专利名称：臂上开缝且中心区减薄型十字形试件的制作方法
技术领域：
本实用新型一种臂上开缝且中心区减薄型十字形试件，具体为板材双向拉 伸实验的试件，属于板料塑性成形技术领域。
技术背景
在板料塑性成形领域，塑性屈服行为一直是重要的研究热点，尤其是随着 诸多新工艺、新结构、新材质的板材和一些新成形工艺的不断推出，对屈服行 为(包括初始屈服和后继屈服)的准确确定是在理论解析和有限元分析中得到 精确结果的关键。
传统的用于屈服行为研究的实验方法都有一定的局限性。应用薄壁管在轴 向载荷和内压、轴向载荷和扭转载荷作用下的试验可实现不同的应变路径，但 管件与板材在性能上有一定的差距；可用单拉试验、圆板胀形试验、平面应变 试验和压縮试验等基本试验组合，但仅能得到如单拉、平面应变或等双拉点等 特定数据；由多块板料胶合在一起的双向压缩实验，可通过改变加载方式得到 不同的加载路径，但由于摩擦引起的误差，无法建立精确的应力应变关系。目 前，采用平板形试件进行双拉实验成为近来的主要方向。
平板形试件双拉实验中，十字形双向拉伸成为近来的研究热点。随着实验 设备精密制造及计算机控制技术的发展，十字形双向拉伸试验已经成为研究复 杂加载应变路径最为方便的方法，特别是其具有可以直接计算应力、应变数值 的优点。通过控制拉伸两轴的载荷或位移大小，改变试件两轴的拉力比值使中 心区得到不同的应力应变状态，实现复杂加载，得到不同加载路径下双拉区应 力应变分布，建立相关屈服状态。平面十字形试件双向拉伸实验方法早在20 世纪60年代就被提出，但直到近年来才取得一些突破，得到有关应用。
限制平面十字形试件双向拉伸实验应用的主要问题有[1]:①十字形双向拉 伸试件的设计和制备，解决试件中心区应力应变分布不均匀、圆角处应力集中 较大、两轴载荷互相干涉、变形不规律和实现中心区大变形问题；②试件中心区应力、应变的测量和计算方法，尤其是中心区应力的确定问题；③双向拉伸 载荷方式的控制，以实现不同的双拉加载、无卸载非比例加载和双线性加载等 不同的加载路径。目前，对于第三个问题己经较好地解决，关键的问题是解决 中心区大变形、受力不均和中心区应力的测量问题，重点是十字形试件的设计。
实现中心区应力分布均匀和大变形，两者既相互联系，但具体实现又有相 互矛盾的地方。研究者设计了多种不同形式中心区和十字臂的十字形试件。
为实现中心区的更大的变形量，早期的一些研究围绕十字臂展开，如在十 字臂上采用焊接或螺栓连接的方式增加多个加强块或加强板的十字形试件，使 试件的加工工序复杂；另一种为梯形十字臂的试件。所能达到的效果均有限。
D. Banabic[2]、 W. Miiller等[31在Kreipig研究成果的基础上给出了一种圆角 很大且深入到试件中心区的十字形试件，圆角的存在使剪应力的影响较大，中 心区应力计算不方便且不准确。
为了解决中心区正应力不均匀的问题，臂上开槽/缝型的十字形试件被提 出。Kuwabam等W在其研究中，应用了臂上开缝的十字形试件，得到的中心区 变形量也是有限的。
Kelly^则将中心区减薄与十字臂开槽相结合，提出了用开槽将十字臂分开 的十字形试件。Demmerle和Boehler^给出了几种改进的十字形试件，包括梯 形臂开槽+中心区方形减薄、直臂开槽+中心区圆形减薄、铰链式十字臂+开槽。 研究了一些几何尺寸参数，如开槽间距、槽宽、圆角半径、中心变薄区几何尺 寸等对中心区应力、应变的影响，认为较优的臂厚带铰链式过渡且开槽的减薄 试件能达到其设计目的，但加工复杂，要求材料厚度较大。
Lin和Ding^在其研究中采用了臂上开槽+中心区减薄的形式，每个十字臂 上分别有4条槽，并4个孔用于加载拉伸，减薄方式为二次轧制。
Green等[8采用了臂上开槽、中心区方形减薄的十字形试件，但十字臂开槽 分布不均匀，且减薄区宽度小于臂的宽度。这样的优点是可以得到较大变形， 但中心区应力计算不方便。
Yu等P]基于极限应变分析，对十字形试件进行了优化设计。其采用中心区 二次减薄的设计方案，先是十字槽形减薄，然后再在中心进行圆形减薄，以进 一步使变形集中在中心区。但是，该设计方案不利于加工制备，且由于形状复杂，中心区应力的计算较困难。
吴向东等,基于板料屈服行为研究的目的，采用臂上开缝型十字形试件进 行了优化设计，给出了较为合适的试件尺寸，并结合复杂应变路径的实现进行
了分析。实验表明，这种试件只能达到一定程度的变形量，等效应变约0.02。 总结起来，十字形试件的形式大致有如下几种普通型，臂上开槽/缝型， 臂上开槽/缝且中心区减薄型，圆角型，十字臂为夹层(加强)型，梯形十字臂 型，十字臂为梯形、臂上开槽/缝且中心区减薄型。
在这些不同形式的十字形试件中，以臂上开缝/槽型的研究最多，优点是臂 上开缝/槽可以大大减小甚至消除中心区的剪应力，从而使中心变形区的应力主 轴和拉伸方向重合，这样可以方便地测量计算中心区的应力值；其缺点是这种 试件仅对强化材料才适用，且中心区变形不会很大，因为只有当缝/槽区域的金 属已进入强化阶段后，中心试验区应力才能达到足够高的水平。往往出现十字 臂先于中心区断裂的情况。中心区减薄型可以实现中心较大变形，但是这种试 件需要对中心区进行加工使其变薄，必须采用合适的加工方法制备试件；而十 字臂加强的试件则由于装夹难度较大，实现起来较为困难。韩非，万敏，吴向东.板料成形极限理论与实验研究进展[J].塑性工程学报， 2006, 13(5): 80-86 D. Banabic， H. Aretz, D. S. Comsa. L. Paraianu. An improved analytical description of orthotropy in metallic sheets [J]. Interfiational Journal of Plasticity, 2005.21(3): 493-512
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实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种臂上开缝且中心区减薄型十字形试件，以 克服现有技术中存在的不足，提供一种能实现中心区大变形、应力分布均匀且 应力计算方便准确，臂上开缝均布、中心区方形或组合式减薄的十字形试件， 使其能用于复杂加载路径下的板材双向拉伸实验，且能满足加工制备方便的要 求。本实用新型是通过以下技术方案来实现的。采用基本的十字形试件作为基 础，试件长宽相等，在十字臂的臂与臂之间，有圆弧过渡；十字臂上有间隔均 匀的开缝；中心减薄区为两面对称减薄。其特征在于中心减薄区与十字臂等 宽度；减薄区形状为方形减薄或组合式减薄。方形减薄在中心区有一圆角过渡， i =12 20mm，且该过渡不能与开缝的端点相切；组合式减薄的过渡为三段相 切的l/4圆弧，半径相等，r = 6 12mm。
本实用新型提供一种臂上开缝且中心区减薄型十字形试件，其优点及功效 在于本实用新型的减薄区宽度与臂宽度相等使计算应力方便准确；减薄区的 圆角过渡则减小了应力集中。该试件用于复杂加载路径下双向拉伸实验，提高 变形量，达到大变形。


图1为基本形式的十字形试件
图2为在十字臂上均匀开缝后的十字形试件
图3为臂上开缝均布、中心区方形减薄的十字形试件
图4为臂上开缝均布、中心区组合式减薄的十字形试件
图5为中心区两面对称减薄的示意图
图6为臂上开缝均布、中心区方形减薄的十字形试件具体实施例 图7为臂上开缝均布、中心区组合式减薄的十字形试件具体实施例 图中具体标号如下
1、十字臂 2、圆弧过渡 3、开缝
4、中心减薄区 5、厚度过渡 6、两面对称减薄
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的说明。 本实用新型是通过以下技术方案来实现的。采用基本的十字形试件作为基
础，试件长宽相等，尺寸范围为360 380 mm，十字臂宽84 108 mm;在臂 与臂之间，有圆弧过渡，过渡半径为2 6mm，见图1。然后在十字臂上开缝 (缝宽0.2 0.5111111)，间隔均匀，共ll条，见图2，开缝长度为40 60 mm; 另外开缝在靠近中心区域的一端，留有/ = 1 2 mm的工艺间隔。最后在中心 区域减薄，如图3、 4所示；中心减薄区与十字臂等宽度，并在板材两面对称减薄，减薄后的厚度比为0.5 0.7 (中心厚度/臂厚度)，见图5;减薄区形状为方
形或组合形式。方形减薄在中心区有一圆角过渡，/ = 12 20mm，且该过渡不 能与开缝的端点相切，见图3;组合式减薄的过渡为三段相切的1/4圆弧，半 径相等，r = 6 12mm，见图4。 实施例一
如图6所示，基本的十字形试件长X宽为360mmX360mm，十字臂宽96 mm，臂与臂之间过渡圆弧半径为6 mm。然后十字臂上开缝，各开缝11条， 间隔均匀，间距8mm，缝长50mm，且在靠近中心区域的一端，留有/=1111111 的工艺间隔。最后对中心区进行两面对称减薄，取厚度比(中心厚度/臂厚度) 为0.6，圆角半径为12mm，图5所示的厚度过渡由所采用的减薄工艺决定。
实施例二
如图7所示，基本的十字形试件长X宽为360mmX360mm，十字臂宽96 mm，臂与臂之间过渡圆弧半径为4 mm。然后十字臂上开缝，各开缝11条， 间隔均匀，间距8mm，缝长50mm，且在靠近中心区域的一端，留有/=1111111 的工艺间隔。最后对中心区进行两面对称减薄，取厚度比为0.6，三段相切式的 圆弧过渡其半径为8 mm，图5所示的厚度过渡由所采用的减薄工艺决定。
权利要求1、一种臂上开缝且中心区减薄型十字形试件，采用基本的十字形试件作为基础，试件长宽相等，在十字臂的臂与臂之间，有圆弧过渡；十字臂上有间隔均匀的开缝；中心减薄区为两面对称减薄；其特征在于中心减薄区与十字臂等宽度；减薄区形状为方形减薄或组合式减薄。
2、 根据权利要求1所述的臂上开缝且中心区减薄型十字形试件，其特征在 于所述的方形减薄在中心区有一圆角过渡，i = 12 20mm，且该过渡不能与 开缝的端点相切。
3、 根据权利要求1所述的臂上开缝且中心区减薄型十字形试件，其特征在 于所述的组合式减薄的过渡为三段相切的1/4圆弧，半径相等，r = 6 12mm。
专利摘要本实用新型一种臂上开缝且中心区减薄型十字形试件，采用基本的十字形试件作为基础，试件长宽相等，在十字臂的臂与臂之间，有圆弧过渡；十字臂上有间隔均匀的开缝；中心减薄区为两面对称减薄；其特征在于中心减薄区与十字臂等宽度；减薄区形状为方形减薄或组合式减薄；所述的方形减薄在中心区有一圆角过渡，R＝12～20mm，且该过渡不能与开缝的端点相切；组合式减薄的过渡为三段相切的1/4圆弧，半径相等，r＝6～12mm。本实用新型的减薄区宽度与臂宽度相等使计算应力方便准确；减薄区的圆角过渡则减小了应力集中。该试件用于复杂加载路径下双向拉伸实验，提高变形量，达到大变形。
文档编号G01N3/00GK201225974SQ20082007995
公开日2009年4月22日 申请日期2008年4月15日 优先权日2008年4月15日
发明者敏 万, 吴向东, 王海波, 非 韩 申请人:北京航空航天大学