一种双材料试样获得动态断裂韧性的实验方法

本发明属于材料动态断裂韧性测试，特别是涉及一种双材料试样获得动态断裂韧性的实验方法。

背景技术：

1、双材料胶接界面，也称胶接界面，由两种物理化学性质不同的材料组成的界面，如金属与金属、复合材料与复合材料以及金属与复合材料等界面。动态i型断裂韧性的含义为：在动态加载条件下，材料界面或裂纹的断裂扩展过程中张开型(即裂纹平行于加载方向并远离加载边缘的模式)断裂韧性。根据界面的断裂行为，可以将其分为：张开型(i型)、滑移型(ii型)、撕开型(iii型)和混合型断裂。其中，i型在工程上最常见、最危险，也是研究最深入的界面断裂类型，因为它是低应力断裂的主要原因之一。胶接界面的张开型i型断裂韧性是胶接界面开裂的主要形式之一，同时也是评价胶接性能的关键参数之一。

2、双材料的胶接结构件在航空航天等领域广泛应用，且经常服役于高速冲击等复杂环境，确定材料在动态加载条件下的i型断裂韧性对理解材料在高速碰撞、爆炸等动态加载条件下的断裂行为，以及进行相关工程设计和安全评估具有重要意义。然而当前国内外对双材料胶接界面的测试大多为准静态加载，对高速动态的试验测试方法还存在空缺。如针对复合材料胶接结构的iso 25217，且其测定方法参考复合材料层间i型断裂韧性的测试方法，然而该测试方法并未指出针对双材料胶接的标准流程。如现有发明专利-一种异质胶接接头耦合失效行为的损伤演化表征方法，虽然提出了双材料胶接的测试方法，但其方法复杂，需要进行多组等厚同质材料胶接的试验，并且等厚度的双悬臂梁试样在张开过程中由于试样弯曲刚度的不同产生剪切力，引入了ⅱ型断裂，导致试验结果不准确；英国学者liβner m采用楔形双悬臂梁(wdcb)试样在霍普金森杆(shpb)系统进行了动态加载实验，获得了双材料胶接界面的动态断裂韧性，但此实验中会引入摩擦以及加载杆易偏心等问题而导致结果的不准确性。

技术实现思路

1、本发明旨在提供了一种双材料试样获得动态断裂韧性的实验方法，解决了现有的双材料试样获得动态断裂韧性的测试方法大多为准静态加载，对高速动态的试验测试方法存在缺陷的问题。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

3、提供了一种双材料试样获得动态断裂韧性的实验方法，其包括：

4、步骤1、制备双材料试样；

5、步骤2、搭建单轴双向电磁霍普金森拉杆加载系统，并将双材料试样固定在单轴双向电磁霍普金森拉杆加载系统上；

6、步骤3、启动单轴双向电磁霍普金森拉杆加载系统对双材料试样进行双向动态同步加载；

7、步骤4、单轴双向电磁霍普金森拉杆加载系统采集双材料试样的加载速度、单轴双向电磁霍普金森拉杆加载系统中入射杆位移随时间变化曲线和双材料试样的动态断裂起始时间；

8、步骤5、根据单轴双向电磁霍普金森拉杆加载系统中入射杆位移随时间变化曲线和双材料试样的动态断裂起始时间，采用实验-数值仿真相结合的方法计算双材料试样胶接界面的断裂韧性值。

9、进一步地，在步骤1中，双材料试样包括材料不同且相互胶接的上梁板和下梁板；上梁板和下梁板的弯曲刚度相同，即：

10、e1i1＝e2i2

11、

12、其中，e1为上梁板的弯曲模量；i1为上梁板的惯性矩；e2为下梁板的弯曲模量；i2为下梁板的惯性矩；h1为上梁板的厚度；h2为下梁板的厚度。

13、通过上述设置，使得保证双材料试样在张开过程中有相同的弯曲变形，从而获得纯i型张开。

14、进一步地，在步骤2中，单轴双向电磁霍普金森拉杆加载系统包括第一入射杆、第二入射杆、示波器、闪光灯、高速相机和电脑；

15、第一入射杆和第二入射杆水平间隔同轴布置，第一入射杆和第二入射杆的一端均设置有一个应力波发生器，每个应力波发生器均包括主线圈和次级线圈；两个应力波发生器均通过电磁控制回路控制；第一入射杆和第二入射杆的圆周外壁的中间位置处均设置有一个应变片；

16、双材料试样设置于第一入射杆和第二入射杆之间，双材料试样的两外侧端面分别与第一入射杆和第二入射杆的一端粘接固定，双材料试样的侧面设置有断裂应变计；

17、闪光灯和高速相机设置于双材料试样的侧方；示波器与断裂应变计、闪光灯、电脑、高速相机和两个应变片电性连接。

18、单轴双向电磁霍普金森拉杆加载系统利用电磁能量转换技术所产生的应力脉冲波；通过放电开关的闭合产生脉冲，在该放电开关的触发闭合与应力波的产生之间几乎没有时间延迟，因此脉冲的产生的精确时间很容易通过电磁控制回路来控制。这一优点使得双材料试样在动态加载下对称加载的同步性得到很好的保证。

19、进一步地，在步骤3中，待双材料试样完毕后，根据双材料试样加载速率的要求设定电磁控制回路中的电压值和电容值，并对电磁控制回路充电至设定值，启动放电开关，使应力发生器的主线圈放电直至电容器电压降至0v，次级线圈会在电磁斥力的作用下产生加载应力波，应力波通过第一入射杆和第二入射杆同时传递至双材料试样，对双材料试样进行双向动态同步加载。

20、进一步地，双材料试样的加载速度的计算公式为：

21、

22、v1(t)＝c0(ε1,inc(t)-(ε1,ref(t))

23、v2(t)＝-c0(ε2,inc(t)-(ε2,ref(t))

24、v＝v1(t)+v2(t)

25、其中，ε为应变信号，k值是所选用的应变片的灵敏度系数，u0为惠斯通电桥电压，δu为相应采集通道的随着时间变化输出的电压值；c0为入射杆的弹性波波速，ε1,inc(t)和ε2,inc(t)分别是第一入射杆和第二入射杆的入射波，ε1,ref(t)和ε2,ref(t)分别是第一入射杆和第二入射杆的反射波；v为双材料试样的加载速度，v1(t)和v2(t)分别为第一入射杆和第二入射杆的加载速度；

26、双材料试样的动态断裂起始时间采用断裂应变计和高速相机两种方法确定的起始断裂时间分别为tf cpg和tf hsp，在本技术中，断裂应变计所发生阶跃的时间点与高速相机拍摄到的胶层裂纹起始时间点基本重合。

27、进一步地，在步骤5中，实验-数值仿真相结合的方法包括：

28、步骤5.1、对第一入射杆和第二入射杆的加载速度进行积分计算，获得第一入射杆和第二入射杆端的位移随时间的变化曲线，同时也根据断裂应变计和高速相机确定胶层裂纹的起裂时间；

29、第一入射杆位移随时间变化曲线的表达式为：

30、

31、第二入射杆位移随时间变化曲线的表达式为：

32、

33、其中，c0为入射杆的弹性波波速，ε1,inc(t)和ε2,inc(t)分别是第一入射杆和第二入射杆的入射波，ε1,ref(t)和ε2,ref(t)分别是第一入射杆和第二入射杆的反射波；

34、步骤5.2、在有限元软件中建立双材料试样仿真模型，并将第一入射杆和第二入射杆端的位移随时间的变化曲线作为仿真模型的边界条件对仿真模型进行位移加载；

35、步骤5.3、数值仿真结果中输出胶层裂纹尖端节点的相对位移和节点力；

36、步骤5.4、通过数值仿真结果中输出胶层裂纹尖端节点的相对位移和节点力计算获得断裂韧性随时间的变化曲线，根据试验确定的动态断裂起始时间tf cpg和tf hsp确定双材料试样胶接界面的动态断裂韧性值。

37、在上述技术方案中，考虑动态加载下双材料试样受惯性效应的影响，采用实验-数值混合方法更加准确的获得双材料试样动态断裂韧性。

38、进一步地，在步骤5.4中，使用修正的虚拟裂纹闭合方法计算双材料试样胶接界面的动态i型断裂韧性值，计算公式为：

39、

40、其中，gⅰ为双材料试样胶接界面的动态i型断裂韧性值；fy1为i型断裂时，胶层裂纹尖端节点的节点力，δv3,4为i型断裂时，胶层裂纹尖端节点的相对位移，b为双材料试样的宽度；δa为双材料试样仿真模型划分网格的单元尺寸。

41、本发明的有益效果为：本发明中的双材料试样获得动态断裂韧性的实验方法，主要应用于测试两种不同的材料(包括金属与金属、复合材料与复合材料以及金属与复合材料等)采用胶接、一体固化或其他连接方式构成结构件的界面动态断裂韧性，以评估界面在断裂过程中能够吸收的能量和抵抗断裂扩展的能力。基于单轴双向电磁霍普金森拉杆加载系统，采用单轴双向同步加载的方式可以实现对双材料试样的同步张开，同时对双材料胶接而成的双材料试样进行基于弯曲刚度匹配方法的设计，以保证加载过程中双材料试样的等量弯曲变形，从而获得纯i型张开，并通过采用实验-数值仿真相结合的方法更加准确计算双材料试样胶接界面的断裂韧性值。