本发明属于材料力学
技术领域：
，涉及一种用于纯ⅱ型动态断裂的新型实验方法。
背景技术：
：复合材料、陶瓷、岩石等脆性材料在服役过程中，常常会由于受到冲击剪切载荷的作用而发生ⅱ型断裂，并导致工程结构迅速丧失承载能力。因此，对于金属材料在冲击剪切作用下的纯ⅱ型动态断裂性能的测试具有重要的科学意义和工程价值。目前，对于动态断裂力学的研究常采用摆锤冲击试验机、落锤冲击试验机和霍普金森杆装置进行加载。其中，落锤或摆锤式试验机存在加载速率有限、加载信号不稳定且难以准确测量等缺点。目前在采用霍普金森杆对材料动态断裂韧性进行测量时，依然存在实验装置复杂、易引入ⅰ型断裂成分、难以测得透射波形等缺点，无法确保数据的准确性以及试样的纯ⅱ型断裂。鉴于此，本专利提出了一种基于shpb加载的实验方法，用于材料ⅱ型动态断裂特性的研究。通过有限元分析验证该方法的可行性，并通过实验-数值法得出不同加载速率下的断裂韧性，得出其变化规律。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种用于纯ⅱ型动态断裂的试验件及实验方法，本发明的有益效果是方法简单，验证结果准确。本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行：步骤1：设计式样和夹具，试样和夹具均是轴对称结构，试样具有一个加载端和两个支撑端，在式样的加载端两侧做两条预制裂纹，夹具一端为圆管，圆管内径与透射杆外径相同，圆管能够紧密套在透射杆上，夹具另一端有两个槽，槽与试样支撑端相配合，支撑端能够紧密插入槽内，入射杆一端设有凹槽，凹槽形状和加载端相配合，加载端能够紧密插入凹槽内；步骤2：通过hopkinson压杆技术获得杆中的应力曲线，并以此为输入进行数值模拟计算。进一步，试样表面采用抛光处理，以减少实验中与杆端面的摩擦。进一步，预制裂纹宽度为0.3mm。进一步，通过hopkinson压杆技术获得杆中的应力曲线，并以此为输入进行数值模拟计算方法如下：采用abaqus/explicit有限元分析软件进行建模，对试样按图等比例建模，通过边界条件的设置限制试样横向的位移，限制选定表面在法向方向的位移，入射杆和透射杆选用线弹性模型，试样选用j-c本构模型，入射杆和透射杆选用六面体缩减积分单元c3d8r，试样选取温度位移耦合四面体单元c3d10mt，且对裂尖区域网格加密处理。附图说明图1是式样结构示意图；图2是式样夹具连接示意图；图3是ⅰ型和ⅱ型动态应力强度因子对比图。图中，1.试样，2.夹具，3.透射杆，4.入射杆，101.加载端，102.支撑端，103.预制裂纹，201.圆管，202.槽。具体实施方式下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。本发明提出了用于纯ⅱ型实验的新型断裂试样以及匹配的夹具，如图1和图2所示，试样1和夹具2均是轴对称结构。试样1具有一个加载端101和两个支撑端102，对试样1表面采用抛光处理，以减少实验中与杆端面的摩擦。在式样1的加载端101两侧做两条预制裂纹103，图1中虚线为线切割加工的预制裂纹103，宽度为0.3mm。为了防止试样1横向位移以及产生ⅰ型成分，设计了与其匹配的夹具2，在实验中配合使用。夹具2一端为圆管201，圆管201内径与透射杆3外径相同，可紧密套在透射杆3上，另一端有两个槽202，槽202与试样1支撑端102相配合，支撑端102能够紧密插入槽202内，限制了试样1横向位移。通过对试样1和夹具2的设计，可以保证试样为纯ⅱ型断裂。入射杆4一端设有凹槽，凹槽形状和加载端101相配合，加载端101能够紧密插入凹槽内。通过hopkinson压杆技术获得杆中的应力曲线，并以此为输入进行数值模拟计算。这样，就可以获得试样裂尖的详细加载信息及应力强度因子曲线。本发明方法避免了复杂的加载装置，并可以直接获得入射和反射杆中的应力波信息，为数值计算提供条件。通过hopkinson压杆技术获得杆中的应力曲线，并以此为输入进行数值模拟计算方法如下：采用abaqus/explicit有限元分析软件进行建模，对试样按图等比例建模，通过边界条件的设置限制试样横向的位移，限制选定表面在法向方向的位移，以实现夹具的作用，简化计算量。入射杆和透射杆选用线弹性模型，试样选用j-c本构模型。材料参数见表1，以下以tc4材料为例。表1a(mpa)b(mpa)ncm997.9653.10.450.01980.7入射杆和透射杆选用六面体缩减积分单元c3d8r，试样选取温度位移耦合四面体单元c3d10mt，且对裂尖区域网格加密处理。经计算，得到典型加载过程中应力强度因子曲线见图3。分析可知，模拟开始阶段加载波输入到入射杆上，试样裂纹两端面未发生位移，应力强度因子均为零。当时间到达245μs时入射波传到试样，应力强度因子值开始变化，且ⅱ型应力强度因子值为正值，而ⅰ型应力强度因子为负，这是由于加载过程中两裂纹面发生闭合造成的，并不含有ⅰ型的成分；当时间到达424μs时，加载阶段完成，应力强度因子值均达到极值，随后趋于水平。所以可认为该试样满足纯ⅱ型加载。本发明基于shpb加载系统，提出了一种新型试样和夹具，并设计了实验方案，用以研究材料的纯ⅱ型断裂特性。通过有限元分析中的位移法验证了该试样符合纯ⅱ型断裂，因此该方案可以满足实验要求。该方法可以避免现有实验中所存在的实验装置复杂、易引入ⅰ型断裂成分、难以测得透射波形等缺点，为材料的纯ⅱ型动态断裂提供一种新的方便的测试方法。以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。当前第1页12