[发明专利]一种材料拉扭破坏应力及破坏面方向的预测方法

说明书

本发明涉及一种材料拉扭破坏应力及破坏面方向的预测方法，该方法根据拉扭电子材料试验机及其配套的信号采集系统，对由同种材料加工而成的一组专用拉扭试件设计拉伸‑扭转组合变形加载方案，设定不同的拉扭加载速率对试件进行试验；联合材料破坏类型、组合变形及强度理论、试验所得最大轴力、最大扭矩，计算得到相应加载速率下材料的拉扭破坏应力及破坏面方向，并测量破坏面与横截面的夹角；基于最小二乘法原理建立破坏应力、破坏面方向关于拉伸加载速率、扭转加载速率的关系模型；依据相关性系数及实测破坏角验证该模型的可靠性，根据建立的模型可以预测不同加载速率下材料的破坏应力及破坏面方向，实现对金属材料的拉扭强度及安全做出预测。

技术领域

本发明涉及一种金属材料在拉伸扭转加载条件下其破坏应力及破坏面方向关于拉伸加载速率、扭转加载速率关系模型的建立方法，尤其是一种不同加载速率下材料拉扭破坏应力及破坏面的预测方法，属于材料力学性能测试分析领域。

背景技术

金属材料在承受单一的轴向拉伸、弯曲、扭转等基本变形时的失效或破坏应力，可以比较方便地通过标准试件的试验获得。而在组合变形或复杂应力状态下的试验要比简单应力状态下的试验困难得多。目前，实验室往往很难完全再现实际应用中的复杂应力状态。况且，组合变形中应力组合的方式和比值，又有各种可能。如果像基本变形一样，完全靠试验来确定破坏应力，再建立强度条件，则必需对各种组合变形的应力状态一一进行试验，由于技术上的困难及工作量的繁重，这往往是很难实现的。

拉伸-扭转组合变形在工程中很常见，例如直升机上与螺旋桨相连的轴承受拉扭组合作用，钻探工程中在变形井眼中工作的钻杆承受拉(压)扭联合作用。学者们对作为飞机翼梁材料的航空铝合金进行了拉扭多轴疲劳试验研究，得到铝合金在不同载荷加载模式下材料的寿命规律。承受拉扭组合变形的构件，不同的拉伸、扭转加载速率以及两者载荷的不同比值、不同加载顺序等都对其破坏应力及破坏面产生不同程度的影响，当然不可能一一试验去得到破坏应力。目前，尚未有针对拉扭组合变形在不同加载条件下破坏应力的获取方法。因此，有必要依据现有试验条件，研究建立预测模型的方法，通过一些试验来建立经验公式或预测模型，从而得到不同加载条件下的破坏应力及破坏面方向，为建立拉扭组合变形的强度条件及疲劳寿命提供理论及试验依据。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的不足，提出一种材料拉扭破坏应力及破坏面方向的预测方法，该方法根据拉扭电子材料试验机及其配套的信号采集系统，对由同种材料加工而成的一组专用拉扭试件设计拉伸-扭转组合变形加载方案，设定不同的拉扭加载速率对试件进行拉扭组合变形试验；联合材料破坏类型、组合变形及强度理论、试验所得最大轴力、最大扭矩，获得相应加载速率下材料的拉扭破坏应力及破坏面方向试验值；观察试验后试件断裂破坏面，并用游标卡尺测取斜面长度以获得真实破坏方向角度，即破坏面与横截面的夹角；基于最小二乘法原理建立破坏应力、破坏面方向关于拉伸加载速率、扭转加载速率的关系模型；最后依据相关性系数及实测破坏角验证该模型的可靠性，根据建立的模型可以预测不同加载速率下材料的破坏应力及破坏面方位，实现对金属材料的拉扭强度及安全做出预测。

为了达到以上目的，本发明的技术方案如下：一种材料拉扭破坏应力及破坏面方向的预测方法，包括以下步骤：

第一步、设计并组建试验系统，所述试验系统包括拉扭电子材料试验机及其配套的信号采集系统，用于对由同种材料加工而成的一组专用拉扭试件进行拉伸-扭转载荷加载试验，并采集力学特征信号；计算机分析系统，用于根据采集的信号获取不同加载速率下试件破坏应力、破坏面方向；

第二步、加工试验用标准试件，将同一种金属材料按照设计要求尺寸加工，获得一组用于拉扭试验的专用试件；

第三步、设计拉扭组合加载方案并按照方案进行试验，设计一组不同水平的轴向位移、扭转角加载速率，并按照设定的加载速率进行拉伸扭转试验，实时采集试验过程中的力学信号，力学信号包括轴向拉力、轴向变形、扭矩、扭转角等；