一种拉压载荷作用下线弹性板椭圆孔边应力集中系数的测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于材料或结构的力学性能测试与安全性分析的技术领域，是一种新的拉 压载荷作用下线弹性板椭圆孔边应力集中系数的测量方法。
【背景技术】
[0002] 为了实现一定的功能，在结构设计中往往需要采用机械紧固连接、焊接、粘接等不 同方式将多个构件连接起来。因此，在飞机、船舶、汽车等领域，各种板、壳等结构件中通常 都需要开有各种形状、尺寸的孔，和制备出各种形状、尺寸的构件，以适应各种具体的连接 要求。圆形（孔或构件）因为其引起的应力集中相对较小而得到广泛采用，但在很多场合 下方形、多边形、椭圆形（孔或构件）也会用到。其中，因为在数学上椭圆形可以方便的退 化为圆形、方形、多边形，所以相对更具有普遍意义。
[0003] 由于构件开孔或本身形状尺寸的变化，因而就存在有应力集中。即在孔边或形状 尺寸变化的部位，应力将会远大于平均应力。为了权衡应力集中的剧烈程度，引入了应力集 中系数，即应力集中部位的最大应力与构件的平均应力的比值，这一概念来进行定量表征。 显然，应力集中系数的大小将对构件和结构的安全将会产生极大影响。首先，可能会导致构 件在平均应力仍然小于许用值处于安全状态的情况下，由于应力集中的出现，导致构件或 结构在应力集中部位的应力会出现大于许用值的情况，因而会由于静强度的不足导致局部 首先破坏，进而引起整个构件和结构的失效。其次，由于应力集中的出现，会导致构件或结 构的疲劳性能显著降低，使其在尚未达到设计寿命的情况下发生疲劳破坏。所以应力集中 问题得到了广泛关注和研究。
[0004] 目前，研究应力集中问题的主要手段就是实验，且大多都是通过已非常成熟的应 变片电测方法来进行测试，这种电测方法的特点是理论严谨、操作简单，因而在工程实际 中得到了广泛应用（1.陈锋，段自力，王文安主编，材料力学实验，华中科技大学出版 社，2006 ;2.王习术，材料力学行为试验与分析，清华大学出版社，2007)。在工程实际 中，需要针对不同材料、形状、及几何尺寸的构件，分别拿出一组进行实验测试。为了便于 工程应用，针对常用的各向同性弹性材料，比如各种金属材料，对于工程中较为常见的各种 形状和尺寸的开孔、肩台、缺口等，采用实验手段测试得到了应力集中系数，并编制成手册 (3.航空工业部科学技术委员会，应力集中系数手册，高等教育出版社，1987 ;4.张少名 等，实用应力集中手册，陕西科学技术出版社，1984)。但对于其它的弹性材料，比如日渐 广泛应用于飞机、汽车等工业领域的复合材料（5.TongL.，MouritzA.P·，andBannister Μ.K.，3D纤维增强聚合物基复合材料，科学出版社，黄涛，矫桂琼译，2007)，就没有相关 的应力集中系数手册可查，而只能通过实验的方法来测试得到（6.韩小平等，含孔复合材 料层合板孔边的应力集中，复合材料学报，2009, 26 (1) : 168 - 173)。
[0005] 圆形孔相对而言应力变化较为缓和，应力集中较小，测试较为容易，精度较高。而 对于别的椭圆开孔，当孔形比较尖锐时，在应力集中最为严重的区域（即孔边尖锐点附 近），应力变化将会非常剧烈，此时采用应变片来测量将造成较大误差，甚至无法测准。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种拉压载荷作用下线弹性板椭圆孔边应力集中系数的 测量方法，从而解决任意尺寸的椭圆孔的应力集中系数的测试问题。
[0007] 实现本发明目的的技术解决方案为：
[0008] -种拉压载荷作用下线弹性板椭圆孔边应力集中系数的测量方法，包括以下步 骤：
[0009] ⑴试件的制备：
[0010] 根据所要分析的构件，采用相同的材料制备含有中心圆孔的弹性板；
[0011] (2)试件应力集中系数的测量计算：
[0012] 依据制备出来的弹性板，通过应变片法来测量圆孔边应力集中部位的应力，根据 测量结果得到圆孔的应力集中系数Kt 11 = 1;
[0013] (3)所分析构件的椭圆孔形状因子的计算：
[0014] 根据所要分析的构件，得到椭圆孔的几何尺寸：椭圆孔的长半轴长a，椭圆孔的短 半轴长b，计算得到椭圆孔的形状因子t=b/a，t= 1表示圆孔；
[0015](4)所分析构件的椭圆孔应力集中因子的计算：
[0016] 依据拉压载荷作用下线弹性板椭圆孔边应力集中系数为
[0017] 本发明与现有技术相比，其显著优点：（1)相对目前大多采用的直接电测方法而 言，本发明的方法解决了现行直接电测法无法测量尖锐椭圆孔应力集中系数的问题，而且 不存在精度方面的问题。（2)随着椭圆孔的逐渐尖锐，直接测量的精度会越来越低，测量的 难度越来越大，本发明避免了直接测量得到椭圆孔应力集中系数，克服了此困难，而只需要 测量圆孔边的应力集中系数，因而具有测试操作简单、工程应用方便、测试精度高的显著特 点。（3)在工程应用中，只需针对某种材料测量一次圆孔的应力集中系数，就可解决此种材 料不同尺寸椭圆孔的应力集中问题，极大节省了试验费用和时间，这时相比现行直接电测 法的又一显著优点。
[0018] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明拉压载荷作用下线弹性板椭圆孔边应力集中系数的测量方法的流 程图。
[0020] 图2为线弹性板椭圆孔与圆孔的应力集中系数对应关系的结构示意图。
[0021] 附图标记及其所代表的组成部分为：1、所分析的结构；2、根据所分析结构制备的 试件；3、所分析结构与相应实验件的应力集中系数对应关系
【具体实施方式】
[0022] 结合图1和图2,本发明拉压载荷作用下线弹性板椭圆孔边应力集中系数的测量 方法，包括以下步骤：
[0023] (1)根据所要分析的构件，采用相同的材料制备含有中心圆孔的弹性板。将制备好 的弹性板进行实验时称为试件。为了测量准确，对于试件的试验考核部分的几何尺寸有以 下要求：圆孔半径不限（大小只要方便测试即可），只需为应变片长度3倍以上即可；弹性 板的长宽需大于孔直径的10倍，厚度明显小于圆孔半径，约为其1/3或更小。此外，试件的 夹持部分的尺寸应该根据试件型号，参照《GBT228. 1 -2010金属材料拉伸试验室温试验方 法》中试件夹持段的设计要求来确定。
[0024] (2)在步骤⑵中，应变片的尺寸相比圆孔径应该很小，比如仅为孔径的1/3甚至 更小。应变片尺寸越小，所测应力集中部位的结果越准确。主要是应变片的选择，试件表 面的处理、贴片部位的选择与标示、贴片区域的清洁，应变片的粘贴，接线端子的粘贴、引线 与接线端子的连接，温度性能补偿、固化和稳定化防护处理，在试验机上进行试件的单向拉 伸试验、数据采集、结果计算。其中，试件的夹持、固定和加载，载荷的施加等可参考《GBT 228. 1 - 2010金属材料拉伸试验室温试验方法》。最终得到孔边应力集中系数Kt 11 =i，即依 据制备出来的弹性板，通过应变片法来测量圆孔边应力集中部位的应力，步骤包括：
[0025] ①应变片的选择：根据试件大小、工作温度和受力情况，选取相应的应变片（选取 是本领域技术人员的常规技术，应变片越小，精度越高）；用放大镜观察和选择无缺陷、且 表面平整、丝栅均匀的应变片。
[0026] ②试件表面的处理，以及贴片部位的选择与标示、贴片区域的清洁：根据试件的表 面状况采用有机溶剂脱脂除渍进行清洗；在贴片区域进行打磨，使试件表面呈细密、均匀新 鲜的交叉网纹状；根据应变片尺寸，确定并画出应变片粘贴位置的定位基准线。
[0027] ③应变片的粘贴：在清洗好的试件粘贴表面和应变片背面单方向涂上