本发明属于断裂韧性测试领域，具体涉及一种断裂韧性试验防屈曲装置和试验方法。
背景技术：
金属薄板在飞机机身蒙皮以及机翼机身连接处有着广泛的应用，在飞机起降以及巡航阶段，随着飞机飞行姿态的不断调整，机身受到机翼的扭力作用，机翼也受到升力的作用上下摆动，这些部位都在飞机飞行过程中都会不断受到随机载荷。出于对飞行的安全性考虑，对机身所用材料需要有更高的要求，即在受到上述作用力时不至于出现裂纹乃至断裂，因此飞机机身蒙皮材料的断裂韧性就成为了飞机生产以及飞机设计单位的研究重点。然而在断裂韧性试验过程中，所用金属薄板试样尺寸要求厚度一般小于10mm，但是长度和宽度尺寸上较大，在拉伸加载过程中，中心裂纹部位容易发生屈曲。对于常用的m(t)型试验件来说，在宽度w≥406mm，而厚度b≤5mm时，在试验过程中随着载荷的增加，会发生明显的屈曲变形，对试验结果kr曲线和kc值的准确性造成严重的影响。并且在试验中，试验件的宽度有w＝500mm甚至更大尺寸。因此设计一种可用于多种规格金属薄板断裂韧性试验的防屈曲装置以及合适的试验方法就很有必要。
技术实现要素：
本发明针对目前金属薄板试验件在进行断裂韧性试验过程中，随着拉伸载荷的增大无法避免的出现屈曲问题，提供一种断裂韧性试验的防屈曲装置，同时提供一种使用该防屈曲装置进行断裂韧性试验的方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种断裂韧性试验防屈曲装置，包括试验机底座、试验机底座上方的一对试验机横梁以及试验机底座上用于固定试验件的夹持机构，
所述夹持机构包括固定于所述试验机底座上的一对支架，滑动连接于所述支架上的一对夹具，用于夹持所述试验件前后两侧且相互固定的两组夹持板，以及分别用于支撑所述夹持板上部的上支撑结构和下部的下支撑结构；其中，
所述试验件的左右两端夹持于所述的一对夹具内；所述夹持板设于所述的一对支架之间，且所述夹持板的底部安装有滚轮支架，所述滚轮支架置于所述试验件底座上；所述上支撑结构固定于所述试验机横梁上，所述下支撑结构固定于所述支架上。
优选的，所述夹具的底部固定有滑块，所述支架上设有相应的滑轨，所述滑块可在所述滑轨上左右滑动。
优选的，每组所述夹持板包括若干块并列设置的型材夹板，所述型材夹板的竖直长度大于所述试验件的竖直长度，位于所述试验件前后两侧的所述型材夹板的上下端通过固定件可拆卸地固定连接。
优选的，所述夹持板的中部开有中心观察孔。
优选的，所述滚轮支架为冲压万向球。
优选的，所述上支撑结构包括设于每组夹持板外侧且左右延伸的水平支梁底杆、上侧挡杆，以及前后方向延伸的两个上侧支梁，所述支梁底杆、上侧支梁和上侧挡杆从下至上依次固定连接，其中，所述支梁底杆固定于所述试验机横梁上，两个所述上侧支梁使用角件垂直固定于所述支梁底杆的两侧，且所述上侧支梁的内侧端和所述夹持板相抵接；所述上侧挡杆使用角件固定于两个所述上侧支梁上，且所述上侧挡杆的内侧面紧靠于所述夹持板的外表面。
优选的，所述下支撑结构包括固定设于两个所述支架内侧的一对水平支梁底板，分别设于两组所述夹持板外侧且左右延伸的一对下侧支梁，以及设于两组所述夹持板左右两侧壁且前后延伸的一对下侧挡杆，其中，所述下侧支梁的两端分别使用角件固定于所述支梁底板上，所述下侧挡杆的两端使用角件分别垂直固定于所述试验件前后两侧的一对所述下侧支架上。
优选的，所述试验件和其两侧的所述夹持板之间放置有聚四氟乙烯板，所述聚四氟乙烯板上开有和所述观察孔匹配的缺口。
优选的，两组所述夹具的中部还分别开有拉伸孔，用于试验时连接试验机的夹头。
本发明还提出一种断裂韧性试验方法，使用上述任意一个方案所述的防屈曲装置，包括以下步骤：
(1)试验机和夹具的同轴度检验，同轴度检验通过后进行与之疲劳裂纹和拉断实验；
(2)将试验件两端放入所述夹具中进行固定，并根据试验件的长度，确定所述夹持板的尺寸，组装防屈曲装置；
(3)预制疲劳裂纹，将测量裂纹开口位移的夹式引伸计安装到所述试验件上，开启试验机，当预制裂纹长度为试验件宽度w的0.25w～0.4w，停止预制裂纹，进行拉断试验；
(4)从0开始进行试验力加载，直至所述试验件断裂,试验结束；
(5)分析测试结果，绘制kr曲线。
综上所示，本发明提供了一种断裂韧性试验防屈曲装置及试验方法，通过设计防屈曲装置，对断裂韧性试验时的金属薄板提供一个垂直于薄板平面的约束，解决了试验件因屈曲变形导致实验结果不准确的困难；且可以根据实际试验件的长度调整防屈曲装置中型材夹板的数量，使该装置可以适用于多种规格的金属薄板，提高了该装置的利用率。
附图说明
图1为本发明断裂试验防屈曲装置的主视结构图。
图2为本发明断裂试验防屈曲装置的右视结构图。
图3为型材夹板的主视结构图。
图4为型材夹板的俯视结构图。
图5为实施例中试验件的结构图。
图6为角件的主视结构图。
图7为支梁底板的俯视结构图。
图8为断裂韧性试验的载荷-裂纹开口位移曲线。
图9为本发明断裂韧性试验的kr曲线。
其中：1、试验机底座，2、支架，3、滑块，4、滑轨，5、夹具，6、试验件，7、夹持板，8、滚轮支架，9、型材夹板，10、聚四氟乙烯板，11、承载螺栓，12、下侧挡杆，13、角件，14、下侧支梁，15、支梁底板，16、上侧挡杆，17、上侧支梁，18、支梁底杆，19、紧固螺钉，20、试验机横梁，21、拉伸孔，22、连接孔，23、观察孔，24、中心切口，25、应变片。
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，都属于本保护的范围。
实施例1
如图1和图2所示，本实施例提供一种断裂韧性试验防屈曲装置，包括试验机底座1、试验机底座1上方的一对水平的试验机横梁20以及试验机底座1上用于固定试验件6的夹持机构，所述夹持机构包括固定于所述试验机底座1上的一对支架2，滑动连接于所述支架2上的一对夹具5，用于夹持所述试验件6前后两侧且相互固定的两组夹持板7，以及分别用于支撑所述夹持板7上部的上支撑结构和下部的下支撑结构，其中，所述试验件6的左右两端分别夹持于所述的一对夹具5内，所述夹持板7设于所述的一对支架2之间，且所述夹持板7的底部安装有滚轮支架8，所述滚轮支架8置于所述试验件底座1上；所述上支撑结构固定于所述试验机横梁20上，所述下支撑结构固定于一对所述支架2上。
进一步的，所述夹具5的底部固定有滑块3，所述支架2上设有相应的滑轨4借助所述滑块3在所述滑轨4的滑动，使得夹具5可以在支架2上进行左右方向的位置调整。
进一步的，每组夹持板7包括若干块并列设置的型材夹板9，所述型板夹板9的数量可以根据所述试验件6的宽度进行调整，且所述型材夹板9的竖直长度大于所述试验件6的竖直长度，位于所述试验件6前后两侧的所述型材夹板9的上下端分别通过承载螺栓11和螺母可拆卸地固定。
进一步的，如图1和图5所示，由于试验件6的中部开有用于进行裂纹拉伸的中心切口24，因此为了观察中心切口24的裂开情况，位于每组夹持板7中部的型材夹板9上开有观察孔23。本实施例中，每组夹持板7由七块型材夹板9并列组成，具体的，所述型材夹板9的结构如图3和4所示，位于所述夹持板7中部的所述型材夹板9的观察孔23为十字形观察孔。
本实施例中，优选的，所述滚轮支架8为冲压万向球，每块型材夹板9的底端两侧均安装有一个冲压万向球，安装冲压万向球能减小夹持板7在试验机底座1上的摩擦，提高试验数据的精准度。
进一步的，如图1和图2所示，所述上支撑结构包括设于每组夹持板7外侧且左右延伸的水平支梁底杆18、水平上侧挡杆16，以及前后方向延伸的两个上侧支梁17，所述支梁底杆18、上侧支梁17和上侧挡杆16从下至上依次固定连接，其中，所述支梁底杆18使用紧固螺钉19固定于所述试验机横梁20上，两个上侧支梁17使用角件13分别垂直固定于所述支梁底杆18的两侧，且所述上侧支梁17的内侧端和所述夹持板7相抵接；所述上侧挡杆16使用角件固定于两个所述上侧支梁17上，且所述上侧挡杆16的内侧面紧靠于所述夹持板7的外表面。
进一步的，所述下支撑结构包括固定于两个所述支架2内侧的一对水平支梁底板15，分别设于两组夹持板7外侧且左右延伸的一对下侧支梁14，以及设于两组夹持板7左右两侧壁且前后延伸的一对下侧挡杆12，其中，所述下侧支梁14的两端分别使用角件13固定于一对所述支梁底板15上，所述下侧挡杆12的两端使用角件13分别垂直固定于试验件6前后两侧的一对下侧支梁14上。如图6和7所示，本实施例中，所述角件13优选为l型的连接板，所述支梁底板15上开有用于连接到下侧支梁14和支架2的安装通孔。
为了减少夹持板7和试验件6之间的滑动摩擦，进一步的，所述夹持板7和试验件6之间放置有聚四氟乙烯板10，通过夹紧试验件6两侧的夹持板7将聚四氟乙烯板10进行固定，所述聚四氟乙烯板10上对应所述试验件6中心切口24的位置同样开有缺口(图中未示出)。
进一步地，两组夹具5的中部还分别开有拉伸孔21，用于试验时连接试验机的夹头。
综上，所述防屈曲装置是将试验件6的两表面使用夹持板7进行夹持，以防止试验件6发生屈曲变形，并且根据试验件6的尺寸，所述夹持板7的尺寸可通过增减型材夹板9的数量进行调整；同时通过在每个型材夹板9的底端安装冲压万向球，以降低型材夹板9和试验机底座1的摩擦，保证试验数据的可靠性。
实施例2
本实施例提出一种使用上述防屈曲装置进行断裂韧性试验的方法，包括以下步骤：
1、同轴度检验：在拉伸试验开始前，为保证测试结果的准确性，需用调试件检查试验机和夹具5的同轴度是否符合要求，所述调试件和待测试验件6的规格相同，同轴度检测参照标准astme1012-14，具体步骤如下：
(1)如图1和图5所示，先将应变采集系统的应变片25贴到调试件两侧的相应对称位置上，然后将夹具5的两端和试验机的夹头使用螺栓通过拉伸孔21固定连接；再将调试件的两端插入到夹具5内，并将加载螺栓插入到夹具5和试验件6上对应开设的连接孔22内，使用40n·m的力矩扳手拧紧固定，以保证加载螺栓能被拧紧，本实施例中，调试件为铝合金板材，且板材的长宽分别为1940mm和1200mm，调试件的两侧各贴有6个相互对称的应变片25，分别为编号1～6和编号9～14。
(2)开始静力拉伸试验：静力拉伸过程每次加载10kn。由于调试件的初始状态存在面外弯曲，为消除初始弯曲效应对轴向应变的影响，在静载为30kn时，将各测试点应变片25数值清零。
(3)进行正式试验：先计算出调试件发生塑性变形时对应的载荷值，根据该载荷值设置不同梯度载荷值试验组，并记录不同载荷值下各检测点的应变值，其中，实验组载荷值的最大设定值一般小于发生塑性变形时载荷值的一半，且在达到设定的最大载荷值时，保持1min，以检验试验机的最大量程是否满足设计要求。
(4)分别将调试件上下或者左右对称位置的两块应变片25记录的应变数值εa、εb代入同轴度计算公式，应变数据同轴度εa-b计算公式如下：
根据标准astme1012-14要求，同轴度计算结果需不大于5％。
具体的，本实施例中，将调试件两侧应变片各组左右对称位置的测量数据经同轴度公式计算后，结果如表1所示，
表1同轴度百分比结果
如表1中的结果所示，各组同轴度计算结果均小于5％，表明该检测装置的同轴度良好，可以进行下一步的预制疲劳裂纹和拉断试验。
2、断裂韧性试验：根据图1所示，安装试验件6和防屈曲装置，断裂韧性试验方法依据标准文件astme561-19，具体步骤如下：
(1)将待测试验件6的两端放入夹具5中，使用加载螺栓进行固定，和上述调试件安装相同，同样使用40n·m的力矩扳手紧固加载螺栓；然后对试验件6施加5kn的载荷，以消除安装过程中的间隙。
(2)防屈曲装置的安装：根据试验件6的尺寸来确定夹持板7的尺寸，以确定每组夹持板7的型材夹板9的数量，将夹持板7居中放置在试验件6两侧，并使夹持板7中部的十字观察孔23的中间位置与试验件的中心切口24对齐，再将两块聚四氟乙烯板10一前一后从一侧插入至夹持板7和试验件6之间，并调整聚四氟乙烯板10的中部缺口与观察孔23对齐；安放完成后，使用承载螺栓11将试验件6上下侧的前后对应的型材夹板9固定连接，具体的，使用1.5n·m的力矩扳手将承载螺栓11拧紧。
(3)将夹持板7上部支撑结构的上侧挡杆16、上侧支梁17和支梁底杆18依次固定安装，并将支梁底杆18用紧固螺钉19固定于试验机横梁20上；然后将下部支撑结构的下侧挡杆12、下侧支梁14和支梁底板15通过角件13依次固定连接，并使用螺钉将支梁底板15固定在支架2内侧。
(4)预制疲劳裂纹：防屈曲装置安装结束后，使用80n·m的力矩扳手进一步拧紧型材夹板上的承载螺栓11，将测量裂纹开口位移的夹式引伸计安装到试验件6上后，开启试验机，根据标准文件，设定预制裂纹时的应力强度因子k为10～12mpa·m1/2之间，应力r为0.1。当预制裂纹长度为试验件6宽度w的0.25w～0.4w，停止预制裂纹，进行下一步拉断试验。
(5)从0开始进行试验力加载，控制速率使得应力强度因子k变化率在0.55～2.75mpa·m1/2/s。直至试验件断裂，试验结束。
实施例3
本实施例根据上述实施例的断裂韧性试验的结果绘制kr曲线。
上述实施例中，使用应力比r＝0.1经过预制裂纹后，初始裂纹长度为314mm，随后开始拉断试验，试验过程的载荷-裂纹开口位移曲线如图8所示，由图8可以看出曲线的线弹性阶段以及发生屈服之后载荷下降阶段，曲线形状整体比较平稳、光滑，没有出现锯齿形状或者波浪形状，这表明在试验的过程中，随着载荷的不断增加，试验件并没有发生明显的屈曲，进一步说明本发明中的防屈曲装置在防止试验件6屈曲变形方面起到了良好的效果。
将上述载荷-裂纹开口位移的结果进行分析之后，以有效裂纹增长量δa为横坐标，有效裂纹强度因子为纵坐标keff，将试验件的keff-δa曲线绘制于坐标轴上，如图9所示，即为本发明断裂韧性试验测得试验件的kr曲线，且kr曲线的形状整体平稳、光滑。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种断裂韧性试验防屈曲装置，包括试验机底座、试验机底座上方的一对试验机横梁以及试验机底座上用于固定试验件的夹持机构，其特征在于，
所述夹持机构包括固定于所述试验机底座上的一对支架，滑动连接于所述支架上的一对夹具，用于夹持所述试验件前后两侧且相互固定的两组夹持板，以及分别用于支撑所述夹持板上部的上支撑结构和下部的下支撑结构；其中，
所述试验件的左右两端夹持于所述的一对夹具内；所述夹持板设于所述的一对支架之间，且所述夹持板的底部安装有滚轮支架，所述滚轮支架置于所述试验件底座上；所述上支撑结构固定于所述试验机横梁上，所述下支撑结构固定于所述支架上。
2.根据权利要求1所述的断裂韧性试验防屈曲装置，其特征在于，所述夹具的底部固定有滑块，所述支架上设有相应的滑轨，所述滑块可在所述滑轨上左右滑动。
3.根据权利要求1所述的断裂韧性试验防屈曲装置，其特征在于，每组所述夹持板包括若干块并列设置的型材夹板，所述型材夹板的竖直长度大于所述试验件的竖直长度，位于所述试验件前后两侧的所述型材夹板的上下端通过固定件可拆卸地固定连接。
4.根据权利要求1所述的断裂韧性试验防屈曲装置，其特征在于，所述夹持板的中部开有中心观察孔。
5.根据权利要求1所述的断裂韧性试验防屈曲装置，其特征在于，所述滚轮支架为冲压万向球。
6.根据权利要求1所述的断裂韧性试验防屈曲装置，其特征在于，所述上支撑结构包括设于每组夹持板外侧且左右延伸的水平支梁底杆、上侧挡杆，以及前后方向延伸的两个上侧支梁，所述支梁底杆、上侧支梁和上侧挡杆从下至上依次固定连接，其中，所述支梁底杆固定于所述试验机横梁上，两个所述上侧支梁使用角件垂直固定于所述支梁底杆的两侧，且所述上侧支梁的内侧端和所述夹持板相抵接；所述上侧挡杆使用角件固定于两个所述上侧支梁上，且所述上侧挡杆的内侧面紧靠于所述夹持板的外表面。
7.根据权利要求1所述的断裂韧性试验防屈曲装置，其特征在于，所述下支撑结构包括固定设于两个所述支架内侧的一对水平支梁底板，分别设于两组所述夹持板外侧且左右延伸的一对下侧支梁，以及设于两组所述夹持板左右两侧壁且前后延伸的一对下侧挡杆，其中，所述下侧支梁的两端分别使用角件固定于所述支梁底板上，所述下侧挡杆的两端使用角件分别垂直固定于所述试验件前后两侧的一对所述下侧支架上。
8.根据权利要求4所述的断裂韧性试验防屈曲装置，其特征在于，所述试验件和其两侧的所述夹持板之间放置有聚四氟乙烯板，所述聚四氟乙烯板上开有和所述观察孔匹配的缺口。
9.根据权利要求1所述的断裂韧性试验防屈曲装置，其特征在于，两组所述夹具的中部还分别开有拉伸孔，用于试验时连接试验机的夹头。
10.一种断裂韧性试验方法，其特征在于，使用权利要求1-9中任一项所述的防屈曲装置，包括以下步骤：
(1)试验机和夹具的同轴度检验，同轴度检验通过后进行与之疲劳裂纹和拉断实验；
(2)将试验件两端放入所述夹具中进行固定，并根据试验件的长度，确定所述夹持板的尺寸，组装防屈曲装置；
(3)预制疲劳裂纹，将测量裂纹开口位移的夹式引伸计安装到所述试验件上，开启试验机，当预制裂纹长度为试验件宽度w的0.25w～0.4w，停止预制裂纹，进行拉断试验；
(4)从0开始进行试验力加载，直至所述试验件断裂,试验结束；
(5)分析测试结果，绘制kr曲线。
技术总结