半圆盘弯曲实验的步骤

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：根据研究发现，半圆盘弯曲实验测量结果重复性较好，是一种适用于评价复合材料弯拉强度的简单实验方法［6，7］。研究者在半圆盘弯曲实验试样的受力状态研究中，发现公式中的应力系数有的比较接近，有的相差甚远。目前，适合的测量炸药材料拉伸性能的方法并不多，因此采用半圆盘弯曲实验研究炸药拉伸力学性能的方法有很大研究空间。

20 世纪80年代，Chong 和Kuruppu 等［3］采用含预置裂纹的半圆盘弯曲实验（Semi－circular bending test，SCB）研究岩石等脆性材料的拉伸强度和断裂韧性，后来被国际岩石力学学会推荐为测定岩石断裂韧性的方法［4］。2025年，Krans［5］将SCB 实验用于评价沥青混合料的拉伸性能并定量测量其抗拉强度。根据研究发现，半圆盘弯曲实验测量结果重复性较好，是一种适用于评价复合材料弯拉强度的简单实验方法［6，7］。

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图4－4　半圆盘弯曲实验

如图4－4 所示，其原理类似于三点弯曲实验，将半圆盘试样放置于支撑座上，在试样的侧表面沿径向施加集中载荷。为了研究材料在拉应力场中的裂纹扩展规律，在半圆盘试样直边的中间位置预制裂纹，这种方法适用于多种材料拉伸性能的分析和评价。

半圆盘试样裂纹尖端的应力强度因子为

式中：P 为压缩载荷；D 为试样直径；B 为试样厚度；a 为预置裂纹长度；YK为关于a／D 的函数，量纲为1，可以表示为

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当满足0.25≤a／D≤0.35 且2S／D＝0.8 时，上述公式有效，其中2S 是支撑座两点的间距。

在线弹性断裂力学理论中，平面应变断裂韧性是反映材料阻止裂纹扩展能力最重要的定量指标之一。当应力强度因子增加到某一个临界值时，裂纹顶端区域中足够大的体积内均达到使材料分离的应力，从而导致材料失稳，此时的应力强度因子即材料的断裂韧性KIC，可表示为

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式中：PQ为临界破坏载荷。

对于半圆盘试样在外力作用下发生弯曲拉伸变形，很多学者借助于有限元方法得到数值解，并根据自己的研究成果给出相应的公式。Hofmand 等［8］给出了半圆盘试样底部的应力公式为

式中：σmax为试样底部最大拉伸应力值；Fmax为破坏载荷；D 为试样直径；B为试样厚度。

Molenaar 等［9］给出了半圆盘试样底部支撑点距离为试样直径80%时的应力公式，即

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式中：σt为试样底部拉应力值；F 为单位长度试样上载荷大小；D 为试样直径。

Baymoy 等［10］通过弹性力学方法，也给出了SCB 试样在静态加载条件下，底部支撑点距离为试样直径80%时底面中点最大拉应力的计算公式，即

式中：F 为破坏载荷；B 为试样厚度。

研究者在半圆盘弯曲实验试样的受力状态研究中，发现公式中的应力系数有的比较接近，有的相差甚远。然而，对于强度低、脆性大的PBX，试样制备困难。目前，适合的测量炸药材料拉伸性能的方法并不多，因此采用半圆盘弯曲实验研究炸药拉伸力学性能的方法有很大研究空间。在测量PBX 断裂韧性参数方面，Zhou［11］分别采用三点弯实验、半圆盘弯曲实验、平台巴西实验三种方法测得PBX 模拟材料在准静态条件下的平面断裂韧性，三种方法吻合很好，均可用于测试PBX 的平面断裂韧性。

半圆盘弯曲实验的步骤

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