钱凌云等：金属薄板面内压剪变形的损伤断裂行为 265· 轴度大于0且小于1/3时，属于拉剪复合的应力区 区厚度方向上设置有明显的高度差，两侧厚度高于 间，而应力三轴度大于1/3时，属于拉伸主导的应 心部厚度(H).长方形板材两侧桥部设置有四个可 力区间)对于本文研究，主要关注应力三轴度小 用于装夹定位的承力螺栓孔，长方形板材在宽度方 于0对应的压剪应力区间 向上厚度减薄的心部段为试样主要变形区.矩形板 2薄板面内压剪变形的实验装置设计 材在变形区宽度方向的最小值设置为变形区宽度W. (a) (b) 14 对于金属板料面内压剪变形的断裂研究，难点 Locating lock 在于试样易发生面外弯曲、屈曲或起皱等失稳缺陷， hole 且平面变形条件和线性应变路径不易确定，试样夹 Width of daformation zone W 持受力不均匀，剪切面数量及加载方式受限等.本文 Radius of bridge in deformation zone R2 的研究主要从设计新的试样形状和试样装夹装置两 Radius of concave 个方面克服以上问题.另外，本文的实验装置不需要 part R; 在具有双向加载功能的试验机上完成，仅在常见的 30 单向试验机上即可，扩展了实验装置的应用范围 2.1整体实验方案 B∈ 本文所设计的板料压剪实验装置主要包括试 图2试样结构和尺寸图.(a)结构图：(b)尺寸图（单位：mm) 样和配套夹具两部分.整个实验过程分为两个步 Fig.2 Geometrical characteristics and dimensions of the specimen: 骤来完成，即试样的装夹和单轴压缩过程，整体示 (a)structure diagram;(b)dimensions diagram (unit:mm) 意图如图1所示.在试样装夹过程中，夹具固定在 在试样设计的关键尺寸中，变形区宽度W=3.3mm, 单向试验机上，试样通过螺栓固定在夹具体上，夹 桥部半径R2=20mm,变形区减薄的心部段厚度 具体中的滑块通过两个滑轮与底板上的环形导轨 H=lmm,凹形缺口半径R3=6mm,具体的试样尺 相连形成可以滑动的连接体，采用销钉连接将连 寸如图2(b)所示.为了避免板料失稳发生翘曲，在 接体锁紧在代表不同加载角度的预设定位孔中， 试样设计中要求在夹具、压片与试样的接触表面 通过改变竖直加载方向和试样宽度方向的夹角α， 做滚花工艺处理，从而增加摩擦力提升装夹可靠 实现试样在不同应力状态变形过程.实验过程，单 性.在初始条件下，试样的变形区中心应该与夹具 向试验机施加竖直向下的运动，设置试验机的压 导轨的几何中心重合，以防止在变形过程中产生 头速度为0.1 mm:min,保证加载过程平稳可靠. 的其他不相关应力干扰 2.3实验夹具设计 Force 本文设计的试样配套夹具为旋转对称结构设 计，包括压片、滑块、滑轮、固定板、支撑板、环形 Locating Slider 导轨和配套使用的螺栓和销钉等，如图3所示 hole Specimen Retainer plate -Pulley Circular rail Support plate Slider Splint Circular rail 图1板料面内压剪实验原理示意图 The first Fig.Schematic of the in-plane compression-shear experiment matching groove Specimen 2.2实验试样设计 The second 本文设计的板材压剪断裂分析试样如图2(a) matching groove 所示.试样坯料为矩形板材，板材厚度为3mm,整 体形状为蝶形试样.考虑到矩形金属薄板试样受载 时可能发生面内翘曲和面外扭曲，所以将试样宽度 方向的自由边界设计为凹形缺口半径R?.为了进一 图3实验夹具组件与装配 步确定断裂应变路径，矩形板材在变形区与非变形 Fig.3 Experimental setup of the in-plane compression-shear experiment轴度大于 0 且小于 1/3 时，属于拉剪复合的应力区 间，而应力三轴度大于 1/3 时，属于拉伸主导的应 力区间[23] . 对于本文研究，主要关注应力三轴度小 于 0 对应的压剪应力区间. 2    薄板面内压剪变形的实验装置设计 对于金属板料面内压剪变形的断裂研究，难点 在于试样易发生面外弯曲、屈曲或起皱等失稳缺陷， 且平面变形条件和线性应变路径不易确定，试样夹 持受力不均匀，剪切面数量及加载方式受限等. 本文 的研究主要从设计新的试样形状和试样装夹装置两 个方面克服以上问题. 另外，本文的实验装置不需要 在具有双向加载功能的试验机上完成，仅在常见的 单向试验机上即可，扩展了实验装置的应用范围. 2.1    整体实验方案 本文所设计的板料压剪实验装置主要包括试 样和配套夹具两部分. 整个实验过程分为两个步 骤来完成，即试样的装夹和单轴压缩过程，整体示 意图如图 1 所示. 在试样装夹过程中，夹具固定在 单向试验机上，试样通过螺栓固定在夹具体上，夹 具体中的滑块通过两个滑轮与底板上的环形导轨 相连形成可以滑动的连接体，采用销钉连接将连 接体锁紧在代表不同加载角度的预设定位孔中， 通过改变竖直加载方向和试样宽度方向的夹角 α， 实现试样在不同应力状态变形过程. 实验过程，单 向试验机施加竖直向下的运动，设置试验机的压 头速度为 0.1 mm·min−1，保证加载过程平稳可靠. Locating hole Force Slider Specimen Circular rail α 图 1    板料面内压剪实验原理示意图 Fig.1    Schematic of the in-plane compression–shear experiment 2.2    实验试样设计 本文设计的板材压剪断裂分析试样如图 2（a） 所示. 试样坯料为矩形板材，板材厚度为 3 mm，整 体形状为蝶形试样. 考虑到矩形金属薄板试样受载 时可能发生面内翘曲和面外扭曲，所以将试样宽度 方向的自由边界设计为凹形缺口半径 R3 . 为了进一 步确定断裂应变路径，矩形板材在变形区与非变形 区厚度方向上设置有明显的高度差，两侧厚度高于 心部厚度（H1）. 长方形板材两侧桥部设置有四个可 用于装夹定位的承力螺栓孔，长方形板材在宽度方 向上厚度减薄的心部段为试样主要变形区. 矩形板 材在变形区宽度方向的最小值设置为变形区宽度 W. Locating lock hole Width of daformation zone W Radius of bridge in deformation zone R2 Radius of concave part R3 14 3.3 R20 R6 32 30 1 50 (a) (b) 图 2    试样结构和尺寸图. （a）结构图；（b）尺寸图（单位: mm） Fig.2     Geometrical  characteristics  and  dimensions  of  the  specimen: (a) structure diagram；(b) dimensions diagram (unit: mm) 在试样设计的关键尺寸中，变形区宽度W=3.3 mm， 桥部半径 R2=20 mm，变形区减薄的心部段厚度 H1=1 mm，凹形缺口半径 R3=6 mm，具体的试样尺 寸如图 2（b）所示. 为了避免板料失稳发生翘曲，在 试样设计中要求在夹具、压片与试样的接触表面 做滚花工艺处理，从而增加摩擦力提升装夹可靠 性. 在初始条件下，试样的变形区中心应该与夹具 导轨的几何中心重合，以防止在变形过程中产生 的其他不相关应力干扰. 2.3    实验夹具设计 本文设计的试样配套夹具为旋转对称结构设 计，包括压片、滑块、滑轮、固定板、支撑板、环形 导轨和配套使用的螺栓和销钉等，如图 3 所示. Retainer plate Support plate Circular rail The first matching groove The second matching groove Specimen Splint Slider Pulley 图 3    实验夹具组件与装配 Fig.3    Experimental setup of the in-plane compression–shear experiment 钱凌云等： 金属薄板面内压剪变形的损伤断裂行为 · 265 ·