滑軌導(dǎo)向式靜/動(dòng)態(tài)雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)技術(shù)*

劉東升，史同亞，謝普初，陳 偉，王永剛,2

（1.寧波大學(xué)沖擊與安全工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 寧波 315211；2.中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621999）

通過(guò)軋制加工得到的金屬板材常表現(xiàn)出各向異性塑性變形行為[1]?；趩我磺€假定的各項(xiàng)同性金屬屈服準(zhǔn)則難以準(zhǔn)確有效描述金屬板材的塑性變形行為，為此，人們發(fā)展了各向異性屈服準(zhǔn)則。然而，基于標(biāo)準(zhǔn)單軸拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)難以對(duì)各向異性屈服準(zhǔn)則進(jìn)行有效標(biāo)定[2]。除了金屬板材，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能也通常表現(xiàn)為各向異性[3-5]，單向應(yīng)力狀態(tài)下復(fù)合材料力學(xué)行為研究已不能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要。另外，各種結(jié)構(gòu)在加工和服役期間通常經(jīng)受多軸載荷條件，這可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)[6]。因此，發(fā)展多軸加載實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下材料力學(xué)性能顯得尤為重要和迫切。

目前，雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟。早期發(fā)展的雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)技術(shù)是在單向拉伸下通過(guò)改變?cè)嚇訕?gòu)型設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)雙軸拉伸應(yīng)力狀態(tài)，諸如平滑寬板試樣(寬厚比大于30)[7]、板中央雙軸帶加固輪緣試樣[8]。后來(lái)，人們又發(fā)展了薄膜凸脹雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)技術(shù)[9]、內(nèi)壓薄壁圓筒[10]或球殼雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)技術(shù)以及十字形試樣雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)技術(shù)[11]等。十字形試樣雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)技術(shù)，由于十字形試樣制作簡(jiǎn)單，同時(shí)容易對(duì)試樣沿著不同方向施加不同比例加載，受到人們廣泛關(guān)注。任家陶等[8]以及Hannon 等[12]都曾對(duì)板材平面雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)行過(guò)綜述。雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要有兩類(lèi)：獨(dú)立雙軸液壓伺服靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)和基于連桿機(jī)構(gòu)附加裝置的雙軸試驗(yàn)機(jī)[13]。Makinde等[14]在1992年首先發(fā)展了獨(dú)立雙軸液壓伺服實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在兩個(gè)垂直方向上分別設(shè)置兩對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)器，對(duì)十字形試樣進(jìn)行雙軸加載，在每個(gè)方向設(shè)置測(cè)力傳感器和位移傳感器。在雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)中，一種重要因素是在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持試樣的中心不動(dòng)，這對(duì)液壓伺服同步性控制提出了比較高的要求，同時(shí)建立一套獨(dú)立雙軸液壓伺服靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是非常昂貴的。為此，人們嘗試在常用的液壓伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上設(shè)計(jì)一套四連桿或八連桿機(jī)構(gòu)的附加裝置[15-16]，把豎直方向的單軸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)化為水平方向的雙軸驅(qū)動(dòng)，即當(dāng)液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的壓盤(pán)向下移動(dòng)時(shí)，通過(guò)四連桿或八連桿將運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為兩個(gè)不同方向的水平運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)十字形試樣施加雙軸加載。針對(duì)許多金屬板材和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，人們已開(kāi)展一些雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)研究工作，取得了一些重要的研究成果[17]。除了雙軸拉伸加載系統(tǒng)，雙軸拉伸試樣尺寸合理設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的。盡管十字形試樣已被廣泛應(yīng)用，由于缺乏試樣幾何形狀的標(biāo)準(zhǔn)，很難比較不同實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[18]。在設(shè)計(jì)試樣基本原則是保證試樣的中心部分產(chǎn)生大部分變形，盡量避免試樣其他區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中。由于板材在單軸拉伸下的變形能力遠(yuǎn)小于雙軸拉伸時(shí)的變形能力，導(dǎo)致斷裂通常發(fā)生在試樣臂上。十字形試樣設(shè)計(jì)中，人們提出了許多方法來(lái)防止這種情況，主要方法有切割型、縮小截面型以及帶槽型[19]。

無(wú)論是在雙軸加載系統(tǒng)，還是在十字形試樣設(shè)計(jì)方面，都已經(jīng)取得一些研究成果，但已發(fā)展的雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)技術(shù)主要局限于準(zhǔn)靜態(tài)加載條件，難以開(kāi)展動(dòng)態(tài)雙軸加載實(shí)驗(yàn)[20]。最近，李玉龍等[21]發(fā)明了一種基于電磁力加載的雙軸分離式Hopkinson 拉桿實(shí)驗(yàn)裝置，首先實(shí)現(xiàn)十字形試樣的高應(yīng)變率雙軸加載。本文中基于HTM-5020液壓伺服高速試驗(yàn)機(jī)，發(fā)展一種的具有寬廣加載應(yīng)變率調(diào)節(jié)能力的雙軸拉伸加載系統(tǒng)，利用錐面接觸導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)方法，把加載錘頭豎直方向的驅(qū)動(dòng)力通過(guò)十字形布置的高剛度加載力臂和導(dǎo)向滑軌聯(lián)合作用轉(zhuǎn)化為水平方向的雙軸驅(qū)動(dòng)力。利用超高速相機(jī)與數(shù)字圖像相關(guān)性(digital image correlation,DIC)技術(shù)相結(jié)合[22]，發(fā)展十字形試樣全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量技術(shù)。借助數(shù)值模擬手段，對(duì)雙軸加載實(shí)驗(yàn)裝置和十字形試樣設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。最后，開(kāi)展2024-T351鋁合金單軸和雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)技術(shù)的可行性和可靠性。

1 實(shí)驗(yàn)技術(shù)

1.1 雙軸拉伸加載裝置設(shè)計(jì)

1.1.1結(jié)構(gòu)組成及工作原理

圖1(a)給出了錐面驅(qū)動(dòng)滑槽式雙軸拉伸加載裝置結(jié)構(gòu)組成示意圖，主要由十字形錐面錘頭、加載力臂、十字形布置的導(dǎo)向滑軌、試樣夾持和測(cè)力連接桿、十字形試樣、鋼基座以及螺旋套筒組成，其中加載力臂和導(dǎo)向滑軌必須具有足夠的剛度，確保加載穩(wěn)定性。十字形錐面錘頭與Zwick HTM-5020 液壓伺服高速試驗(yàn)機(jī)的加載桿相連接，并沿著鋼導(dǎo)桿上下運(yùn)動(dòng)，如圖2 所示。試樣夾持連接桿通過(guò)加載力臂內(nèi)部的套筒旋轉(zhuǎn)前后移動(dòng)，從而調(diào)整錘頭與滾輪接觸間隙，如圖1(b)所示，十字形試樣與試樣夾持連接桿通過(guò)自錨式固定螺栓相連接，同時(shí)在夾持連接桿上粘貼應(yīng)變片來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量試件受到的加載力時(shí)程。當(dāng)錘頭的十字形錐面與高剛度的加載力臂上滾輪相接觸時(shí)，將驅(qū)動(dòng)十字形布置的加載力臂沿著導(dǎo)向滑軌向外運(yùn)動(dòng)，從而把錘頭豎直方向的單軸驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)化為水平方向的雙軸驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)十字形試樣同步平面雙軸加載。Zwick HTM-5020 液壓伺服高速試驗(yàn)機(jī)可通過(guò)閉環(huán)控制和開(kāi)環(huán)控制實(shí)現(xiàn)加載速度變化范圍為0.001～20 m/s。改變錘頭運(yùn)動(dòng)速度，可方便地調(diào)節(jié)試樣的應(yīng)變速率。改變十字形錐面錘頭的錐面傾斜角度，還可以實(shí)現(xiàn)不同加載路徑比的非等軸雙軸拉伸。為了監(jiān)測(cè)十字形試件中心部分應(yīng)變，在鋼基座中心處開(kāi)孔，在基座下面布置45°反射鏡，利用水平布置的高速相機(jī)實(shí)時(shí)獲取試樣變形過(guò)程的散斑圖像，再借助數(shù)字圖像相關(guān)性分析技術(shù)獲得試樣中心處全場(chǎng)應(yīng)變。這里提出的雙軸拉伸加載裝置具有加載方式靈活多變，結(jié)構(gòu)緊湊且成本低的特點(diǎn)。

圖1 雙軸拉伸加載裝置結(jié)構(gòu)裝配圖Fig. 1 Structural assembly drawing of biaxial tensile loading device

圖2 基于Zwick HTM-5020 液壓伺服高速試驗(yàn)機(jī)的雙軸拉伸加載裝置Fig. 2 Biaxial tensile loading device based on Zwick HTM-5020 hydraulic servo high speed machine

1.1.2 結(jié)構(gòu)與優(yōu)化

在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)之前，采用數(shù)值模擬手段，對(duì)圖1給出的雙軸拉伸加載裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，考慮到結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，為了減少計(jì)算量，這里利用ABAQUS軟件建立了裝置的四分之一對(duì)稱有限元計(jì)算模型，如圖3 所示。計(jì)算中，錘頭和接觸滾輪材料選取40Cr 合金鋼，屈服應(yīng)力為785 MPa；其他結(jié)構(gòu)部件的材料都是45 鋼，屈服應(yīng)力355 MPa，材料本構(gòu)關(guān)系采用線彈性模型，計(jì)算參數(shù)：ρ=7 800 kg/m3，E=210 GPa, ν=0.3；橡膠緩沖層材料采用Ogden[23]超彈性本構(gòu)模型，材料模型參數(shù)來(lái)自文獻(xiàn)[24]。十字形試樣材料為2024-T351 鋁合金，材料本構(gòu)關(guān)系使用Johnson-Cook 彈塑性本構(gòu)模型, 本構(gòu)模型介紹和材料參數(shù)詳見(jiàn)文獻(xiàn)[25]。計(jì)算中，錘頭豎直方向速度vy設(shè)置為3 m/s，在裝置設(shè)計(jì)中，十字形錘頭的錐角α 是關(guān)鍵設(shè)計(jì)參量之一。在15°、30°、45°、60°和75°等5 種錐角下開(kāi)展數(shù)值分析，討論關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組件的運(yùn)動(dòng)情況和關(guān)鍵接觸點(diǎn)的受力情況。在加載速度保持3 m/s 恒定條件下，錐角對(duì)加載力臂水平速度vx有明顯的影響，如圖4 所示，錐角越大，加載力臂獲得的速度越大，速度轉(zhuǎn)化效率越高。為了降低錘頭和滾輪之間接觸應(yīng)力，在接觸面添加橡膠緩沖層，圖5 給出了不同錐角條件下錘頭與滾輪接觸處單元最大等效應(yīng)力（定義為接觸應(yīng)力）時(shí)程曲線，結(jié)果顯示：隨著錐角增大，接觸應(yīng)力增大；在錐角60°時(shí)，接觸應(yīng)力達(dá)到2.4 GPa，遠(yuǎn)大于滾輪材料40Cr 合金鋼的屈服應(yīng)力；而錐角45°時(shí)，接觸應(yīng)力約500 MPa，低于40Cr 合金鋼的屈服應(yīng)力，保證實(shí)驗(yàn)中滾輪不發(fā)生塑性變形。同時(shí)在圖5 右上角也給出沒(méi)有橡膠緩沖層時(shí)45°錐角條件下接觸單元最大應(yīng)力時(shí)程對(duì)比曲線，結(jié)果顯示橡膠緩沖層的緩沖效果非常好，大幅降低了接觸等效應(yīng)力，可以為錘頭和滾輪提供一定保護(hù)。圖6 給出了加載力臂中最大應(yīng)力單元時(shí)程曲線，最大應(yīng)力值為80 MPa，遠(yuǎn)低于45 鋼的屈服應(yīng)力，這表明在加載過(guò)程中加載力臂始終處于彈性階段。圖7 給出了不同錐角條件下速度和接觸應(yīng)力的擬合曲線，當(dāng)錐角15°時(shí)，加載臂水平方向速度和滾輪接觸應(yīng)力有最小值，而錐角75°時(shí)其有最大值；隨著錐角增大，加載力臂獲得的速度和滾輪接觸應(yīng)力也增大，為了避免滾輪發(fā)生塑性變形，錐角不宜過(guò)大。基于數(shù)值分析結(jié)果與討論，建議十字形錘頭的錐角α 選擇為45°為宜。

圖3 雙軸拉伸加載裝置的四分之一對(duì)稱有限元計(jì)算模型Fig. 3 The quarter finite element calculation model for the biaxial tensile loading device

圖4 不同錐角條件下加載力臂速度時(shí)程曲線Fig. 4 Time histories of velocity of the loading force arm at different conical angles

圖5 不同錐角條件下接觸單元應(yīng)力時(shí)程曲線Fig. 5 Time histories of stress of contact elements at different conical angles

圖6 45°錐角下加載力臂上最大單元應(yīng)力時(shí)程曲線Fig. 6 Time history of the maximum element stress of the loading force arm at the conical angle of 45°

圖7 不同錐角條件下速度和接觸應(yīng)力的擬合曲線Fig. 7 Fitted curves for velocity and contact stress at different conical angles

1.2 試樣設(shè)計(jì)

1.2.1 幾何設(shè)計(jì)

在雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)中試樣設(shè)計(jì)也是非常重要的[26]，試樣優(yōu)化目標(biāo)是在十字形試樣的中心區(qū)域（簡(jiǎn)稱為標(biāo)距段）實(shí)現(xiàn)均勻應(yīng)變，并盡量避免標(biāo)距段之外發(fā)生過(guò)早失效。原始的十字形試樣尺寸如圖8(a)所示，這里采用標(biāo)距段減薄和加載臂上開(kāi)多條狹縫兩種手段來(lái)優(yōu)化試樣，優(yōu)化后的十字形試樣幾何尺寸如圖8(b)所示。中心區(qū)域的厚度減小，在外載荷作用下容易在標(biāo)距段產(chǎn)生大部分變形，同時(shí)有助于避免標(biāo)距段外提早發(fā)生失效。在加載臂上開(kāi)狹縫減少了雙軸載荷分配對(duì)加載臂的影響，同時(shí)這些狹縫也有助于將所施加的載荷均勻地分布到標(biāo)距段。試樣幾何設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)：狹縫的條數(shù)M、狹縫與減薄區(qū)邊緣長(zhǎng)度L和標(biāo)距段厚度T。下面仍然借助數(shù)值模擬手段，對(duì)上述3 個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

圖8 十字形試樣幾何尺寸Fig. 8 Geometry sizes of cruciform sample

1.2.2 尺寸優(yōu)化

有限元計(jì)算模型仍然采用1.1.2 節(jié)給出的四分之一對(duì)稱有限元計(jì)算模型，材料本構(gòu)參數(shù)和邊界條件不變。首先對(duì)十字形試樣加載臂上狹縫條數(shù)M進(jìn)行優(yōu)化分析，優(yōu)化目標(biāo)是標(biāo)距段應(yīng)力均勻分布、中心區(qū)和狹縫區(qū)存在大變形。這里提出應(yīng)力集中系數(shù)r指標(biāo)[27]、標(biāo)距段平均應(yīng)力和狹縫區(qū)最大應(yīng)力來(lái)定量討論標(biāo)距段的應(yīng)力分布情況，從而確定最優(yōu)的狹縫條數(shù)M、狹縫與減薄區(qū)邊緣長(zhǎng)度L和標(biāo)距段厚度T。應(yīng)力集中系數(shù)r定義為：

圖9 不同狹縫條數(shù)條件下應(yīng)力集中系數(shù)和狹縫區(qū)最大單元應(yīng)力Fig. 9 Stress concentration factor of gauge section and maximum element stress of slit under different slit numbers

圖10 不同邊緣長(zhǎng)度條件下應(yīng)力集中系數(shù)和狹縫區(qū)最大單元應(yīng)Fig. 10 Stress concentration factor of gauge section and maximum element stress of slit under different lengths of slit edge

圖11 不同標(biāo)距段厚度條件下應(yīng)力集中系數(shù)和狹縫區(qū)最大單元應(yīng)力Fig. 11 Stress concentration factor of gauge section and maximum element stress of slit under different thicknesses of gauge section

表1 優(yōu)化后十字試件的最佳尺寸參數(shù)Table 1 The parameters of cruciform samples after optimizing

1.3 測(cè)試技術(shù)

在雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)中，采用在夾持導(dǎo)向桿表面合適位置處粘貼普通應(yīng)變片來(lái)直接測(cè)量加載力時(shí)程曲線，采用非接觸光學(xué)測(cè)量技術(shù)來(lái)測(cè)量試樣標(biāo)距段的應(yīng)變，測(cè)試系統(tǒng)布置如圖13 所示。實(shí)驗(yàn)前需要在試樣標(biāo)距段噴涂黑白散斑，如圖14 所示，再通過(guò)基座下面布置45°反射鏡，把散斑圖像輸入到水平布置的高速相機(jī)中，這樣就可以獲取試樣變形過(guò)程的系列散斑圖像，對(duì)獲取的散斑圖像進(jìn)行數(shù)字圖像相關(guān)性分析就可以得到試樣標(biāo)距段全場(chǎng)應(yīng)變。最后，借助數(shù)據(jù)采集同步器把力時(shí)程和基于數(shù)字圖像相關(guān)性分析得到的應(yīng)變時(shí)程同步，消除時(shí)間參數(shù)后，得到材料的σ-ε 實(shí)驗(yàn)曲線。

圖12 優(yōu)化前和優(yōu)化后十字形試樣的等效應(yīng)力分布云圖Fig. 12 Diagrams of equivalent stress distribution of the cruciform sample before and after optimization

圖13 雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)示意圖Fig. 13 Schematic diagram of biaxial tensile test technology

圖14 標(biāo)距段噴涂散斑的試樣Fig. 14 Cruciform sample with speckles pattern on gauge section

2 雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)裝置的可行性檢驗(yàn)

2.1 單軸加載檢驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)裝置的有效性，這里基于雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)開(kāi)展準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸實(shí)驗(yàn)，即僅在一對(duì)加載力臂上安裝普通板條拉伸試樣，如圖15 所示。在準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下，HTM-5020液壓伺服高速試驗(yàn)機(jī)采用閉環(huán)控制模式，加載應(yīng)變率控制為10?1s?1。利用雙軸拉伸加載裝置開(kāi)展單軸拉伸實(shí)驗(yàn)，3 次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)得到2024-T351 鋁合金板材的單軸拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖16(a)所示。另外，采用Instron5966 電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)同一批2024-T351 鋁合金板材試樣在相同加載應(yīng)變率條件下也開(kāi)展3 次重復(fù)單軸拉伸實(shí)驗(yàn)，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也顯示在圖16(b)中。對(duì)比分析兩種實(shí)驗(yàn)技術(shù)得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)兩者之間的一致性是比較好的，由此初步驗(yàn)證了雙軸拉伸加載裝置的有效性。

圖15 噴涂散斑的鋁合金單軸試樣Fig. 15 Aluminum alloy specimen with speckles pattern

圖16 不同實(shí)驗(yàn)技術(shù)測(cè)得鋁合金單軸應(yīng)力應(yīng)變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig. 16 Comparison of stress-strain curves of aluminum alloy specimens by different test techniques

2.2 雙軸同步性檢驗(yàn)

在雙軸拉伸加載過(guò)程中保持試樣的中心不動(dòng)是實(shí)驗(yàn)有效的必備條件，這就要求在十字形錐面錐頭驅(qū)動(dòng)下一條直線上一對(duì)加載力臂必須同步相背運(yùn)動(dòng)。在上述的利用雙軸拉伸裝置開(kāi)展單軸拉伸實(shí)驗(yàn)中，同一方向兩個(gè)測(cè)力連接桿測(cè)得應(yīng)力時(shí)程曲線對(duì)比如圖17 所示，σx1、σx2為同一方向應(yīng)力，兩者的一致性很好，驗(yàn)證了同一直線上一對(duì)加載力臂相背運(yùn)動(dòng)的同步性很好。同時(shí)，還需要驗(yàn)證在相互垂直的一對(duì)加載力臂必須同步運(yùn)動(dòng)，這里，采用雙探頭的全光纖激光干涉測(cè)速儀對(duì)加載力臂的運(yùn)動(dòng)歷程進(jìn)行監(jiān)測(cè)[28]，考察其同步性，測(cè)試系統(tǒng)布置如圖18所示。從兩個(gè)激光探頭中發(fā)射的兩束激光分別聚焦于一對(duì)相鄰運(yùn)動(dòng)的加載力臂表面，激光在目標(biāo)表面上發(fā)生反射,部分反射光被探頭收集,反射信號(hào)激光發(fā)生多普勒頻移，利用多普勒頻移fd和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度v(t)關(guān)系：

圖17 同一方向連接桿上實(shí)測(cè)的應(yīng)力時(shí)程曲線Fig. 17 Evolution of stress profiles measured on the connecting rod along the same direction

圖18 雙軸拉伸加載裝置同步性驗(yàn)證的激光干涉測(cè)試系統(tǒng)布置Fig. 18 Schematic diagram of the laser interference system for verifying synchronism of the biaxial tensile loading device

式中：λ為激光的波長(zhǎng)。對(duì)示波器記錄的激光干涉信息采用短時(shí)傅里葉變換方法進(jìn)行頻域分析，提取出多普勒頻移fd，即可用式(2)計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。在不夾持十字形試樣條件下，錘頭以50 mm/s速度撞擊4 個(gè)加載力臂，圖19 給出一對(duì)相鄰運(yùn)動(dòng)加載力臂的速度和位移時(shí)程曲線對(duì)比，dx1、dy2為相鄰方向位移，vx1、vy2為相鄰方向速度，兩者一致性很好，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了相鄰加載力臂運(yùn)動(dòng)同步性很好。

圖19 相互垂直兩個(gè)方向?qū)崪y(cè)的位移和速度時(shí)程曲線對(duì)比Fig. 19 Comparison of displacement and velocity curves measured along two directions perpendicular to each other

3 雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)及結(jié)果討論

3.1 2024-T351 鋁合金板材靜態(tài)/動(dòng)態(tài)雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)

基于Zwick HTM-5020 液壓伺服高速試驗(yàn)機(jī)搭建的雙軸拉伸加載平臺(tái)如圖2 所示。Zwick HTM-5020 液壓伺服高速試驗(yàn)機(jī)有閉環(huán)控制和開(kāi)環(huán)控制兩種模式，閉環(huán)控制條件下最大加載速度小于700 mm/s，而開(kāi)環(huán)控制條件下最大加載速度可達(dá)20 m/s，因此，這里發(fā)展雙軸拉伸加載平臺(tái)既可以施加靜態(tài)載荷，也可以施加動(dòng)態(tài)載荷，從而研究不同應(yīng)變率條件下板材雙軸拉伸力學(xué)性能。這里，以2024-T351 鋁合金板材為例，雙軸拉伸試樣幾何尺寸見(jiàn)圖8(b)，標(biāo)距段13 mm×13 mm，開(kāi)展了10?1和10 s?1兩種應(yīng)變率條件下雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)。通過(guò)夾持連接桿上粘貼應(yīng)變片實(shí)測(cè)試樣承受載荷時(shí)程信息。采用高速相機(jī)來(lái)拍攝試樣標(biāo)距段內(nèi)散斑，10?1s?1應(yīng)變率條件下，采集幀率為250 Hz，而10 s?1應(yīng)變率條件下，采集幀率為3 000 Hz。采用數(shù)字圖像相關(guān)性分析軟件VIC-2D 對(duì)采集的試樣散斑圖像進(jìn)行分析，得到試樣標(biāo)距段的全場(chǎng)應(yīng)變信息。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.2.1 雙軸拉伸加載力和應(yīng)變時(shí)程曲線

圖20 給出10?1和10 s?1兩種應(yīng)變率條件下通過(guò)夾持連接桿上粘貼的應(yīng)變片實(shí)測(cè)力時(shí)程曲線，結(jié)果顯示不同應(yīng)變率加載下實(shí)測(cè)的x和y方向加載力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)幾乎是一致的，這再次驗(yàn)證了4 個(gè)加載力臂對(duì)試樣的作用是同步的。另外，兩種應(yīng)變率條件下加載力實(shí)測(cè)曲線其波前沿和波平面較光滑，不存在振蕩，表明了橡膠緩沖層的有效性。

圖20 不同應(yīng)變率下4 個(gè)連接桿上應(yīng)變片實(shí)測(cè)的力時(shí)程曲線Fig. 20 Evolution of forces measured by strain gauges on four clamping guide rods at different strain rates

3.2.2 雙軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

在測(cè)力連接桿實(shí)測(cè)的力時(shí)程曲線，見(jiàn)圖20 和DIC 方法實(shí)測(cè)標(biāo)距段平均應(yīng)變時(shí)程曲線，見(jiàn)圖21，消去時(shí)間軸后，得到不同應(yīng)變率下鋁合金雙軸拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖22 所示。結(jié)果顯示：不同應(yīng)變率加載下實(shí)測(cè)的x和y方向應(yīng)力應(yīng)變曲線在應(yīng)變0.2%以內(nèi)兩者具有很好的一致性，這時(shí)試樣表現(xiàn)為各向同性力學(xué)性能，而當(dāng)應(yīng)變超過(guò)0.2%后兩個(gè)方向的應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯偏差，表明軋制板材力學(xué)性能具有一定的各向異性。應(yīng)變0.2%以內(nèi)，應(yīng)力應(yīng)變之間基本呈線性關(guān)系，這時(shí)試樣基本處于彈性變形階段，而應(yīng)變超過(guò)0.2%，試樣進(jìn)入塑性變形階段。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，兩種應(yīng)變率下，雙軸加載下鋁合金斷裂強(qiáng)度約等于單軸加載下的斷裂強(qiáng)度的2 倍，沿軋制方向(x方向)的斷裂應(yīng)變明顯高于垂直軋制方向（y方向）的。圖23中給出10?1和10 s?1應(yīng)變率下鋁合金雙軸和單軸von Mises 等效應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)比，結(jié)果顯示：鋁合金在雙軸加載下的強(qiáng)化效應(yīng)非常明顯，雙軸加載下屈服強(qiáng)度和彈性模量比單軸加載下屈服強(qiáng)度和彈性模量都提高了1 倍多。

圖21 不同應(yīng)變率下DIC實(shí)測(cè)的標(biāo)距段平均應(yīng)變時(shí)程曲線Fig.21 Average strain measured by the DICmethod as a function of timeat different strain rates

圖22 不同應(yīng)變率下鋁合金雙軸拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.22 Stress-strain curves of aluminum alloy at different strain rates under biaxial tensile loading

圖23 不同應(yīng)變率下鋁合金雙軸和單軸等效應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)比Fig.23 Comparison of biaxial and uniaxial equivalent stress-equivalent strain curves of aluminum alloy at different strain rates

4 結(jié) 論

基于Zwick HTM-5020液壓伺服高速試驗(yàn)機(jī)，發(fā)展了一種的具有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)雙重功能的雙軸拉伸加載系統(tǒng)。采用數(shù)值模擬手段對(duì)加載系統(tǒng)和試樣尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。當(dāng)錐面接觸導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)的接觸錐角為45°時(shí)，既具有較好的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)化效率，也容易保證適當(dāng)?shù)慕佑|應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)加載設(shè)施重復(fù)使用；獲得了加載臂狹縫個(gè)數(shù)M、狹縫與減薄區(qū)邊緣長(zhǎng)度L和標(biāo)距段厚度T等試樣設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)。通過(guò)設(shè)計(jì)單軸加載和雙探頭激光干涉位移同步性實(shí)驗(yàn)，對(duì)雙軸拉伸加載裝置的加載一致性和同步性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，初步證實(shí)了雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)裝置的可行性和可靠性。利用該雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)裝置，開(kāi)展2024-T351鋁合金板雙軸拉伸加載實(shí)驗(yàn)，獲得了10?1s?1和10 s?1兩種應(yīng)變率條件下材料雙軸拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，觀察到鋁合金板材力學(xué)性能存在一定的各向異性，同時(shí)與單軸加載下的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)雙軸加載下2024-T351鋁合金的彈性模量和屈服強(qiáng)度都大幅度提高。