1.本发明涉及材料力学性能测试技术领域，具体涉及一种高速回转圆盘试样材料力学性能测试装置及试验方法。
背景技术：2.随着计算机技术的快速发展，数值模拟方法大量应用在工程结构的分析、设计及研究中。数值模拟结果的可信度依赖于结构几何建模、约束与载荷，以及材料性能参数三个方面的精准度。就材料力学性能参数而言，传统的依靠个别参数(如弹性模量、屈服强度、抗拉强度等)已不能满足数值模拟关于材料性能表征的需要，对更大应变范围和更加精确的材料力学应力应变关系有着迫切的需求。
3.现有材料力学性能试验方法主要有单轴拉伸、十字形试样双向拉伸、小冲孔、液压鼓胀试验等。目前最多采用的是单轴拉伸试验方法，拉伸试样通常经机加工制成，试样横截面可以为圆形、矩形、多边形、环形等(iso 6892-1:2019metallic materials-tensile testing-part1:method of test at room temperature；gb/t 228.1-2021金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法)。单轴拉伸试验方法的优点是试件简单，方法传统。不足主要是：1)所测得的应力和应变是一定意义上的平均值(引伸计标距范围或夹头距离范围)；2)总体处于单向应力状态，难以准确预测双向应力状态的力学行为；3)容易较早进入局部变形阶段，极限应变值小(通常不及双向拉伸试验的一半)，无法获得材料大应变范围的应力应变关系。
[0004]“十”字形试件双向拉伸试验适用于板材(gb/t 36024-2018金属材料薄板和薄带十字形试样双向拉伸试验方法；iso 16842:2021metallic materials-sheet and strip-biaxial tensile testing method using a cruciform test piece)，其试样简明直观，可直接反映双向受力状态。为了使破裂由枝部向中央转移，在试件中央工作区获得高度均匀的变形场，“十”字形试件在结构形式上进行各种优化尝试，主要有枝根圆角、中央减薄、枝部栅缝及其组合的优化结构。该试验方法从工作区获得的应力远远低于极限抗拉强度，在测量区获得的最大应变仅为应变极限的1/4(l.nasdala,a.h.husni.determination of yield surfaces in accordance with iso 16842using an optimized cruciform test specimen.experimental mechanics,2020,(60):815-832)
[0005]
小冲孔试验通常指的是小冲孔弯曲试验(manahan m p.the development of a miniaturized disk bend test for the determination of post-irradiation mechanical behavior.dissertation.massachusetts institute of technology,boston,1982；gb/t 29459.2-2012在役承压设备金属材料小冲杆试验方法第2部分：室温下拉伸性能的试验方法)。小冲孔试验方法的优点是：1)试样尺寸小(一般为3～10mm)；2)可现场在役取样。在建立材料应力应变关系等的研究中，其实验结果的准确性及其可重复性与传统的试验方法仍然存在较大的差距，数据关联处理工作远不完善。由于试样尺寸很小，冲头等的偏心会明显增加试样的刚度，降低实验的精度。
[0006]
液压鼓胀试验试件周边被固定夹持，侧向施加静压力，随着载荷增加，鼓胀变形加大，从而获得材料力学性能(iso 16808:2022metallic materials-sheet and strip-determination of biaxial stress-strain curve by means of bulge test with optical measuring systems)。这种试验方法的优点：1)试件准备十分简便；2)实验结果的可重复性好；3)局部变形处曲率的增加抑制了应力水平的进一步提高，使得局部大的变形被及时转移，从而使试件获得充分的变形；4)鼓胀试验能够考虑双向应力状态的力学行为。鼓胀试验的复杂性在于：1)试件胀形曲率因不同经向位置而异，且随变形不断变化；2)没有均匀的应力应变场，存在较大的应力应变梯度；3)壁厚非均匀减薄；4)承压时几何及变形的准确测量难度很大，安全原因使得接近变形极限时的测量几乎难以实现；5)卸压后测量，弹性回复会造成测量精度的降低；6)在不同的变形阶段，弹性回复的大小不同；7)内表面轮廓测量很难实现。
[0007]
综上所述，现有材料力学性能试验方法存在测试复杂、测量精度低、无法获得材料大应变范围的应力应变关系。
技术实现要素：[0008]
为了解决现有材料力学性能试验方法存在的测试复杂、测量精度低、无法获得材料大应变范围的应力应变关系的技术问题，本发明提供一种高速回转圆盘试样材料力学性能测试装置及试验方法。
[0009]
本发明采用的技术方案是：
[0010]
一种高速回转圆盘试样材料力学性能测试装置，包括试验台底座，安装在试验台底座上的变频调速电动机、试验护壳主箱体和试验护壳侧箱体，一端通过单个高速轴承可转动安装在试验护壳主箱体中的动力输入轴，一端通过两个高速轴承可转动安装在试验护壳侧箱体中的外端支承转轴，通过中央区分别与动力输入轴和外端支承转轴的另一端同轴固定联接的圆盘试样，输入端与变频调速电动机连接、输出端与动力输入轴连接的增速器，安装在试验护壳主箱体上用于测量圆盘试样外圆周径向位移的位移传感器，安装在试验护壳主箱体上用于测量圆盘试样转速的转速传感器，与位移传感器及转速传感器连接的数据采集系统，以及与数据采集系统连接的计算机；
[0011]
数据采集系统同步采集分别由位移传感器和转速传感器产生的模拟信号，并转化为数字信号传入计算机，通过计算机中的软件实施采集的控制以及数据的保存。
[0012]
进一步地，圆盘试样为轴对称结构，其盘面自外圆周向圆心依次划分有离心区、离心过渡区、主变形区、中央过渡区及中央区；所述中央区主要用于圆盘试样的悬中支承，所述主变形区主要用于产生径向变形，所述离心区主要用于产生离心力，所述离心过渡区主要用于连接离心区与主变形区，所述中央过渡区主要用于连接主变形区与中央区。
[0013]
进一步地，所述主变形区呈厚度均匀的圆环形，其厚度最薄且面积最大；所述离心区呈厚度均匀的圆环形，其厚度大于主变形区的厚度且与中央区的有效厚度为同数量级；所述离心过渡区的外圆厚度等于离心区的厚度，内圆厚度等于主变形区的厚度；所述中央过渡区的外圆厚度等于主变形区的厚度，内圆厚度等于中央区的有效厚度，所述有效厚度为中央区扣除连接段轴向长度后的最小厚度。
[0014]
进一步地，主变形区的面积为圆盘试样正投影面积的50％～65％，主变形区的面
积与离心区的面积的比值为(2.4～2.9)：1，主变形区的厚度与离心区的厚度的比值为1：(14～25)。
[0015]
进一步地，试验护壳侧箱体的外侧设有转轴外端盖，试验护壳主箱体的外侧设有动力转轴端盖。
[0016]
进一步地，圆盘试样与动力输入轴和外端支承转轴可拆卸式连接。
[0017]
上述任意一种高速回转圆盘试样材料力学性能测试装置的试验方法，包括以下步骤：
[0018]
7.1、通过控制变频调速电动机，使圆盘试样的转速从零缓慢增加至设定值，随着转速的不断上升，圆盘试样的径向位移随之增加，并在圆盘试样的外圆周处径向位移达到最大；在此过程中，位移传感器测量圆盘试样外圆周的径向位移，转速传感器测量圆盘试样的转速；
[0019]
7.2、数据采集系统同步采集分别由位移传感器和转速传感器产生的模拟信号，并转化为数字信号传入计算机，通过计算机中的软件实施采集的控制以及数据的保存。
[0020]
基于上述试验方法的材料应力应变关系获得方法，包括以下步骤：
[0021]
8.1、对由圆盘试样、动力输入轴和外端支承转轴组成的单转子轴系进行临界转速分析与评估，制定升速方案；
[0022]
8.2、制备圆盘试样，并对圆盘试样的几何尺寸进行精细测量；
[0023]
8.3、将制备好的圆盘试样装配到试验台上，进行径向位移与转速关系的初步测量，获得径向位移-转速曲线，即u
*r-n实验关系曲线；
[0024]
8.4、依据所得径向位移-转速曲线特征选择应力应变关系数学模型及初始参数；
[0025]
8.5、以圆盘试样的真实几何参数建模，对圆盘试样进行有限元分析，获得试样外圆周径向位移-转速关系模拟结果，即u
r-n模拟关系曲线；
[0026]
8.6、将u
r-n模拟关系曲线与u
*r-n试验关系曲线进行比较，观察是否符合比较判据，如果超过允差ε，则根据比较情况修正应力应变关系数学模型及初始参数，重新进行圆盘试样的有限元分析，使得u
r-n模拟关系曲线不断逼近u
*r-n试验关系曲线，直至满足比较判据，此时的应力应变关系即为准真实的应力应变关系；
[0027]
其中，ur表示试样外圆周处的径向位移模拟值，n表示试样回转的转速，u
*r
代表试样外圆周处的径向位移实测值，ε为设定的允差。
[0028]
本发明的有益效果：
[0029]
(1)本发明通过圆盘试样在高速旋转时，在旋转惯性力的作用下，材料质点产生径向位移，圆盘直径变大，厚度变薄，圆盘径向位移的大小与圆盘几何形状尺寸、转速及圆盘材质有关，以此原理形成材料力学性能试验方法并构建试验装置，从而使得圆盘试样从初始变形至塑性变形，最大径向位移位置始终稳定为圆盘试样的外周边，便于测量的准确定位，易于实现从初始变形至接近拉伸失稳的变形全过程测量，进而使得测量应变范围接近了全范围，且测量结果更精确。
[0030]
(2)本发明的圆盘试样为轴对称结构，其加工制造容易，在常温试验时，只需测量径向位移和转速，不需要复杂的测量夹持装置，从而使得试验装置的结构大为简化。
[0031]
(3)本发明的圆盘试样设有主变形区和离心区，以保证在一定的转速限度(如40000r/min)内，产生足够大的变形，可达到接近于全应变范围的应力应变关系测量。
[0032]
(4)本发明采用圆盘试样的几何测量数据建模，使得数值模拟结果更接近于实验结果。
附图说明
[0033]
图1是本发明的高速回转圆盘试样材料力学性能测试装置结构示意图。
[0034]
图2是本发明的圆盘试样的结构示意图。
[0035]
图3是本发明的材料应力应变关系获得方法的流程框图。
[0036]
图中：1、变频调速电动机，2、试验台底座，3、增速器，4、动力转轴端盖，5、动力输入轴，6、圆盘试样，6-1、离心区，6-2、离心过渡区，6-3、主变形区，6-4、中央过渡区，6-5、中央区，7、试验护壳侧箱体，8、高速轴承，9、外端支承转轴，10、转轴外端盖，11、试验护壳主箱体，12、位移传感器，13、转速传感器，14、数据采集系统，15、计算机。
具体实施方式
[0037]
下面结合具体实例对本发明作进一步说明，以便于对本发明的理解，但并不因此而限制本发明。
[0038]
实施例1
[0039]
参阅图1和图2，本实施例提供一种高速回转圆盘试样材料力学性能测试装置，包括变频调速电动机1、试验台底座2、增速器3、动力转轴端盖4、动力输入轴5、圆盘试样6、试验护壳侧箱体7、高速轴承8、外端支承转轴9、转轴外端盖10、试验护壳主箱体11、位移传感器12、转速传感器13、数据采集系统14、计算机15。
[0040]
圆盘试样6的中央区6-5分别与动力输入轴5和外端支承转轴9联接，形成单转子轴系。动力输入轴5通过其轴颈与单个高速轴承8形成配合，置于试验护壳主箱体11中，为外伸梁结构。外端支承转轴9通过其轴颈与两个高速轴承8形成配合，置于试验护壳侧箱体7中，为悬臂梁结构。动力输入轴5、外端支承转轴9与圆盘试样6的中央区6-5的联接结构设计为快速可拆卸式联接方式，如在圆盘试样6的中央区6-5的两端分别设置与动力输入轴5和外端支承转轴9适配的榫槽联接或孔销联接。
[0041]
圆盘试样6为轴对称结构，其盘面自外圆周向圆心依次划分有离心区6-1、离心过渡区6-2、主变形区6-3、中央过渡区6-4及中央区6-5。中央区6-5由圆盘本体中心部向两侧突出形成，其扣除联接段后的厚度与离心区6-1的厚度同数量级。离心区6-1呈等厚度的圆环形，其面积为圆盘试样6正投影面积的16％～22％，其厚度与主变形区6-3厚度的比值为(14～25)：1；主变形区6-3呈等厚度的圆环形，其面积为圆盘试样6正投影面积的50％～65％。离心过渡区6-2呈厚度沿径向方向连续变化的圆环形，其外圆厚度等于离心区6-1的厚度，内圆厚度等于主变形区6-3的厚度；中央过渡区6-4呈厚度沿径向方向连续变化的圆环形，其外圆厚度等于主变形区6-3的厚度，其内圆厚度等于中央区6-5的有效厚度，所述有效厚度即为中央区6-5在扣除连接段轴向长度后的最小厚度。
[0042]
主变形区6-3的面积最大且厚度最薄，其主要用于产生径向变形，离心区6-1主要用于产生离心力，离心过渡区6-2主要用于过渡连接离心区6-1与主变形区6-3，中央过渡区6-4主要用于连接主变形区6-3与中央区6-5。离心过渡区6-2和中央过渡区6-4的设置防止在试验过程中主变形区6-3在还没有达到最大应变时发生撕裂。
[0043]
位移传感器12为非接触式，共三个组合使用，分别置于试验护壳主箱体11的顶部、前部和后部，测量圆盘试样6外圆周的线位移，三个位移传感器的量程相互连续并有一定范围的重叠，测量前经调试与校正，总测量范围从3μm到10mm。转速传感器13置于试验护壳主箱体11的侧板。圆盘试样6的转动驱动来源于变频调速电动机1以及与其直联的增速器3，整个试验装置安放在试验台底座2上。
[0044]
本发明的工作原理是：圆盘试样6在高速旋转时，在惯性力的作用下，材料质点产生径向位移，圆盘直径变大，厚度变薄；径向位移的大小与圆盘几何形状与尺寸、转速及转盘材质有关，在试样变形过程中，需满足几何关系(形状及几何尺寸)、物理关系(材料应力-应变)、静力平衡关系(约束及旋转惯性力载荷)，以此原理形成材料力学性能试验方法并构建试验装置。
[0045]
实施例2
[0046]
本实施例提供一种如实施例1所述高速回转圆盘试样材料力学性能测试装置的试验方法，包括以下步骤：
[0047]
2.1、试验时，通过控制变频调速电动机1，使圆盘试样6转速从零缓慢增加至设定值，随着转速的不断上升，圆盘试样6的径向位移随之增加，在圆盘试样6的外圆周处径向位移达到最大；在此过程中，位移传感器12测量圆盘试样6外圆周的径向位移，转速传感器13测量圆盘试样6的转速；
[0048]
2.2、数据采集系统14同步采集分别由位移传感器12和转速传感器13产生的模拟信号，并转化为数字信号传入计算机15，通过计算机15中的软件实施采集的控制以及数据的保存。
[0049]
实施例3
[0050]
参阅图3，本实施例提供一种基于实施例2所述试验方法的材料应力应变关系获得方法，包括以下步骤：
[0051]
21、对由圆盘试样(6)、动力输入轴(5)和外端支承转轴(9)组成的单转子回转轴系进行临界转速分析与评估，制定升速方案；
[0052]
22、制备圆盘试样(6)，并对圆盘试样(6)的几何尺寸进行精细测量；
[0053]
23、将制备好的圆盘试样(6)装配到试验台上，进行径向位移与转速关系的初步测量，获得径向位移-转速曲线，即u
*r-n实验关系曲线；
[0054]
24、依据所得径向位移-转速曲线特征选择应力应变关系数学模型及初始参数；
[0055]
26、以圆盘试样(6)的真实几何参数建模，对圆盘试样(6)进行有限元分析，获得试样外圆周径向位移-转速关系模拟结果，即u
r-n模拟关系曲线；
[0056]
28、将u
r-n模拟关系曲线26与u
*r-n试验关系曲线27进行比较，观察是否符合比较判据，如果超过允差ε，则根据比较情况修正应力应变关系数学模型及初始参数25，重新进行圆盘试样(6)的有限元分析，使得u
r-n模拟关系曲线不断逼近u
*r-n试验关系曲线，直至满足比较判据，此时的应力应变关系即为准真实的应力应变关系29；
[0057]
其中，ur表示试样外圆周处的径向位移模拟值，n表示试样回转的转速，u
*r
代表试样外圆周处的径向位移实测值，ε为设定的允差。
[0058]
本发明利用圆盘试样在旋转变形过程中共同遵循变形几何关系、材料本构关系以及静力平衡关系的原理，结合有限元分析方法，采用易于测量的圆盘试样外周径向位移这
一特征参量，以试验值与模拟值的比较逐步逼近真实的材料应力应变关系，获得准真实的材料应力应变关系。
[0059]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。
技术特征：1.一种高速回转圆盘试样材料力学性能测试装置，其特征在于，包括试验台底座(2)，安装在试验台底座(2)上的变频调速电动机(1)、试验护壳主箱体(11)和试验护壳侧箱体(7)，一端通过单个高速轴承(8)可转动安装在试验护壳主箱体(11)中的动力输入轴(5)，一端通过两个高速轴承(8)可转动安装在试验护壳侧箱体(7)中的外端支承转轴(9)，通过中央区(6-5)分别与动力输入轴(5)和外端支承转轴(9)的另一端同轴固定联接的圆盘试样(6)，输入端与变频调速电动机(1)连接、输出端与动力输入轴(5)连接的增速器(3)，安装在试验护壳主箱体(11)上用于测量圆盘试样(6)外圆周径向位移的位移传感器(12)，安装在试验护壳主箱体(11)上用于测量圆盘试样(6)转速的转速传感器(13)，与位移传感器(12)及转速传感器(13)连接的数据采集系统(14)，以及与数据采集系统(14)连接的计算机(15)；数据采集系统(14)同步采集分别由位移传感器(12)和转速传感器(13)产生的模拟信号，并转化为数字信号传入计算机(15)，通过计算机(15)中的软件实施采集的控制以及数据的保存。2.根据权利要求1所述的一种高速回转圆盘试样材料力学性能测试装置，其特征在于，圆盘试样(6)为轴对称结构，其盘面自外圆周向圆心依次划分有离心区(6-1)、离心过渡区(6-2)、主变形区(6-3)、中央过渡区(6-4)及中央区(6-5)；所述中央区(6-5)主要用于圆盘试样(6)的悬中支承，所述主变形区(6-3)主要用于产生径向变形，所述离心区(6-1)主要用于产生离心力，所述离心过渡区(6-2)主要用于连接离心区(6-1)与主变形区(6-3)，所述中央过渡区(6-4)主要用于连接主变形区(6-3)与中央区(6-5)。3.根据权利要求2所述的一种高速回转圆盘试样材料力学性能测试装置，其特征在于，所述主变形区(6-3)呈厚度均匀的圆环形，其厚度最薄且面积最大；所述离心区(6-1)呈厚度均匀的圆环形，其厚度大于主变形区(6-3)的厚度且与中央区(6-5)的有效厚度为同数量级；所述离心过渡区(6-2)的外圆厚度等于离心区(6-1)的厚度，内圆厚度等于主变形区(6-3)的厚度；所述中央过渡区(6-4)的外圆厚度等于主变形区(6-3)的厚度，内圆厚度等于中央区(6-5)的有效厚度，所述有效厚度为中央区(6-5)扣除连接段轴向长度后的最小厚度。4.根据权利要求3所述的一种高速回转圆盘试样材料力学性能测试装置，其特征在于，主变形区(6-3)的面积为圆盘试样(6)正投影面积的50％～65％，主变形区(6-3)的面积与离心区(6-1)的面积的比值为(2.4～2.9)：1，主变形区(6-3)的厚度与离心区(6-1)的厚度的比值为1：(14～25)。5.根据权利要求1所述的一种高速回转圆盘试样材料力学性能测试装置，其特征在于，试验护壳侧箱体(7)的外侧设有转轴外端盖(10)，试验护壳主箱体(11)的外侧设有动力转轴端盖(4)。6.根据权利要求1所述的一种高速回转圆盘试样材料力学性能测试装置，其特征在于，圆盘试样(6)与动力输入轴(5)和外端支承转轴(9)可拆卸式连接。7.权利要求1～6任意一项所述的一种高速回转圆盘试样材料力学性能测试装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：7.1、通过控制变频调速电动机(1)，使圆盘试样(6)的转速从零缓慢增加至设定值，随着转速的不断上升，圆盘试样(6)的径向位移随之增加，并在圆盘试样(6)的外圆周处径向位移达到最大；在此过程中，位移传感器(12)测量圆盘试样(6)外圆周的径向位移，转速传
感器(13)测量圆盘试样(6)的转速；7.2、数据采集系统(14)同步采集分别由位移传感器(12)和转速传感器(13)产生的模拟信号，并转化为数字信号传入计算机(15)，通过计算机(15)中的软件实施采集的控制以及数据的保存。8.基于权利要求7所述试验方法的材料应力应变关系获得方法，其特征在于，包括以下步骤：8.1、对由圆盘试样(6)、动力输入轴(5)和外端支承转轴(9)组成的单转子轴系进行临界转速分析与评估，制定升速方案；8.2、制备圆盘试样(6)，并对圆盘试样(6)的几何尺寸进行精细测量；8.3、将制备好的圆盘试样(6)装配到试验台上，进行径向位移与转速关系的初步测量，获得径向位移-转速曲线，即u
*r-n实验关系曲线；8.4、依据所得径向位移-转速曲线特征选择应力应变关系数学模型及初始参数；8.5、以圆盘试样(6)的真实几何参数建模，对圆盘试样(6)进行有限元分析，获得试样外圆周径向位移-转速关系模拟结果，即u
r-n模拟关系曲线；8.6、将u
r-n模拟关系曲线与u
*r-n试验关系曲线进行比较，观察是否符合比较判据，如果超过允差ε，则根据比较情况修正应力应变关系数学模型及初始参数，重新进行圆盘试样(6)的有限元分析，使得u
r-n模拟关系曲线不断逼近u
*r-n试验关系曲线，直至满足比较判据，此时的应力应变关系即为准真实的应力应变关系；其中，u
r
表示试样外圆周处的径向位移模拟值，n表示试样回转的转速，u
*r
代表试样外圆周处的径向位移实测值，ε为设定的允差。
技术总结本发明公开了一种高速回转圆盘试样材料力学性能测试装置及试验方法，利用高速回转的圆盘式样在旋转惯性力的作用下，材料质点产生径向位移，径向位移的大小与转盘几何形状与尺寸、转速及转盘材质有关，以此原理形成材料力学性能试验方法并构建试验装置。该装置可以实现圆盘试样从初始变形至接近拉伸失稳的变形全过程的精确测量。基于所述实验方法，本发明还提供一种材料应力应变关系获得方法，通过将计算机模拟的U
技术研发人员：高光藩
受保护的技术使用者：常州大学
技术研发日：2022.07.07
技术公布日：2022/11/1
