工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 金属薄板面内压剪变形的损伤断裂行为 钱凌云马腾云安鹂纪婉婷孙朝阳 Damage and fracture behavior of a metal sheet under in-plane compression-shear deformation QIAN Ling-yun,MA Teng-yun.AN Peng.JI Wan-ting.SUN Chao-yang 引用本文： 钱凌云，马腾云，安鹏，纪婉婷，孙朝阳.金属薄板面内压剪变形的损伤断裂行为.工程科学学报，2021,43(2)：263-272.doi: 10.13374j.issn2095-9389.2020.09.23.002 QIAN Ling-yun,MA Teng-yun,AN Peng,JI Wan-ting,SUN Chao-yang.Damage and fracture behavior of a metal sheet under in- plane compressionshear deformation[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(2):263-272.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2020.09.23.002 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2020.09.23.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 不同应力状态下孔隙结构特征对土-水特征曲线的影响 Influence of pore structure characteristics on soil-water characteristic curves under different stress states 工程科学学报.2017,39(1)：147 https:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2017.01.019 一个基于孔洞演化机制的韧性断裂预测模型 A micromechanically motivated uncoupled model for ductile fracture prediction 工程科学学报.2017,394)：557htps:doi.org10.13374j.issn2095-9389.2017.04.011 初始损伤对混凝土硫酸盐腐蚀劣化性能的影响 Influence of initial damage on degradation and deterioration of concrete under sulfate attack 工程科学学报.2017,398：1278 https:/1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2017.08.019 高锰钢高速冲击时剪切区TRP行为的准原位分析 Quasi-in-situ analysis of TRIP behaviors in shear zones of high-manganese steel specimen under dynamic compression 工程科学学报.2018,40(6)：703 https::/1oi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.06.008 锈蚀植筋下新老混凝土黏结面压剪试验研究 Experimental research on load-shear performance of interface between new and old concrete with corroded planting bar 工程科学学报.2018,40(1：23 https:/ldoi.org/10.13374j.issn2095-9389.2018.01.004 高渗透压和不对称围压作用下深竖井围岩损伤破裂机理 Mechanism of country rock damage and failure in deep shaft excavation under high pore pressure and asymmetric geostress 工程科学学报.2020,42(6)：715htps:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.11.05.004
金属薄板面内压剪变形的损伤断裂行为 钱凌云 马腾云 安鹏 纪婉婷 孙朝阳 Damage and fracture behavior of a metal sheet under in-plane compression–shear deformation QIAN Ling-yun, MA Teng-yun, AN Peng, JI Wan-ting, SUN Chao-yang 引用本文: 钱凌云, 马腾云, 安鹏, 纪婉婷, 孙朝阳. 金属薄板面内压剪变形的损伤断裂行为[J]. 工程科学学报, 2021, 43(2): 263-272. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.23.002 QIAN Ling-yun, MA Teng-yun, AN Peng, JI Wan-ting, SUN Chao-yang. Damage and fracture behavior of a metal sheet under inplane compressionshear deformation[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(2): 263-272. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2020.09.23.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.23.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 不同应力状态下孔隙结构特征对土-水特征曲线的影响 Influence of pore structure characteristics on soil-water characteristic curves under different stress states 工程科学学报. 2017, 39(1): 147 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.019 一个基于孔洞演化机制的韧性断裂预测模型 A micromechanically motivated uncoupled model for ductile fracture prediction 工程科学学报. 2017, 39(4): 557 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.04.011 初始损伤对混凝土硫酸盐腐蚀劣化性能的影响 Influence of initial damage on degradation and deterioration of concrete under sulfate attack 工程科学学报. 2017, 39(8): 1278 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.08.019 高锰钢高速冲击时剪切区TRIP行为的准原位分析 Quasi-in-situ analysis of TRIP behaviors in shear zones of high-manganese steel specimen under dynamic compression 工程科学学报. 2018, 40(6): 703 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.008 锈蚀植筋下新老混凝土黏结面压剪试验研究 Experimental research on load-shear performance of interface between new and old concrete with corroded planting bar 工程科学学报. 2018, 40(1): 23 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.01.004 高渗透压和不对称围压作用下深竖井围岩损伤破裂机理 Mechanism of country rock damage and failure in deep shaft excavation under high pore pressure and asymmetric geostress 工程科学学报. 2020, 42(6): 715 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.05.004
工程科学学报.第43卷，第2期：263-272.2021年2月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.2:263-272,February 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.23.002;http://cje.ustb.edu.cn 金属薄板面内压剪变形的损伤断裂行为 钱凌云2)区，马腾云12)，安鹏2)，纪婉婷，2)，孙朝阳12) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)金属轻量化成形制造北京市重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:gianly@ustb.edu.cn 摘要相变诱导塑性钢(TRansformation induced plasticity,.TRIP)作为常用的先进高强钢在汽车等交通工具的轻量化方面有 广泛的应用前景.而对于其复杂零件的成形过程，韧性断裂是不可忽视的问题之一.本文针对现有实验装置不易诱发薄板承 受面内压剪时断裂失效，从而无法研究板料负应力三轴度区间断裂行为的问题，以高强钢TRP8O0薄板为研究对象，设计了 可在单向试验机完成压剪实验的试样和夹具.通过调整夹具旋转角度和试样装夹位置可以实现同一种试样在广泛的负应力 三轴度范围内进行压剪断裂分析.基于ABAQUS/Explicit平台建立了三个典型加载方向20°、30°和45°对应的压剪过程有限 元模型，分析表明：三种情况的试样局部变形区域的应力三轴度都小于0且断裂点的应力三轴度低至-0.485，验证了设计的 装置可实现负应力三轴度区间的断裂失效分析，同时基于MMC断裂准则分析了不同应力状态的初始损伤情况及损伤扩展 路径 关键词TRP800:面内压剪：应力三轴度：应力状态：损伤演变 分类号TG30 Damage and fracture behavior of a metal sheet under in-plane compression-shear deformation QIAN Ling-yun2 MA Teng-yun2),AN Peng2).JI Wan-ting2).SUN Chao-yang2 1)School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Key Laboratory of Lightweight Metal Forming,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:qianly @ustb.edu.cn ABSTRACT Increasing demands for lightweight manufacturing accelerate the application of lightweight materials in the transportation,aviation,and power industries.High-strength steel is a popular candidate among various lightweight materials. Transformation-induced plasticity (TRIP)steel,a high-strength,lightweight steel,is promising for forming processes owing to its high strength and toughness.However,the increase in the flow strength of metals will create big challenges for material formability and fracture issues for manufacturing processes.Ductile fracture is still the main failure form during the forming process of TRIP steel.Sheet metal is subject to complex stress states when it undergoes diverse loading paths.Failure modes in metal forming can be mainly classified into the following:tensile,compression,shear,tensile-shear,and compression-shear.Because the metal sheet is prone to buckling failure when it undergoes in-plane compression-shear deformation,it is difficult to induce fracture during the corresponding negative stress triaxiality range.To solve this issue,a novel experimental setup and a specimen were designed to analyze fracture behaviors of an advanced high-strength steel TRIP800 sheet.For the same specimen,the failure behaviors of diverse stress states could be achieved by adjusting the angles between the loading direction and specimen positions.The parallel numerical simulations of in-plane 收稿日期：2020-09-23 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51805023)：北京市自然科学基金资助项目(3184056)：中央高校基础科研业务费资助项目(FRF- TP20-009A2):中南大学高性能复杂制造国家重点实验室开放基金资助项目(Kkt2017-03)
金属薄板面内压剪变形的损伤断裂行为 钱凌云1,2) 苣，马腾云1,2)，安 鹏1,2)，纪婉婷1,2)，孙朝阳1,2) 1) 北京科技大学机械工程学院，北京 100083 2) 金属轻量化成形制造北京市重点实验室，北京 100083 苣通信作者，E-mail：qianly@ustb.edu.cn 摘 要 相变诱导塑性钢（TRansformation induced plasticity, TRIP）作为常用的先进高强钢在汽车等交通工具的轻量化方面有 广泛的应用前景. 而对于其复杂零件的成形过程，韧性断裂是不可忽视的问题之一. 本文针对现有实验装置不易诱发薄板承 受面内压剪时断裂失效，从而无法研究板料负应力三轴度区间断裂行为的问题，以高强钢 TRIP800 薄板为研究对象，设计了 可在单向试验机完成压剪实验的试样和夹具. 通过调整夹具旋转角度和试样装夹位置可以实现同一种试样在广泛的负应力 三轴度范围内进行压剪断裂分析. 基于 ABAQUS/Explicit 平台建立了三个典型加载方向 20°、30°和 45°对应的压剪过程有限 元模型，分析表明：三种情况的试样局部变形区域的应力三轴度都小于 0 且断裂点的应力三轴度低至−0.485，验证了设计的 装置可实现负应力三轴度区间的断裂失效分析，同时基于 MMC 断裂准则分析了不同应力状态的初始损伤情况及损伤扩展 路径. 关键词 TRIP800；面内压剪；应力三轴度；应力状态；损伤演变 分类号 TG30 Damage and fracture behavior of a metal sheet under in-plane compression –shear deformation QIAN Ling-yun1,2) 苣 ，MA Teng-yun1,2) ，AN Peng1,2) ，JI Wan-ting1,2) ，SUN Chao-yang1,2) 1) School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Beijing Key Laboratory of Lightweight Metal Forming, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: qianly@ustb.edu.cn ABSTRACT Increasing demands for lightweight manufacturing accelerate the application of lightweight materials in the transportation, aviation, and power industries. High-strength steel is a popular candidate among various lightweight materials. Transformation-induced plasticity (TRIP) steel, a high-strength, lightweight steel, is promising for forming processes owing to its high strength and toughness. However, the increase in the flow strength of metals will create big challenges for material formability and fracture issues for manufacturing processes. Ductile fracture is still the main failure form during the forming process of TRIP steel. Sheet metal is subject to complex stress states when it undergoes diverse loading paths. Failure modes in metal forming can be mainly classified into the following: tensile, compression, shear, tensile –shear, and compression –shear. Because the metal sheet is prone to buckling failure when it undergoes in-plane compression–shear deformation, it is difficult to induce fracture during the corresponding negative stress triaxiality range. To solve this issue, a novel experimental setup and a specimen were designed to analyze fracture behaviors of an advanced high-strength steel TRIP800 sheet. For the same specimen, the failure behaviors of diverse stress states could be achieved by adjusting the angles between the loading direction and specimen positions. The parallel numerical simulations of in-plane 收稿日期: 2020−09−23 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51805023）；北京市自然科学基金资助项目（3184056）；中央高校基础科研业务费资助项目（FRFTP-20-009A2）；中南大学高性能复杂制造国家重点实验室开放基金资助项目（Kfkt2017-03） 工程科学学报，第 43 卷，第 2 期：263−272，2021 年 2 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 2: 263−272, February 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.23.002; http://cje.ustb.edu.cn
264 工程科学学报，第43卷，第2期 compression-shear deformations under three typical loading angles of 20,30,and 45 were performed on the ABAQUS/Explicit platform.The predicted stress triaxiality in the local deformation region of the three cases was less than zero,and the lowest was up to 0.485,which verifies that the fracture failure analysis of negative stress triaxiality range could be realized with the designed device.In addition,the fracture onset information and damage evolution were analyzed based on the modified Mohr-Coulomb (MMC)fracture criterion.Furthermore,the fracture strain at the fracture point decreased with the decrease in stress triaxiality when the stress triaxiality was less than-1/3. KEY WORDS TRIP800;in-plane compression-shear;stress triaxiality:stress state;damage evolution 汽车交通行业近年来对降低能耗和提高安全 带来的面内翻转和扭曲趋势，且试样夹持工装受 性能的需求日益增强，汽车轻量化成为研究热点， 力不均匀.Brunig等提出了采用双轴拉压机对 其中高强钢作为轻量化材料得到广泛关注.TRIP钢 新优化的十字形试样进行实验.在实验过程中，试 作为高强钢兼具较高的强度和韧性，可以在不影 件需要同时承受在垂直和水平方向上的加载变形 响使用性能的前提下减轻构件壁厚，适用于复杂 通过调节垂直和水平方向上载荷比值实现具有不 构件的轻量化制造-习然而，在成形复杂构件时， 同应力三轴度的各种组合剪切压缩变形状态 高强钢板料在变形过程中会承受复杂的应力状态， Gerke等在同一双轴拉压设备进行新型试样的 且它比普通用钢更易发生断裂)金属板料在承 拉压实验.然而，双轴拉压实验需要在能双向加载 受面内拉伸或者剪切变形时易发生断裂，目前已 的试验机上进行，因此对实验设备的要求较严苛 有较多的研究针对此正应力三轴度区间的断裂行 徐芹所等20提出了一种设计切槽角结构来控制试 为进行深入分析61.并且大多数的断裂准则也只 样变形区在成形过程中处于正、负应力三轴度状 限于这一区间准确的断裂预测9山.金属薄板在承 态的金属板料双向压缩剪切试验方法，但是其实 受面内压剪载荷时易出现起皱和弯曲失稳等问 验方案针对的是厚板试样，且需要加工不同切槽 题，诱发断裂失效存在一定的难度，因此对于此 角度的试样来实现不同应力状态的断裂分析 负应力三轴度区间的断裂失效分析仍研究较少. 本研究以高强钢TIRP800薄板为研究对象，基 目前对于金属压缩应力状态的断裂失效研究 于单向液压机平台，设计了一种新型的诱发金属 多数仍采用块体状试样为主.Lou等设计了不 薄板在不同面内压缩和剪切复合应力状态发生断 同长宽比的矩形块压缩试样来进行压缩实验，包 裂失效的试验装置.建立三种加载角度的压剪过 含了平面应变压缩试样和单向压缩试样，实验结 程的有限元模型，分析了局部变形区域的应力三 果表明，发生韧性断裂的应力三轴度的截止值小 轴度状态，验证了设计的实验方案的可行性.同 于-13.Kubik等4设计了具有球形凹口的圆柱形 时，基于MMC断裂准则分析了薄板在负应力三轴 试样进行压缩实验，实验结果表明在压缩过程中 度区间的损伤演变规律 裂纹萌生轨迹上可达到低于-1/3的平均应力三轴 度.板材压缩的失稳为实验探索造成了困难，对于 1金属板料的应力状态表征 金属板材来说，受到面内方向的压缩或剪切载荷 金属的韧性断裂一般是指金属材料经过剧烈 时，板材在没有任何辅助装置或特殊设计的情况 塑性变形后，损伤不断累积到达一定程度后发生 下压缩，极易发生板材的面外翘曲或起皱失稳等 的宏观断裂（裂纹尺寸约0.1mm以上）.它不仅和 缺陷，尤其是对于薄板而言，这种趋势更加明显吲 材料自身的属性相关，而且受变形过程的应力状 黄光胜等设计了一种薄板材料压缩辅助工具及 态的影响.研究表明，应力状态不同，对应的材料 使用方法，试样放置于两夹板之间，夹板间设有用 断裂失效的机理也不相同1-四本文采用应力三 于挤压测试样品的压头，通过压头挤压测试样品 轴度表征材料的应力状态 完成实验.辅助工具的设计方案避免了传统板材 应力三轴度的定义如下： 压缩试验弯曲失稳，但这种方案制作方式十分复 m (1) 杂，板材的变形过程也无法观察到.Mohr和Henn!7 炉行 设计了一种单剪切面的压剪试验装置及试样，通 式中，gm为静水压力，d为von Mises等效应力. 过设计凹凸型试样和加载方向来获得主要变形区 单向拉伸、纯剪切和单向压缩三种典型应力 的压剪应力状态，但其成形过程中存在着侧向力 状态的应力三轴度分别为1/3,0和-1/3.当应力三
compression –shear deformations under three typical loading angles of 20°, 30°, and 45° were performed on the ABAQUS/Explicit platform. The predicted stress triaxiality in the local deformation region of the three cases was less than zero, and the lowest was up to −0.485, which verifies that the fracture failure analysis of negative stress triaxiality range could be realized with the designed device. In addition, the fracture onset information and damage evolution were analyzed based on the modified Mohr –Coulomb (MMC) fracture criterion. Furthermore, the fracture strain at the fracture point decreased with the decrease in stress triaxiality when the stress triaxiality was less than −1/3. KEY WORDS TRIP800；in-plane compression–shear；stress triaxiality；stress state；damage evolution 汽车交通行业近年来对降低能耗和提高安全 性能的需求日益增强，汽车轻量化成为研究热点， 其中高强钢作为轻量化材料得到广泛关注. TRIP 钢 作为高强钢兼具较高的强度和韧性，可以在不影 响使用性能的前提下减轻构件壁厚，适用于复杂 构件的轻量化制造[1−2] . 然而，在成形复杂构件时， 高强钢板料在变形过程中会承受复杂的应力状态， 且它比普通用钢更易发生断裂[3−5] . 金属板料在承 受面内拉伸或者剪切变形时易发生断裂，目前已 有较多的研究针对此正应力三轴度区间的断裂行 为进行深入分析[6−8] ，并且大多数的断裂准则也只 限于这一区间准确的断裂预测[9−11] . 金属薄板在承 受面内压剪载荷时易出现起皱和弯曲失稳等问 题，诱发断裂失效存在一定的难度[12] ，因此对于此 负应力三轴度区间的断裂失效分析仍研究较少. 目前对于金属压缩应力状态的断裂失效研究 多数仍采用块体状试样为主. Lou 等[13] 设计了不 同长宽比的矩形块压缩试样来进行压缩实验，包 含了平面应变压缩试样和单向压缩试样，实验结 果表明，发生韧性断裂的应力三轴度的截止值小 于−1/3. Kubík 等[14] 设计了具有球形凹口的圆柱形 试样进行压缩实验，实验结果表明在压缩过程中 裂纹萌生轨迹上可达到低于−1/3 的平均应力三轴 度. 板材压缩的失稳为实验探索造成了困难，对于 金属板材来说，受到面内方向的压缩或剪切载荷 时，板材在没有任何辅助装置或特殊设计的情况 下压缩，极易发生板材的面外翘曲或起皱失稳等 缺陷，尤其是对于薄板而言，这种趋势更加明显[15] . 黄光胜等[16] 设计了一种薄板材料压缩辅助工具及 使用方法，试样放置于两夹板之间，夹板间设有用 于挤压测试样品的压头，通过压头挤压测试样品 完成实验. 辅助工具的设计方案避免了传统板材 压缩试验弯曲失稳，但这种方案制作方式十分复 杂，板材的变形过程也无法观察到. Mohr 和 Henn[17] 设计了一种单剪切面的压剪试验装置及试样，通 过设计凹凸型试样和加载方向来获得主要变形区 的压剪应力状态，但其成形过程中存在着侧向力 带来的面内翻转和扭曲趋势，且试样夹持工装受 力不均匀. Brünig 等[18] 提出了采用双轴拉压机对 新优化的十字形试样进行实验. 在实验过程中，试 件需要同时承受在垂直和水平方向上的加载变形. 通过调节垂直和水平方向上载荷比值实现具有不 同应力三轴度的各种组合剪切压缩变形状态. Gerke 等[19] 在同一双轴拉压设备进行新型试样的 拉压实验. 然而，双轴拉压实验需要在能双向加载 的试验机上进行，因此对实验设备的要求较严苛. 徐芹所等[20] 提出了一种设计切槽角结构来控制试 样变形区在成形过程中处于正、负应力三轴度状 态的金属板料双向压缩剪切试验方法，但是其实 验方案针对的是厚板试样，且需要加工不同切槽 角度的试样来实现不同应力状态的断裂分析. 本研究以高强钢 TIRP800 薄板为研究对象，基 于单向液压机平台，设计了一种新型的诱发金属 薄板在不同面内压缩和剪切复合应力状态发生断 裂失效的试验装置. 建立三种加载角度的压剪过 程的有限元模型，分析了局部变形区域的应力三 轴度状态，验证了设计的实验方案的可行性. 同 时，基于 MMC 断裂准则分析了薄板在负应力三轴 度区间的损伤演变规律. 1 金属板料的应力状态表征 金属的韧性断裂一般是指金属材料经过剧烈 塑性变形后，损伤不断累积到达一定程度后发生 的宏观断裂（裂纹尺寸约 0.1 mm 以上）. 它不仅和 材料自身的属性相关，而且受变形过程的应力状 态的影响. 研究表明，应力状态不同，对应的材料 断裂失效的机理也不相同[21−22] . 本文采用应力三 轴度表征材料的应力状态. 应力三轴度的定义如下： η= σm σ¯ （1） 式中，σm为静水压力，σ¯ 为 von Mises 等效应力. 单向拉伸、纯剪切和单向压缩三种典型应力 状态的应力三轴度分别为 1/3，0 和−1/3. 当应力三 · 264 · 工程科学学报，第 43 卷，第 2 期
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 ·
266 工程科学学报，第43卷，第2期 固定板为带有螺栓孔的长方形板材，通过螺 夹板半圆部一端的端部设置有第一配合槽，为试 栓配合将整个实验装置固定在单向试验机上.支 样的运动预留一定的行程，在支撑板一侧设置有 撑板为一侧设有凹槽的长方形板材，支撑板的一 第二配合槽，为夹具的运动预留一定的行程.单向 侧与固定板固接.滑块夹板具体形状为十字形与 试验机的全部预压行程宽度由试样变形区宽度和 半圆形复合形状板材，压片为带有螺栓孔的长方 两个配合槽预留行程宽度共同决定 形板材.压片上的螺栓孔、试样上的螺栓孔和滑 2.4夹具安全性验证 块上的螺栓孔相互配合并通过螺栓连接将试样装 为了检验夹具是否有足够的抵抗破坏的能力 夹在夹具上 和足够的抵抗变形的能力，需对夹具进行强度和 环形导轨在上表面设置均匀分布夹角间距为 刚度校核.本文基于Solidworks软件的Simulation 5的销孔，在外圆环表面设有外滑道，在内圆环表 模块对夹具进行静应力分析，由于在特定的加载 面设有内滑道.滑块夹板十字形连接部的横梁为 角度，夹具的一些特征细节（例如定位孔、试样和 与环形导轨弧度相同的弧形，且两端设有与环形 压片等)对其整体刚度的影响不大，为了提高计算 导轨销孔配合的固定螺栓孔，竖梁上下对称分布 效率，可对夹具结构进行一定的简化.在实验中， 连接滑轮的螺栓孔，内滑轮和外滑轮分别位于横 环形导轨只有装配的两个螺栓孔受力，因此只保 梁的下端和上端.环形导轨上销孔的设置可以很 留相应的两个螺栓孔：下端固定板完全固定，上端 精确使滑块定位在某一预设位置，滑块横梁上的 固定板均匀受力，可把上下固定板的定位螺栓孔 螺栓孔与环形导轨上的销孔对应并通过销钉连接 去掉.本文仅考虑夹具两个配合槽完全接触的极 保证滑块锁紧在预设位置，实现试样加载角度的 限位置.简化后的夹具如图4(a)所示.在设置模 变化.滑轮的设置可以在只改变销钉位置的基础 拟的边界条件时，将下端固定板的下表面完全固 上调整作用力对试样的作用角度，而无需反复在 定，上端固定板的上表面受载，环形导轨与滑块相 试验机上固定夹具和装夹试样 对应的螺栓孔用带螺母的标准螺栓连接，零部件 为了实现单向试验机对试样的压缩，在滑块 间定义全局无穿透接触，摩擦因子设置为0.2 (a) (b) (c) von Mises/MPa 180 MPa 厘284 U/mm 0.086 213 284 MPa 0.068 142 0.051 0.034 0.017 0 图4夹具体安全性分析 Fig.4 Safety analysis of fixture 对于整个夹具装置而言，上端固定板承受的 表1H13钢和40Cr的材料属性 最大载荷出现在试样处于单向压缩应力状态破坏 Table 1 Material properties of H13 and 40Cr 的极限位置.对于研究的TIP8O0钢板，抗拉强度 Young's Tensile Material Density/ modulus/ Poisson's Yield strength/ strength/ (kg'm) ratio MPa 为1160MPa,试样主要变形区的长度L=18mm,厚 MPa MPa 度H,=1mm,可预估最大承受载荷为20.88kN.取 H13 7850 210000 0.3 1550 1800 安全系数为1.5，可得到夹具承受的最大加载力约 40Cr 7900 210000 0.28 785 810 为32kN.夹具要求有较高的硬度和耐磨性，同时 中的U表示沿y方向的位移.由图4(b)可知夹具 要有较高的尺寸稳定性，因此选用模具钢H13钢， 体的最大应力值出现在上端固定板与支撑板的连 螺栓选用具有良好力学性能的合金调制钢40Cr, 接处，最大值om1=180MPa,而Hl3钢的屈服应力 两者的材料属性如表1. ol=l550MPa,om<oo1,同时可知螺栓连接处的最 图4(b)和4(c)分别为模拟得到的应力场和位 大应力值出现在连接边缘点，最大值om2=284MPa, 移场.其中图4(b)中的von Mises表示应力，图4(c) 而40Cr的屈服应力ob2=785MPa,om2<0b2,由此该
固定板为带有螺栓孔的长方形板材，通过螺 栓配合将整个实验装置固定在单向试验机上. 支 撑板为一侧设有凹槽的长方形板材，支撑板的一 侧与固定板固接. 滑块夹板具体形状为十字形与 半圆形复合形状板材，压片为带有螺栓孔的长方 形板材. 压片上的螺栓孔、试样上的螺栓孔和滑 块上的螺栓孔相互配合并通过螺栓连接将试样装 夹在夹具上. 环形导轨在上表面设置均匀分布夹角间距为 5°的销孔，在外圆环表面设有外滑道，在内圆环表 面设有内滑道. 滑块夹板十字形连接部的横梁为 与环形导轨弧度相同的弧形，且两端设有与环形 导轨销孔配合的固定螺栓孔，竖梁上下对称分布 连接滑轮的螺栓孔，内滑轮和外滑轮分别位于横 梁的下端和上端. 环形导轨上销孔的设置可以很 精确使滑块定位在某一预设位置，滑块横梁上的 螺栓孔与环形导轨上的销孔对应并通过销钉连接 保证滑块锁紧在预设位置，实现试样加载角度的 变化. 滑轮的设置可以在只改变销钉位置的基础 上调整作用力对试样的作用角度，而无需反复在 试验机上固定夹具和装夹试样. 为了实现单向试验机对试样的压缩，在滑块 夹板半圆部一端的端部设置有第一配合槽，为试 样的运动预留一定的行程，在支撑板一侧设置有 第二配合槽，为夹具的运动预留一定的行程. 单向 试验机的全部预压行程宽度由试样变形区宽度和 两个配合槽预留行程宽度共同决定. 2.4 夹具安全性验证 为了检验夹具是否有足够的抵抗破坏的能力 和足够的抵抗变形的能力，需对夹具进行强度和 刚度校核. 本文基于 Solidworks 软件的 Simulation 模块对夹具进行静应力分析. 由于在特定的加载 角度，夹具的一些特征细节（例如定位孔、试样和 压片等）对其整体刚度的影响不大，为了提高计算 效率，可对夹具结构进行一定的简化. 在实验中， 环形导轨只有装配的两个螺栓孔受力，因此只保 留相应的两个螺栓孔；下端固定板完全固定，上端 固定板均匀受力，可把上下固定板的定位螺栓孔 去掉. 本文仅考虑夹具两个配合槽完全接触的极 限位置. 简化后的夹具如图 4（a）所示. 在设置模 拟的边界条件时，将下端固定板的下表面完全固 定，上端固定板的上表面受载，环形导轨与滑块相 对应的螺栓孔用带螺母的标准螺栓连接，零部件 间定义全局无穿透接触，摩擦因子设置为 0.2. 180 MPa 284 MPa 284 von Mises/MPa U/mm 213 142 71 0 0.086 0.068 0.051 0.034 0.017 0 (a) (b) (c) 图 4 夹具体安全性分析 Fig.4 Safety analysis of fixture 对于整个夹具装置而言，上端固定板承受的 最大载荷出现在试样处于单向压缩应力状态破坏 的极限位置. 对于研究的 TRIP800 钢板，抗拉强度 为 1160 MPa，试样主要变形区的长度 L=18 mm，厚 度 H1=1 mm，可预估最大承受载荷为 20.88 kN. 取 安全系数为 1.5，可得到夹具承受的最大加载力约 为 32 kN. 夹具要求有较高的硬度和耐磨性，同时 要有较高的尺寸稳定性，因此选用模具钢 H13 钢， 螺栓选用具有良好力学性能的合金调制钢 40Cr， 两者的材料属性如表 1. 图 4（b）和 4（c）分别为模拟得到的应力场和位 移场. 其中图 4（b）中的 von Mises 表示应力，图 4（c） 中的 U 表示沿 y 方向的位移. 由图 4（b）可知夹具 体的最大应力值出现在上端固定板与支撑板的连 接处，最大值 σm1=180 MPa，而 H13 钢的屈服应力 σb1=1550 MPa，σm1<σb1. 同时可知螺栓连接处的最 大应力值出现在连接边缘点，最大值 σm2=284 MPa， 而 40Cr 的屈服应力 σb2=785 MPa，σm2<σb2. 由此该 表 1 H13 钢和 40Cr 的材料属性 Table 1 Material properties of H13 and 40Cr Material Density/ (kg·m−3) Young’s modulus/ MPa Poisson’s ratio Yield strength/ MPa Tensile strength/ MPa H13 7850 210000 0.3 1550 1800 40Cr 7900 210000 0.28 785 810 · 266 · 工程科学学报，第 43 卷，第 2 期