一種材料高速拉伸動(dòng)態(tài)力量測的試片夾持裝置、試片結(jié)構(gòu)及優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種試片夾持裝置、試片結(jié)構(gòu)及材料量測方法，尤其是一種材料高速拉伸動(dòng)態(tài)力量測的試片夾持裝置、試片結(jié)構(gòu)及優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)有材料力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)中，拉伸試驗(yàn)是用來獲得材料強(qiáng)度與彈、塑性性能的方法?，F(xiàn)有材料拉伸試驗(yàn)主要依據(jù)ASTM E8-04《金屬材料拉伸試驗(yàn)方法》或與其等效的CNS、ISO、DIN等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，而該等標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法是屬于加載應(yīng)變率低于10-3S-1的擬靜態(tài)試驗(yàn)方法，透過該等試驗(yàn)所得到的材料參數(shù)，并不足以代表材料在高應(yīng)變率(如沖擊、碰撞或爆炸等瞬時(shí)效應(yīng))下的材料特性。
[0003]大多數(shù)的金屬材料都屬于應(yīng)變率敏感性材料，亦即材料變形的速度越快，變形的抗力也越大。目前，在材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能評估及其相關(guān)的加載試驗(yàn)技術(shù)方面，國內(nèi)、外并無統(tǒng)一的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，而油壓式高速拉伸試驗(yàn)機(jī)與霍普金森拉桿沖擊試驗(yàn)法是兩種較為普遍應(yīng)用的試驗(yàn)方法。其中油壓式拉伸試驗(yàn)機(jī)因受機(jī)械配合及油源補(bǔ)償?shù)南拗?，一般用于擬靜態(tài)的材料試驗(yàn)，只有在通過高壓氮?dú)廨o助及伺服閥增益的情況下，方可用于進(jìn)行應(yīng)變率2xl02s-l水平以下的材料力學(xué)性能測試。
[0004]對于較高應(yīng)變率的試驗(yàn)，則采用基于一維彈性波傳理論的霍普金森拉桿(Hopkinson tensile bar)沖擊法來探討材料中的應(yīng)變率效應(yīng)，以獲取高應(yīng)變率下材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，此方法能夠獲取的應(yīng)變率為500-4000S-1。
[0005]然而，在高速加載條件下，油壓試驗(yàn)機(jī)對力量、位移等訊號的同步記錄是此等試驗(yàn)方法的困難點(diǎn)之一，因?yàn)楫?dāng)拉伸速度超過某臨界值時(shí)，傳統(tǒng)用于記錄材料受力歷程的測力規(guī)會(huì)因反應(yīng)頻率較低而無法測量，再者，以油壓夾具嚙合的夾持方式易于打滑且會(huì)造成動(dòng)態(tài)訊號高頻振蕩，而且速度越高振蕩效應(yīng)將越明顯。此外，采用霍普金森拉桿沖擊試驗(yàn)法以彈性波在桿間傳遞所產(chǎn)生的入射波、反射波和透射波進(jìn)行頻譜分析，雖可得到材料在高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)反應(yīng)，但是此方法的計(jì)算程序過于繁瑣，故限制了其應(yīng)用的普及性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀，提供一種材料高速拉伸動(dòng)態(tài)力量測的試片夾持裝置、試片結(jié)構(gòu)及優(yōu)化方法，可改善傳統(tǒng)油壓或機(jī)械式夾具嚙合式夾持方式易于打滑的缺點(diǎn)，克服現(xiàn)有試驗(yàn)法對于動(dòng)態(tài)力量測的限制，降低對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成不確定性。
[0007]本發(fā)明解決所述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種材料高速拉伸動(dòng)態(tài)力量測的試片夾持裝置，其特征在于，包括:前端試片固定器，具有第一夾持部及第一連接部，該第一夾持部具有第一夾槽及第一貫通孔，該第一貫通孔連通該第一夾槽，該第一連接部的一端連接該第一夾持部，而另一端用以連接高速拉伸試驗(yàn)機(jī)或者霍普金森拉桿沖擊試驗(yàn)機(jī)；第一固定件，可插設(shè)于該第一夾持部的第一貫通孔；后端試片固定器，與該前端試片固定器呈相對設(shè)置，該后端試片固定器具有第二夾持部及第二連接部，該第二夾持部具有第二夾槽及第二貫通孔，該第二貫通孔連通該第二夾槽，該第二連接部的一端連接該第二夾持部，而另一端用以連接力量傳感器；以及第二固定件，可插設(shè)于該第二夾持部的第二貫通孔。
[0008]所述第二夾持部的第二夾槽對應(yīng)該第一夾持部的第一夾槽。
[0009]所述第二固定件與該第二貫通孔緊配合。
[0010]另外，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種材料高速拉伸動(dòng)態(tài)力量測的試片結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述試片結(jié)構(gòu)具有第一端部、第二端部、拉伸區(qū)及彈性變形區(qū)，該第二端部相對于該第一端部，該拉伸區(qū)位于該第一端部與該第二端部之間，該彈性變形區(qū)位于該拉伸區(qū)與該第二端部之間，該第二端部的長度與該彈性變形區(qū)的長度的和大于該第一端部的長度，且該第一端部的寬度、該第二端部的寬度及該彈性變形區(qū)的寬度相等。
[0011]所述試片結(jié)構(gòu)還包括中心線，該第一端部具有一第一固定孔，該第二端部具有一第二固定孔，該第一固定孔及該第二固定孔位于該中心在線。
[0012]所述試片本體的拉伸區(qū)兩側(cè)分別具有一導(dǎo)角過渡區(qū)，各該導(dǎo)角過渡區(qū)的導(dǎo)角半徑小于該拉伸區(qū)的寬度。
[0013]此外，本發(fā)明還提供了一種材料高速拉伸動(dòng)態(tài)力量測的優(yōu)化方法，其特征在于:包括以下步驟:(a)、提供權(quán)利要求1所述的試片夾持裝置及試片，該試片具有第一端部、第二端部、拉伸區(qū)及彈性變形區(qū)，該第二端部相對于該第一端部，該第一端部及該第二端部分別具有第一固定孔及第二固定孔，該拉伸區(qū)位于該第一端部與該第二端部之間，該彈性變形區(qū)位于該拉伸區(qū)與該第二端部之間，該第二端部的長度與該彈性變形區(qū)的長度的和大于該第一端部的長度，且該第一端部的寬度、該第二端部的寬度及該彈性變形區(qū)的寬度相等；(b)、將該前端試片固定器的第一連接部連接于該試驗(yàn)機(jī)及將該后端試片固定器的第二連接部連接于該力量傳感器；(C)、分別將該試片的第一端部及第二端部插入該第一夾持部的第一夾槽及該第二夾持部的第二夾槽，并使該第一固定孔及該第二固定孔分別對應(yīng)該第一貫通孔及該第二貫通孔；(d)、將該第一固定件插設(shè)于該第一貫通孔與該第一固定孔及將該第二固定件插設(shè)于該第二貫通孔與該第二固定孔，以將該試片的第一端部及第二端部分別固定于該前端試片固定器及該后端試片固定器；及(e)、利用該試驗(yàn)機(jī)對該試片進(jìn)行高速拉伸試驗(yàn)，并透過該力量傳感器記錄該試片的動(dòng)態(tài)力變化結(jié)果。
[0014]所述步驟(b)的該力量傳感器固定于固定基座上。
[0015]所述步驟(d)之后，還包括設(shè)置第一應(yīng)變規(guī)于該試片的拉伸區(qū)。
[0016]所述步驟(d)之后，還包括設(shè)置第二應(yīng)變規(guī)于該試片的彈性變形區(qū)。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明材料高速拉伸動(dòng)態(tài)力量測的試片夾持裝置可改善傳統(tǒng)油壓或機(jī)械式夾具嚙合式夾持方式易于打滑的缺點(diǎn)，且其與本發(fā)明的試片結(jié)構(gòu)結(jié)合后，不僅可獲得高速拉伸的試片應(yīng)變率相關(guān)材料參數(shù)，亦可有效抑制噪聲對動(dòng)態(tài)力量測結(jié)果的影響。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明材料高速拉伸動(dòng)態(tài)力量測的試片夾持裝置的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；
[0019]圖2是本發(fā)明材料高速拉伸動(dòng)態(tài)力量測的試片夾持裝置的結(jié)構(gòu)俯視圖；
[0020]圖3是本發(fā)明材料高速拉伸動(dòng)態(tài)力量測的試片夾持裝置、試片、試驗(yàn)機(jī)及力量傳感器的組合立體圖；
[0021]圖4是本發(fā)明試片結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0022]圖5是本發(fā)明材料高速拉伸動(dòng)態(tài)力量測的優(yōu)化方法流程圖；
[0023]圖6是本發(fā)明試片彈性變形區(qū)量測與力量傳感器量測的結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]以下結(jié)合附圖實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0025]如圖1至3所示，本發(fā)明的材料高速拉伸動(dòng)態(tài)力量測的試片夾持裝置10包括前端試片固定器11、第一固定件12、后端試片固定器13以及第二固定件14。
[0026]該前端試片固定器11具有第一夾持部111及第一連接部112。該第一夾持部111具有第一夾槽113及第一貫通孔114，該第一貫通孔114連通該第一夾槽113。該第一連接部112的一端112a連接該第一夾持部111，而另一端112b用以連接高速拉伸試驗(yàn)機(jī)或者霍普金森拉桿沖擊試驗(yàn)機(jī)。在本實(shí)施例中，該第一連接部112為螺牙連接部。
[0027]該第一固定件12可插設(shè)于該第一夾持部111的第一貫通孔114，且較佳地，該第一固定件12與該第一貫通孔114緊配合。
[0028]該后端試片固定器13與該前端試片固定器11呈相對設(shè)置，且該后端試片固定器13具有第二夾持部131及第二連接部132。該第二夾持部131具有第二夾槽133及第二貫通孔134，該第二夾槽133對應(yīng)該第一夾持部111的第一夾槽113，且該第二夾槽133的深度D2與該第一夾槽113的深度Dl相等，此外，該第二貫通孔134連通該第二夾槽133。該第二連接部132的一端132a連接該第二夾持部131，而另一端132b用以連接力量傳感器30，較佳地，該力量傳感器30為壓電式力量傳感器，且該力量傳感器30固定于一固定基座40上。另外，在本實(shí)施例中，該第二連接部132為螺牙連接部。
[0029]該第二固定件14可插設(shè)于該第二夾持部131的第二貫通孔134，且較佳地，該第二固定件14與該第二貫通孔134緊配合。
[0030]如圖1、3和4所示，本發(fā)明的材料高速拉伸動(dòng)態(tài)力量測的試片結(jié)構(gòu)50具有第一端部51、第二端部52、拉伸區(qū)53、彈性變形區(qū)54及中心線C。該第一端部51具有第一固定孔511，該第一固定孔511位于該中心線C上。該第二端部52相