复合载荷原位力学测试仪器的动态特性分析与试验研究

发布时间：2017-07-26 08:14

  本文关键词：复合载荷原位力学测试仪器的动态特性分析与试验研究

  更多相关文章： 复合载荷 微观力学性能 原位测试 声发射 预制缺陷 仪器 金相

【摘要】：在日常生产生活中,材料服役过程中通常会同时受到多种载荷的共同作用,导致其变形损伤、失效破坏,引发的各类事故时有发生。传统的材料力学性能测试技术大都是单一载荷测试模式的,且难以原位监测材料在加载过程中的微观力学性能的变化和材料的变形损伤机制。面向学术界与工程界的需求,论文以研究复合载荷材料微观力学性能原位测试原理与技术为出发点,在自制的原型样机的基础上,测试分析了多种载荷作用下典型材料微观力学行为与变形损伤机制。论文在对复合载荷条件下材料微观力学性能测试原理与技术以及原位监测技术的国内外发展现状进行了综述分析的基础上。开展了复合载荷条件下原位力学测试仪器模型静动态的仿真分析、仪器总成、调试、校准等理论与技术的研究,在此基础上,利用复合载荷原位力学仪器开展了典型材料在单一载荷和复合载荷条件下微观力学性能的原位测试分析与研究。论文的主要研究内容概括如下:论文采用ANSYS软件对关键结构单元和整机开展了静态特性分析和模态分析。仿真分析结果表明,复合载荷原位力学测试装置的模型基本满足要求。在测试理论分析的基础上,论文对复合载荷原位力学仪器主机开展了动态特性测试,仿真分析的结果与测试结果相符。论文针对同批次材料制成的试件样品,分别采用商业化试验机和复合载荷原位力学测试仪器,开展了材料基本力学参数的测定,据此开展了实验结果的对比分析,结合对比分析结果,对复合载荷原位力学测试仪器的测试精度进行了修正校准。复合载荷原位力学测试仪器拉伸测试结果与商业化试验机的相对误差为0.11%,三点弯曲测试结果的相对误差为0.26%,扭转测试结果的相对误差是0.58%。在上述工作的基础上,基于复合载荷原位力学测试仪器,论文对预制3V型缺陷试件,开展了载荷作用下裂纹萌生、裂纹扩展、试件断裂的声发射原位测试。试验结果表明采用声发射原位监测手段可对裂纹的萌生、裂纹扩展以及裂纹的断裂进行表征,并利用线性定位法,实现对裂纹源的定位。利用复合载荷原位力学测试仪器,论文还开展了针对20号钢和球墨铸铁(QT400)的拉伸-弯曲、拉伸-扭转、扭转-拉伸、拉伸-扭转-弯曲以及扭转-拉伸-弯曲等不同载荷条件下的材料微观力学性能的原位测试。其中,在对试件样品施加扭转-II拉伸载荷时,发现20号钢和球墨铸铁(QT400)的抗拉强度提高了,通过超景深显微镜原位监测到在扭转-拉伸载荷下材料微观结构的变化及变形损伤的演化过程。当给试件施加拉伸-扭转载荷时,发现20号钢的抗扭强度降低了,通过超景深显微镜原位监测到因拉伸应力的作用使晶粒被拉长,同时晶粒间隙增大。再施加扭矩后,晶粒被扭曲,晶粒的间隙进一步增大,因此材料的抗扭强度降低。当给试件施加拉伸-弯曲载荷、拉伸-扭转-弯曲载荷和扭转-拉伸-弯曲载荷时,发现20号钢和球墨铸铁(QT400)的抗弯强度提高了,通过超景深显微镜原位监测到20号钢和球墨铸铁(QT400)在不同载荷下材料微观结构的变化。采用复合载荷原位力学测试仪器对预制缺陷的试件样品在单载荷的作用下,进行原位监测,可以精确的监测预制缺陷尖端形貌的变化,微裂纹萌生、扩展以及裂纹失稳、快速断裂。进而深入研究载荷作用下材料微观力学行为和损伤演变机制。
【关键词】：复合载荷 微观力学性能 原位测试 声发射 预制缺陷 仪器 金相
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH82;TG115.5
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-31
• 1.1 选题背景与研究意义13-14
• 1.2 复合载荷模式材料力学性能测试技术国内外研究现状14-21
• 1.2.1 复合载荷力学测试仪器的国内外研究现状14-15
• 1.2.2 复合载荷力学性能测试技术的研究现状15-21
• 1.3 原位测试技术国内外研究现状21-27
• 1.3.1 原位力学测试仪器的发展现状21-22
• 1.3.2 原位力学测试技术的国内外研究现状22-27
• 1.4 本文主要研究工作27-31
• 第2章 复合载荷原位力学测试仪器功能分析31-57
• 2.1 材料力学性能测试原理31-35
• 2.1.1 拉伸测试理论32-33
• 2.1.2 弯曲测试理论33-34
• 2.1.3 扭转测试理论34-35
• 2.2 复合载荷原位力学测试仪器的功能原理35-38
• 2.2.1 拉伸/压缩单元的功能原理35
• 2.2.2 弯曲单元的功能原理35-36
• 2.2.3 扭转单元的功能原理36-37
• 2.2.4 原位监测模块的功能原理37-38
• 2.3 复合载荷原位力学测试仪器关键结构的静动态特性分析38-47
• 2.3.1 机架单元的静动态特性分析38-40
• 2.3.2 拉伸/压缩单元的静动态特性分析40-42
• 2.3.3 三点弯曲单元的静动态特性分析42-43
• 2.3.4 扭转单元的静动态特性分析43-45
• 2.3.5 原位监测模块静动态特性分析45-47
• 2.4 复合载荷原位力学测试仪器整机静动态特性分析47-49
• 2.4.1 整机静态特性分析47-48
• 2.4.2 整机动态特性分析48-49
• 2.5 整机动态特性测试49-56
• 2.5.1 机架结构的动态特性测试50-53
• 2.5.2 拉伸/压缩单元夹具的动态特性测试53
• 2.5.3 三点弯曲单元的动态特性测试53-54
• 2.5.4 扭转单元的动态特性测试54-55
• 2.5.5 原位监测模块的动态特性测试55-56
• 2.6 本章小结56-57
• 第3章 复合载荷原位力学测试仪器性能的测试分析57-73
• 3.1 复合载荷原位力学测试仪器的集成57
• 3.2 复合载荷原位力学测试仪器加载单元测试分析57-70
• 3.2.1 拉伸/压缩单元工作特性测试分析57-62
• 3.2.2 三点弯曲单元工作特性测试分析62-65
• 3.2.3 扭转单元工作特性测试分析65-70
• 3.3 原位监测模块的测试分析70-71
• 3.4 本章小结71-73
• 第4章 材料损伤的声发射原位监测73-85
• 4.1 声发射的测试原理73
• 4.2 声发射信号产生的机制73-74
• 4.2.1 位错AE源机制74
• 4.2.2 裂纹萌生与扩展AE源机制74
• 4.3 声发射信号的参数分析法74-75
• 4.4 声发射源的时差定位75-76
• 4.5 声发射对预制 3V型缺陷裂纹的萌生、扩展和断裂的表征76-81
• 4.6 3V型预制缺陷裂纹源的声发射定位81-82
• 4.7 本章小结82-85
• 第5章 材料微观力学性能原位测试试验研究85-115
• 5.1 单一载荷下的原位测试85-92
• 5.1.1 原位拉伸测试86-88
• 5.1.2 原位三点弯曲测试88-90
• 5.1.3 原位扭转测试90-92
• 5.2 复合载荷下的原位测试92-103
• 5.2.1 扭转－拉伸复合原位测试92-94
• 5.2.2 拉伸－扭转复合原位测试94-96
• 5.2.3 拉伸－弯曲复合原位测试96-97
• 5.2.4 拉伸－扭转－弯曲复合原位测试97-101
• 5.2.5 扭转－拉伸－弯曲复合原位测试101-103
• 5.3 预制缺陷试件的单一载荷原位测试103-113
• 5.3.1 预制缺陷试件的原位三点弯曲测试104-108
• 5.3.2 预制缺陷试件的原位拉伸测试108-110
• 5.3.3 预制缺陷试件的原位扭转测试110-113
• 5.4 本章小结113-115
• 第6章 总结与展望115-117
• 参考文献117-127
• 作者简介与攻读学位期间的主要研究成果127-129
• 致谢129

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 ;国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)[J];中国安防;2006年01期

2 沈功田,耿荣生,刘时风;声发射源定位技术[J];无损检测;2002年03期

3 万敏,洪强,吴向东,周贤宾;十字形试件双向拉深试验系统建立及加载精度分析[J];机械工程学报;2001年01期

4 韩永志;统计学在理化检验中的应用 第四讲 测量方法的重复性及复现性[J];理化检验(化学分册);1999年12期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 黄虎;压痕/划痕测试若干理论与基于自制仪器的试验研究[D];吉林大学;2014年

2 马志超;块体材料原位拉伸—疲劳测试理论与试验研究[D];吉林大学;2013年

中国硕士学位论文全文数据库 前8条

1 高景;拉伸—剪切复合载荷原位力学测试装置设计分析与试验研究[D];吉林大学;2015年

2 程虹丙;拉伸—弯曲复合载荷原位力学测试装置设计与试验研究[D];吉林大学;2015年

3 刘宏达;拉伸—扭转原位力学测试装置设计分析与试验研究[D];吉林大学;2015年

4 董晓龙;原位四点弯曲测试装置的设计分析与试验研究[D];吉林大学;2015年

5 胡晓利;原位三点弯曲测试装置的开发与试验研究[D];吉林大学;2014年

6 白美林;微观力学性能原位剪切测试装置的设计与试验研究[D];吉林大学;2014年

7 张攀峰;可原位观测拉扭复合试验机的设计及动静态分析[D];吉林大学;2014年

8 王开厅;材料微观力学性能原位拉伸测试仪研制与试验研究[D];吉林大学;2013年

，

本文编号：575446