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原文传递纯剪切加载下V型切槽尖端应力强度因子的计算方法、实验方法及实验装置

专利名称：	纯剪切加载下V型切槽尖端应力强度因子的计算方法、实验方法及实验装置
摘要：	本发明提供一种纯剪切加载下V型切槽尖端应力强度因子的计算方法、实验方法及实验装置，该计算方法基于焦散线法，包括：步骤一：选取具有V型切槽的平面待测物，建立待测物平面与参考平面之间的光学映射关系；步骤二：建立V型切槽尖端应力场表达式；步骤三：建立焦散线的初始曲线半径r0与应力强度因子KII的关系式；步骤四：确定纯剪切加载下V型切槽的焦散线映射方程；步骤五：建立特征长度Dmax与焦散线的初始曲线半径r0的关系式；步骤六：确定纯剪切加载下V型切槽尖端应力强度因子KII。本发明研究得出纯剪切加载下V型切槽尖端应力强度因子KII的计算方法，为获取V型切槽尖端应力强度因子提供了新的途径。本方法具有良好的精度和数值稳定性。
专利类型：	发明专利
申请人：	中国矿业大学(北京)
发明人：	杨立云;胡桓宁;宋烨
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T20:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T17:00:00+0805
申请号：	CN201911326047.6
公开号：	CN111024520A
代理机构：	北京领科知识产权代理事务所(特殊普通合伙)
代理人：	艾变开
分类号：	G01N3/24;G01N3/06;G;G01;G01N;G01N3;G01N3/24;G01N3/06
申请人地址：	100083 北京市海淀区学院路丁11号
主权项：	1.一种纯剪切加载下V型切槽尖端应力强度因子的计算方法，其特征在于，该计算方法基于焦散线法，包括如下步骤：步骤一：选取具有V型切槽的平面待测物，建立待测物平面与参考平面之间的光学映射关系；步骤二：建立V型切槽尖端应力场表达式；步骤三：建立焦散线的初始曲线半径r0与应力强度因子KII的关系式；步骤四：确定纯剪切加载下V型切槽的焦散线映射方程；步骤五：建立特征长度Dmax与焦散线的初始曲线半径r0的关系式；步骤六：确定纯剪切加载下V型切槽尖端应力强度因子KII。 2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，步骤二建立V型切槽尖端应力场表达式包括：以待测物的切槽尖端为坐标原点建立极坐标系，在纯剪切加载下的V型切槽的广义应力强度因子KII定义为：式中r和θ为极坐标，τrθ为切槽尖端的剪切应力，λ为切槽尖端的应力奇异性指数；对于线弹性、各向同性、均质的薄板，在受到纯剪切荷载作用时，切槽尖端附近的应力场表达式为：式中σr是径向应力，σθ是切向应力；式中常数C的表达式为： C＝(λ-1)sin(λ+1)γ-(λ+1)sin(λ-1)γ (3) λ可由下式得到： sin2λ(π-β)-λsin2(π-β)＝0 (4)。 3.根据权利要求2所述的计算方法，其特征在于，步骤三建立焦散线的初始曲线半径r0与应力强度因子KII的关系式包括首先确定焦散线的初始曲线方程，具体为：参考平面与待测物平面上的点之间的对应关系为：该式为映射方程，式中，z0为待测物平面与参考平面之间的距离，Δs为光程差，λm是光学系统的放大倍数；当光线为平行光时，λm＝1；焦散线是由无数条光线汇聚而成的一条奇异曲线，根据衍射理论，产生奇异性的充分必要条件是映射方程式(5)的Jacobian行列式为零，因此，推导可得焦散线的初始曲线方程为： 4.根据权利要求3所述的计算方法，其特征在于，步骤三建立焦散线的初始曲线半径r0与应力强度因子KII的关系式还包括：当光束穿过透明平板时，各向同性材料的光程差可由下式得出： Δs＝cdeff(σr+σθ) (7) 式中c为焦散光学常数，deff为平板的厚度；将式(2)代入式(7)，即可得：将式(8)代入式(6)可得：式中A为：从式(9)中得出，在载荷和切槽角度一定的情况下，r为一常数，称为焦散线的初始曲线半径，记作r0；式(9)即为焦散线的初始曲线半径r0与应力强度因子KII的关系式。 5.根据权利要求4所述的计算方法，其特征在于，步骤四纯剪切加载下V型切槽的焦散线映射方程的确定包括：将式(8)和式(9)代入式(5)，可得到纯剪切加载下V型切槽的焦散线映射方程：在参考平面的焦散线的极坐标通过以下关系式进行定义：。 6.根据权利要求5所述的计算方法，其特征在于，步骤五建立特征长度Dmax与焦散线的初始曲线半径r0的关系式包括：为了得到特征长度Dmax，令Wy对极角θ的导数为零，即： dWy/dθ＝0 (14) 由于θ在区间[π-β,π+β]的范围内，所以由式(14)可得：将θ1和θ2的值代入式(11)，即可得到特征长度Dmax的表达式如下：式(16)可写成如下形式： r0＝Dmax/λmδ (17) 式中，式(17)即为特征长度Dmax与焦散线的初始曲线半径r0的关系式。 7.根据权利要求6所述的计算方法，其特征在于，步骤六确定纯剪切加载下V型切槽尖端应力强度因子KII包括：建立特征长度Dmax与应力强度因子KII的关系式，将式(17)代入式(9)，可得：式(19)即为特征长度Dmax与应力强度因子KII的关系式，式中，只需测量出切槽尖端焦散线的特征长度Dmax，即可通过式(19)计算出切槽尖端的应力强度因子KII。 8.一种基于权利要求1-7任一项所述计算方法的实验方法，其特征在于，包括如下步骤： S11：选取纯剪切模型试件； S12：采用焦散线实验装置对所述纯剪切模型试件进行纯剪切加载实验； S13：采集相应荷载作用下的焦散线图像，并对焦散线图像进行处理得到焦散线的特征长度Dmax； S14：根据焦散线的特征长度Dmax计算纯剪切加载下V型切槽尖端的应力强度因子KII。 9.一种焦散线实验装置，其用于执行根据权利要求8所述的实验方法。 10.根据权利要求9所述的焦散线实验装置，其特征在于，包括依次布置的激光发射器、扩束镜、场镜一、模型试件、参考平面、场镜二、图像采集装置以及图像处理装置。
所属类别：	发明专利