哑铃状扁平形试件拉伸试验圆角误差分析

 秦  伟1,2，田晓丽1

（1．中北大学机电工程学院，山西  太原  030051;2．中国人民解放军66075部队，山西  大同  037034）

摘要：运用ANSYS软件基于AUTODYN平台对动态拉伸试验进行数值仿真，分析由于圆角的存在给哑铃状试件中应力均匀性带来的影响，从数值仿真的角度为处理试验结果提供参考。

关键词：哑铃状扁平形试件；拉伸；圆角；误差中图分类号：TP3 91.7

0  引言

 影响拉伸试验结果的因素有很多，包括加载条件、加载速率和测试精度等，有些是可以消除的，而有些是无法避免的。

 对于扁平形试件，冲击拉伸试验的基础是一维实验原理的有效性，要使一维试验原理近似成立本质上是要形成试验段中部的均匀区以及减小和抵消在圆角过渡段由于应力波的复杂作用而造成的各种影响。由于圆角的存在必然会对试验结果产生影响，为此本文通过数值仿真来分析哑铃状扁平形试件在冲击拉伸试验中的应力均匀性问题。

1  材料拉伸试件模型

 理想情况下，将如图1所示的材料A、B两端分别施加对称力F，就可以得到材料的应力应变曲线。但是在实际试验中，这种形状的试件无法夹持，无法完成试验，必须得有一个连接段，如图2所示。

2  数值仿真结果分析

 只考虑应力、应变在试件长度、宽度方向上的变化，忽略其在厚度方向上的变化，计算时采用2D平面对称计算方法。网格大小为0.2 mm×0.2 mm，计算时应变率为1 000/s。在模型右端面添加向右2 m/s的速度边界，左端面添加向左2m／s的速度边界，下端面施加y方向速度为零的约束。观测点位置分布如图3所示，采集x方向应力( stressXX)及x方向应变率( EXXDOT)数据，每10个循环保存一次。计算时采用AUTODYN材料库中的AL5083H116为计算材料。材料的状态方程为linear，并采用JC本构方程，应力为：

 对于连接段长度l3=0、试件连接段宽度b=19 mm、测量端宽度a=4 mm、测量段长度l1=4 mm、圆角半径r=2 mm的试件，几何模型2如图8所示。

 各截面应力一时间曲线如图9～图11所示，各截面应力一应变曲线如图12～图14所示。

对于连接段长度l3=0、试件连接段宽度b=19 mm、测量端宽度a=4 mm、测量段长度l1=4 mm、圆角半径r=3 mm的试件，几何模型3如图15所示。各截面应力一时间曲线如图16～图18所示。各截面应力一应变曲线如图19～图21所示。

3结论

 从图4～图7中可以看出，在几何模型1中，对于没有圆角的试件，显然应力是均匀的，这是理想情况，但对于实际情况来说，由于连接段的存在必然在拐角处产生应力集中。从图9～图14可以看出，几何模型2中，对于有圆角过渡区的试件，在圆角区域同一截面的应力出现了不均匀的现象，且在靠近中间的区域应力值要大于靠近圆角处的值，这是圆角的存在导致应力不均匀产生的结果。随着圆角区域的增大，对比几何模型2和几何模型3各截面应力一应变和应力  时间曲线可以看出，这种不均匀性的问题表现得更为明显。因此，如何选择既能保证不产生根部应力集中又满足应力均匀性是合理选择试件尺寸的关键。