一种复杂应力状态下材料动态断裂性能的试验表征方法

1.本发明涉及材料动态断裂性能试验技术领域，尤其涉及一种复杂应力状态下材料动态断裂性能的试验表征方法。


背景技术：

2.结构材料在服役过程中，由于服役环境的多变性，其服役过程伴随着复杂应力状态和应变速率效应特性。结构材料在服役过程中的动态断裂行为，需要考虑应力状态特征的高精度动态模型进行预测，而进行复杂应力状态下动态断裂性能试验测试是开发高精度动态断裂模型的前提。
3.目前，针对材料动态断裂性能的试验表征中，学者常常采用单向拉伸试样进行动态测试，但该方法存在未考虑其他应力状态对材料动态断裂性能的影响、且不能够反应材料实际服役断裂性能特征的问题。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种复杂应力状态下材料动态断裂性能的试验表征方法。
5.一种复杂应力状态下材料动态断裂性能的试验表征方法，包括：根据目标结构的服役环境和极端工况，分析所述目标结构的服役应力状态和应变速率变化范围；根据所述服役应力状态和应变速率变化范围，结合高速拉伸试验机的测试加载条件，设计复杂应力状态的若干断裂试样；根据所述目标结构的应变速率变化范围，设计多个应变速率的复杂应力状态动态断裂试验方案；根据所述若干断裂试样在多个应变速率下的动态试验条件，进行仿真逆向推导，获取试验加载条件；根据所述复杂应力状态动态断裂试验方案和试验加载条件，采用高速拉伸试验机，结合非接触应变测量系统对所述若干断裂试样进行测试，获取所述目标结构在复杂应力状态下的服役动态断裂性能。
6.进一步地，所述若干断裂试样包括接剪切试样、单向拉伸试样、r5缺口试样和r10缺口试样。
7.进一步地，所述单向拉伸试样根据iso 26203-2-2011标准进行设计，并根据所述标准确定单向拉伸试样在多个应变速率下的加载条件。
8.进一步地，所述多个应变速率包括10/s、200/s和500/s。
9.进一步地，所述应变速率10/s、200/s和500/s，通过仿真逆向推导获得对应的加载条件，分别为30mm/s、550mm/s和1500mm/s。
10.与现有技术相比，本发明的优点及有益效果在于：本发明根据目标结构的服役环境和极端工况，分析出目标结构的服役应力状态和应变速率变化范围，并根据服役应力状态和应变速率变化范围，结合高速拉伸试验机的测试加载条件，设计复杂应力状态的若干断裂试样，能够根据若干试样反映出目标结构的实际断裂性能，根据应变速率变化范围，设计多个应变速率的复杂应力状态动态断裂试验方案，仿真分析若干断裂试样在多个应变速
率下的动态试验条件，获取试验加载条件，基于设计的方案和获取的试验加载条件，采用高速拉伸试验机，结合非接触应变测量系统对若干断裂试样进行测试，获取试样的服役动态断裂性能，即目标结构在复杂应力状态下的服役动态断裂性能，较为全面地考虑到了所有应变状态对目标结构动态断裂性能的影响，从而实现对目标结构的动态试验表征，能够反应材料的实际服役断裂性能特征。
附图说明
11.图1为一个实施例中一种复杂应力状态下材料动态断裂性能的试验表征方法的流程示意图；
12.图2为剪切试样的结构示意图；
13.图3为单向拉伸试样的结构示意图；
14.图4为r10缺口试样的结构示意图；
15.图5为r5缺口试样的结构示意图；
16.图6为最大应变单元在10/s的应变速率下的应变速率变化仿真图；
17.图7为最大应变单元在200/s的应变速率下的应变速率变化仿真图；
18.图8为最大应变单元在500/s的应变速率下的应变速率变化仿真图。
具体实施方式
19.为了使本发明更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
20.如图1所示，提供了一种复杂应力状态下材料动态断裂性能的试验表征方法，包括：
21.步骤s101，根据目标结构的服役环境和极端工况，分析目标结构的服役应力状态和应变速率变化范围。
22.具体地，对需要进行动态断裂性能测试的目标结构进行服役环境和极端工况的模拟，分析目标结构的服役应力状态和应变速率变化范围。以汽车金属板材零部件a柱为例，其服役极端工况为25％偏置碰撞，应力状态表征参量，即应力三轴度的值在-0.67～0.67之间，表明在服役过程中，结构件既受压也受拉，应变速率在准静态～500/s之间，表明在服役过程中，结构件发生动态变形。
23.步骤s102，根据服役应力状态和应变速率变化范围，结合高速拉伸试验机的测试加载条件，设计复杂应力状态的若干断裂试样。
24.具体地，根据结构件的服役应力状态和应变速率分析结果，结合高速拉伸试验机的测试加载条件，设计剪切试样、单向拉伸试样、r5缺口拉伸试样、r10缺口拉伸试样等多个试样，其中，单向拉伸试样参考iso 26203-2-2011标准进行设计。设计的试样均为一端固定，另一端加载载荷。
25.步骤s103，根据目标结构的应变速率变化范围，设计多个应变速率的复杂应力状态动态断裂试验方案。
26.具体地，根据目标结构的服役应力速率变化范围，设计10/s、200/s、500/s等应变
速率的复杂应力状态动态断裂试验方案，通过多种试验方案能够有效模拟目标结构的服役状态和动态断裂性能。
27.步骤s104，根据若干断裂试样在多个应变速率下的动态试验条件，进行仿真逆向推导，获取试验加载条件。
28.具体地，根据结构件的服役应变速率变化范围，设计例如10/s、200/s、500/s等应变速率的复杂应力状态动态断裂试验方案。
29.其中，对于单向拉伸试样，各应变速率下的加载条件参考iso 26203-2-2011标准进行获取。而对于剪切试样、r5缺口拉伸试样、r10缺口拉伸试样等试样在各应变速率下的动态试验条件，采用仿真逆向推导获得。
30.具体地，在进行仿真逆向推导时，可以建立试样数值模型，结合本构模型参数和假设加载条件进行试验过程逆向仿真，获取仿真结果并分析，若仿真结果中最大应变单元应变速率范围，满足试样的服役应变速率变化范围，则将该假设加载条件作为动态试验加载条件；若仿真结果中最大应变单元应变速率范围不满足试样的服役应变速率变化范围，则重新设置假设加载条件，进行再次推导，直至获取动态试验加载条件。
31.各仿真结果中，取最大应变单元的应变速率变化平均值作为试验条件参考依据。如对于动态剪切试验，10/s、200/s和500/s应变速率下最大应变单元的应变速率变化如图6至图8所示，获得10/s、200/s和500/s应变速率对应的加载条件分别为30mm/s、550mm/s和1500mm/s。
32.步骤s105，根据复杂应力状态动态断裂试验方案和试验加载条件，采用高速拉伸试验机，结合非接触应变测量系统对若干断裂试样进行测试，获取目标结构在复杂应力状态下的服役动态断裂性能。
33.具体地，根据设计的试验方案及加载条件，采用高速拉伸试验机，结合非接触应变测量系统进行测试，获得目标结构在复杂应力状态下的服役动态断裂性能。
34.其中，非接触应变测量系统能够将试样固定在测量位，对试样施加一定的载荷并保持稳定不变，当试样在载荷作用下发生形变时，能够通过试样变形前后的图像，测量得到一个点某个方向的应变数据，根据应变数据分析试样的变形和应变，分析获取目标结构在复杂应力状态下的服役动态断裂性能。
35.在本实施例中，根据目标结构的服役环境和极端工况，分析目标结构的服役应力状态和应变速率变化范围，根据服役应力状态和应变速率变化范围，结合高速拉伸试验机的测试加载条件，设计复杂应力状态的若干断裂试样，根据目标结构的应变速率变化范围，设计多个应变速率的复杂应力状态动态断裂试样方案，根据若干断裂试样在多个应变速率下的动态试验条件，进行仿真逆向推导，获取试验加载条件，根据复杂应力状态动态断裂试验方案和试验加载条件，采用高速拉伸试验机，结合非接触应变测量系统对若干断裂试样进行测试，获取目标结构在复杂应力状态下的服役动态断裂性能，能够全面地考虑所有应力状态对目标结构的动态断裂性能的影响，实现材料实际服役断裂性能的试验表征。
36.其中，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。