下的真实断裂应变和真实断裂应力；第四步，绘制工程和真实应力应变曲线组根据第二步中的测量试验数据，直接采用第三步中的测量点标记，重复第三步中为计算工程和真实断裂应变应力的方法和步骤，计算试样在不同参考长度和不同变形状态下的工程和真实应变应力，将同一参考长度下的不同变形状态的真实应力应变点进行连接，绘制出同一种材料在不同参考长度下的工程和真实应力应变曲线。
2.根据权利要求1所述的单轴拉伸试验的数据测量和计算方法，其特征在于第一步到 第三步按如下步骤进行第一步，标示测量点在拉伸方向上，通过布置分界线，将标准试样表面按Imm间距对 其标定长度进行等分，并沿拉伸方向画出试样的对称线，分界线与对称线分别垂直相交，交 点即为标示点，并测量试样初始截面积；第二步，测量试验数据按标准中规定的试验条件，进行单轴拉伸试验，测量试验过程 中试样在不同变形状态下的两标示点之间的距离D和试验拉伸载荷F ；第三步，计算真实断裂应变应力按小于或等于试样标定长度的偶数参考长度和小于 试样标定长度的奇数参考长度两种情况，分别计算(a)当参考长度为偶数时，按以下几个步骤计算(1)标记测量点拉伸试验完成后，将断裂试样的两节按裂纹进行对接，尽可能消除间 隙，假设试样断裂处位于某个标示点上，将此标示点标记为“ 1 ”，先对断裂试样较短一节上 的余下标示点依次标记为“2、3、…、q”，其中q为偶数，然后对断裂试样较长一节上的标示点按相同的数字顺序标记相同的个数，如果断裂试样两节长度相等，则选择其中任一节先 标记均可；(2)测量标记点距离按不同偶数参考长度，分组测量标记点距离，对标记点距离分为 断裂区D1和非断裂区D2,使用张量表示断裂试样其中一节上的标记点距离 D1 = Dlr，(r = 2s, s = 1、2、3、...、q_l)(23)i = 2m · η + m +1 ^ q - 2, m = 1、2、3、· · ·、『0 \ζλD2=Dii, ()<24)2m n+ 3m+ Is q, ai = 0>1、2、■ ··、[ X ]] ,_交换Dij下标即为另一节上标记点距离的张量表示；(3)计算工程应变根据工程应变定义，按不同偶数参考长度，分组计算试样断裂后断 裂区工程应变和非断裂区工程应变<，使用张量表示断裂试样其中一节上的工程应变^r =ε1 = V1' (r = 2s, s = 1,2,3, ...、q_l)(25)ε2 = ￡ij =d i = 2m-n + m q - 2, m=l、2、3、."、[0Lt ..I = iJH It T Hl T 1 = cy 一Hl 一 ■!■、‘、·_ 、、|I丄，(^1 /3J)(26)j = 2m-n + 3m + l^q, η交换<下标即为另一节上工程应变的张量表示，其中断裂区参考长度变形量Cl1和非断 裂区参考长度变形量d2，使用张量表示断裂试样其中一节上的参考长度变形量 Cl1 = dlr = Dlr-Ir, (r = 2s, s = 1、2、3、…、q-1) (27)i = 2m ·η + m +1 s a - 2, ι = 1、2、3、· · ·、|^ a 1 d2 =dn =Dij-Ir, (73 )(28)j = 2m ■ η + 3m +1 < q, η = 0、1、2、交换下标即为另一节上参考长度变形量的张量表示，其中，参考长度表达式为 Ir = r, (r = 2s, s = 1、2、3、…、q-1)(29)(4)计算工程断裂应变应力判断断裂试样较短一节进入断裂区域的标记点个数，以 进入断裂区的标记点“4”为例进行说明，根据试样变形的对称性，则断裂试样两节上交换下 标的测量和计算的数据相等当参考长度等于2mm时，则进入断裂区的工程断裂应变为<2、ε12、，并假设进入断 裂区的工程断裂应变均相等，按工程应变定义，求得<2为 (d~2 Jdij) /<2= i^tr"4' /6.(32)当参考长度不等于2mm时，则进入断裂区的工程断裂应变为<，按工程应变定义，求得 <为Elr —(d ~2 JjCiij)/ι不同偶数参考长度下的工程断裂应力σ(，与参考长度无关，直接求得σ 为or Selr = …2 /(35)
3.根据权利要求2所述的单轴拉伸试验的数据测量和计算方法，其特征在于第三步中 计算工程断裂应变，按以下公式计算(a)参考长度为偶数时，判断断裂试样较短一节进入断裂区域的标记点个数，以进入断 裂区的标记点“4”为例进行说明，根据试样变形的对称性，则断裂试样两节上交换下标的测 量和计算的数据相等当参考长度等于2mm时，则进入断裂区的工程断裂应变为<2、Se12, <4，并假设进入断 裂区的工程断裂应变均相等，求得<2为 (d~4 ye；)
4.根据权利要求2所述的单轴拉伸试验的数据测量和计算方法，其特征在于第一步标示测量点和第三步中的标记测量点和测量标记点距离，通过先进的测试设备和测量点跟踪 及数据处理技术将其合并到第二步中由一个步骤完成。
5.根据权利要求2或3或4所述的单轴拉伸试验的数据测量和计算方法，其特征在于 第三步中工程断裂应变应力和真实断裂应变应力的计算，通过编写计算机程序，由计算机 程序完成。
6.根据权利要求2或3或4所述的单轴拉伸试验的数据测量和计算方法，其特征在于 根据第四步中绘制的真实应力应变曲线组中每条曲线上的最后一个点，绘制出参考长度效 应曲线，具体方法是以X轴表示参考长度，以Y轴表示真实断裂应变，将参考长度与真实断 裂应变一一对应，得到单轴拉伸试验的参考长度效应曲线。
7.根据权利要求2或3或4所述的单轴拉伸试验的数据测量和计算方法，其特征在于 根据第四步中绘制的真实应力应变曲线组，绘制出修正的真实应力应变曲线，具体方法是 以参考长度为IOmm时的真实应力应变曲线为基础，将该曲线的试样断裂点沿着较小参考 长度下真实应力应变曲线的试样断裂点依次进行延长，得到修正的真实应力应变曲线。
8.一种单轴拉伸试验的数据测量和计算方法，其步骤包括第一步，制作拉伸试样制作标定长度小于标准试样标定长度的不同拉伸试样；第二步，测量试验数据按标准中规定的试验条件，分别对不同标定长度拉伸试样进行 单轴拉伸试验，测量试样初始截面积、试验拉伸载荷和试样拉伸变形量；第三步，计算工程断裂应变应力根据工程应变定义，计算不同参考长度下的工程断裂 应变，并根据工程断裂应变、试样断裂时拉伸载荷和试样初始截面积，计算不同参考长度下 的工程断裂应力，其中，参考长度即为试样的标定长度；第四步，计算真实断裂应变应力根据不同参考长度下的工程断裂应变和工程断裂应 力，计算不同参考长度下的真实断裂应变和真实断裂应力；第五步，绘制工程和真实应力应变曲线组根据第二步中测量的试验数据，重复第三步 和第四步的计算方法和步骤，计算拉伸试样在不同参考长度下和不同变形状态下的工程和 真实应变应力，将同一参考长度下的不同变形状态的工程和真实应力应变点进行连接，绘 制出同一种材料在不同参考长度下的工程和真实应力应变曲线。
9.根据权利要求8所述的单轴拉伸试验的数据测量和计算方法，其特征在于根据第五 步中绘制的真实应力应变曲线组中每条曲线上的最后一个点，绘制出参考长度效应曲线， 具体方法是以X轴表示参考长度，以Y轴表示真实断裂应变，将参考长度与真实断裂应变 一一对应，得到单轴拉伸试验的参考长度效应曲线。
10.根据权利要求8所述的单轴拉伸试验的数据测量和计算方法，其特征在于根据第 五步中绘制的真实应力应变曲线组，绘制出修正的真实应力应变曲线，具体方法是以参考 长度为IOmm时的真实应力应变曲线为基础，将该曲线的试样断裂点沿着较小参考长度下 真实应力应变曲线的试样断裂点依次进行延长，得到修正的真实应力应变曲线。
全文摘要
本发明公开了一种单轴拉伸试验的数据测量和计算方法，其步骤包括标示测量点；测量试验数据；计算真实断裂应变应力；绘制工程和真实应力应变曲线。本发明方法可以在同一次单轴拉伸试验中得到不同参考长度下的工程和真实应力应变曲线，建立了参考长度效应与网格尺寸效应之间的对应关系，为有限元方法中的网格尺寸效应问题提供了彻底的解决方案，即对同一种材料的不同网格尺寸，定义与其相等的参考长度下的真实应力应变曲线。同时，根据本发明提出的单轴拉伸基础理论，对诸如网格尺寸效应、能量吸收、材料应变失效等实际问题给出了理论解释，因此，本发明具有重要的理论与工程实践意义。
文档编号G01N3/08GK101975693SQ20101050169
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月11日 优先权日2010年10月11日
发明者肖锋 申请人:肖锋