数字图像相关的中间应变率材料表征

摘要

本文提出了一种利用高速伺服-液压载荷框架对中间应变率拉伸试样进行动态表征的方法。还定义了应变计检测和分析的程序, 以及样品上的数字图像相关应变测量程序。

摘要

材料在动态载荷作用下的机械响应通常不同于在静态条件下的行为;因此, 用于材料表征的常用准静态设备和程序不适用于动态载荷下的材料。材料的动态响应取决于其变形率, 大致分为高 (即大于 200s)、中间 (即 10−200/s) 和低应变率 (即小于 10/)。每一种制度都要求有具体的设施和测试协议, 以确保所获得数据的可靠性。由于使用高速伺服液压设备和经过验证的测试协议的机会有限, 在中间应变速率下, 结果存在明显差距。目前的手稿提出了一个验证的协议, 在这些中间应变速率的不同材料的表征。应变计仪器和数字图像相关协议也包括作为免费模块, 从每一个测试中提取最高水平的详细数据。介绍了从各种材料和试验装置 (如拉伸和剪切) 获得的原始数据的实例, 并介绍了用于处理输出数据的分析程序。最后, 讨论了使用现行协议进行动态表征的挑战, 以及设施的局限性和克服潜在问题的方法。

引言

大多数材料在其力学行为¹中都显示出一定程度的应变率依赖性, 因此, 仅在准静态应变速率下进行的机械测试不适合确定动态的材料性能应用。通常使用五种类型的机械测试系统来研究材料的应变率依赖性: 传统的螺杆驱动负载框架、伺服液压系统、高速伺服液压系统、冲击测试仪和 hopkinson 杆系统¹. 在过去50年里, 拆分的 hopkinson 条一直是材料动态表征的共同设施 2。还努力修改 hopkinson 柱, 以中等和较低的应变率进行测试。然而, 这些设施通常更适合于材料的高应变率特征 (即通常大于 200s)。在10−200/s 范围内 (即从拆分 hopkinson 3 获得的准静态和高应变率结果) 中, 关于材料性能的应变率特征存在差距 (即从拆分 hopkinson 3 获得的准静态应变率和高应变率结果), 这是由于进入设施的机会有限, 缺乏可靠的中间应变率材料测试程序。

高速伺服液压负载框架以恒定和预定义的速度将载荷施加到试样上。这些负载框架受益于松弛适配器, 在拉伸试验中, 该适配器允许横梁在加载开始前达到所需的速度。松弛适配器允许头部在一定距离 (例如0.1 米) 内行驶, 以达到目标速度, 然后开始将载荷施加到试样上。高速伺服液压负载框架通常在位移控制模式下进行测试, 并保持恒定的执行器速度, 以产生恒定的工程应变速率³。

测量试样伸长率的技术一般分为接触技术或非接触技术⁴。接触技术包括使用夹式扩展器等仪器, 而激光扩展器则用于非接触式测量。由于接触扩展器容易受到惯性的影响, 因此不适合动态测试;非接触式扩展器不会受到此问题的影响。

数字图像相关性 (dic) 是一种光学、非接触式、全场应变测量技术, 是一种用于应变测量的替代方法, 用于测量应变载荷并克服与之相关的一些挑战 (例如, 响铃现象)。动态材料特性⁵。电阻应变片可能会受到一些限制, 例如测量范围有限、伸长率范围有限和安装方法有限, 而 dic 始终能够在测量过程中从试样表面提供全场应变测量。实验。

所介绍的程序描述了使用高速伺服液压负载框架与 dic 一起, 并可作为补充文件, 以澄清最近制定的标准准则⁶ , 以澄清实验过程的细节。伺服-液压载荷框架上的部分可以遵循各种测试设置 (例如, 拉伸、压缩和剪切), 甚至可以使用普通的准静态载荷框架, 因此涵盖了广泛的设施。此外, dic 部分可单独应用于任何类型的机械或热测试, 但只需稍作修改。

方案

1. 样品制备

1. 根据 iso 标准⁶提前准备犬骨形状的拉伸试样。
   注: 也使用类似的样品4。
2. 在拉伸试样的选项卡部分 (负载测量必须) 和仪表部分 (应变测量可选) 上安装应变片。
   1. 根据应变片的尺寸、最大扩展、测试温度、电阻等^选择合适的应变片型号4。
   2. 用异丙醇清洁试样表面, 以消除任何污染, 并将应变片安装在适当的位置。从夹持部分和仪表部分安装选项卡截面应变片, 其宽度等于或大于选项卡截面的宽度, 以确保标称值的均匀应力流动 (即无应力集中), 否则数值分析为预测应变片位置的应力值所需的值。
   3. 将应变片电线连接到惠斯通桥箱。如果需要, 请使用电线连接选项卡将连接安装到外部电线。
   4. 使用简单的加载和边界条件验证应变片读数。将已知载荷涂在样品上 (例如, 挂上样品中的已知质量), 并检查应变读数。
3. 准备 dic 样品, 如下所示:
   1. 准备具有高对比度特征的试样表面。例如, 将样品涂成白色, 并用细黑点对其进行斑点。通过试验和错误, 将散斑图案与相机图像传感器的大小相匹配, 使每个散斑由大约3个像素或更多的像素组成。
      注: 避免在安装应变片的一侧执行 dic, 以防止不需要的表面特征。
   2. 在测试前让油漆干燥。测试样品, 最好是在同一天, 它被油漆。
      注: 根据油漆的类型和一致性, 这可能需要几个小时。在测试前, 不要将斑点样品长时间 (例如几天) 留下, 因为这会导致油漆在测试过程中变得易碎和剥落。

2. 启动程序

1. 使用 ups (不间断电源) 上的按钮打开控制控制台的电源。检查从泵到 "高速" 框架的隔离阀是否已打开, 然后打开计算机。
2. 从桌面启动控制器应用程序, 选择"高速计算位移" . cfg 配置, 然后单击 "重置" 以清除联锁 1 (在"工作站控制"下)。
   注: 其他两个指示器 (程序 1和门 1) 将为红色, 因为高压液压尚未应用。
3. 检查独占控制, 因此框架只能从软件 (而不是从手机) 控制。
4. 现在, 启动液压泵 (hpu), 逐一打开服务歧管 (hsm 1) (共 3个)。对于每个情况下, 请等到低指标停止闪烁后再按高指示器。如果泵已关闭很长时间, 请等待 30秒, 然后再选择高, 以便给给给进纸器泵提供向高压泵供应油的时间。
5. 同样, 从桌面启动测试设计软件。从工具栏中确保 hpu 和 hsm 1 处于打开状态 (绿色)。从顶部菜单"文件" > "新建 > 从模板测试" 中选择"自定义模板", 然后选择"张力测试"。

3. 应变片的设置

1. 转到负载帧十字头控制 (手机旁边), 并将开关切换到低速 (海龟图标)。
2. 在试验室内, 使用颜色代码 (红色、白色和黑色) 将试样应变片的电线连接到应变片箱。如果只有一个应变片, 请使用 sg 1 系列。
   注: 红色引线是独立的端子 (励磁 + 或-), 白色和黑色是感觉和信号引线。
3. 在控制器应用程序和辅助输入下, 转到应变 1 (或 2) 以选择应变的最大范围 (即2%、5% 或 10%)。例如, 如果选择 5%, 软件会将其从 50, 000μ的输出映射到10伏特, 并且无法测量超过5% 的菌株。
4. 运行护发素实用程序软件, 配置应变片, 并按照以下步骤平衡惠斯通桥:
   1. 使用惠斯通桥的公式计算输出电压:
      
      这里, v_o是输出电压, v_e是励磁电压, gf 是仪表系数, 1是 50, 000 (5%), 而2、3 和₄是零 (完井桥).
5. 使用以下公式计算增益:
   
6. 在调节器实用程序软件中, 前置放大器增益有1、8、64和512的选项, 而后置得权值限制为9。9976. 使用以下公式计算前置放大器增益的不同选项 (1、8、64和 512):
   
7. 选择给出低于9.9976 的后置放大器增益的最低前置放大器增益, 并将这些值输入到调节器实用程序软件中。
8. 运行高速数据采集配置软件。在应变通道 (通道3和 4) 下, 进入应变片的全范围 (例如 50, 000)。
   注: 通道1和2分别用于位移和力。
9. 按照以下步骤将应变片偏移至零:
   1. 首先在软件中, 删除应变通道的任何偏移值 (使偏移值变为零)。
      注: 此过程必须在测试样品处于静止状态 (例如在桌子上) 且不在负载下时完成。
   2. 然后, 调整桥架平衡参数, 使读出应变几乎为零。这是粗调整步骤。
   3. 然后调整反馈零参数, 使应变管理器软件中的应变值完全变为零。这一步是精细的调整。
   4. 要确保输入参数正确, 请单击 "暂停启用"选项。
      注: 控制器应用软件中的应变值应为 1640μ (带有 + 或-符号)。记得关闭分流器, 将分流电阻移出惠斯通桥。应变值将返回到零。
10. 如果样品上有两个应变片, 在护发素实用软件中, 单击应变2并重复所有应变计设置步骤。

4. 安装测试样品

1. 在控制器应用程序中激活手动控制,并在-125 毫米处输入头部的位置, 使其完全延伸。
2. 然后单击关闭"启用手动命令"复选框, 然后取消选中 "独占控制" 复选框。
3. 使用安装夹具对齐夹具内的优惠券。弹性线可以用来将松弛的适配器固定在收回的位置, 以便有空间安装优惠券。先拧紧底部抓地力中的优惠券。
4. 在手机上, 按右上角的钥匙图标激活手机。确保未选中软件上的"独占控制" 框。确保顶部手柄松动, 以防止对试样施加不必要的载荷。
   1. 卸下弹性线, 然后将控制器上拇指轮下方的车轮图标按为激活。慢慢地滚动车轮, 使头部向下, 直到底部的手臂的松弛适配器几乎完全收回和十字头几乎是在-125 毫米。
      注: 头部的位置可以在手机上读取。
5. 在手机上再次推送钥匙图标, 使手机停用。返回到计算机和控制器应用程序检查独占控制框, 并使用手动控制使头部完全-125 毫米。顶部抓地力松动, 因此没有负载应用于优惠券。
6. 现在, 通过旋转松弛的适配器, 用扳手和钥匙拧紧顶部夹具。不要在收紧抓地力的同时扭曲优惠券。
7. 检查松弛适配器和中间横梁之间的螺旋垫圈, 确保它们紧固, 并且沿负载列车没有轴向间隙。
8. 再次, 使用十字头控制盒返回帧到高率 (兔子图标), 并确保机柜门紧闭。
9. 回到计算机上, 要清除联锁, 请单击 "重置" (在控制器应用程序的右侧)。
   注: 联锁包括 "联锁 1" (在所有框架和液压泵中运行联锁链)、"程序 1" (计算机软件控制, 例如, 低速)、"门 1" (外壳和速率开关) 和 "c-stop 1" (控制停止).
10. 当不打算手动移动头部时, 请取消选中"手动命令"菜单中的"启用手动命令" 框, 以避免意外地将数字输入软件并移动头部。

5. dic 设置准备

1. 使用千兆局域网电缆将高速摄像机连接到计算机。
2. 将数字 ito 盒连接到高速摄像机和 mtc 帧控制器。
3. 通过 daq 框将计算机连接到 mts 帧控制器。力和位移信号通过此框从 mts 控制器传输到计算机。
4. 将高速摄像机连接到触发信号和同步信号的 daq 框。
5. 将相机安装到负载框架的底部, 以避免在测试过程中相机和样品之间的相对移动, 因为帧因撞击而晃动。
6. 小心定位相机, 以确保其图像传感器与样品平行。使用远心镜头 (例如, 光工程 23-64, 视野为64x48 毫米, 工作距离为182毫米), 以减少从平面外运动的透视失真的可能性。
7. 在相机设置过程中, 请考虑样品的最终变形, 并确保相机的视野覆盖整个测试过程中的样品。
8. 要在计算机中设置软件连接, 请从 windows控制面板中选择 "网络和共享中心"。接下来单击 "本地连接"。
9. 在"本地连接"属性中选择 "internet 协议版本 4" (tcp/ipv6) , 并设置 ip 地址。
10. 打开高速成像查看器软件, 然后单击 "检测", 然后保存设置。
11. 单击 "相机选项" 按钮, 然后选择 "ito" 选项卡以设置外部信号。
12. 要设置帧速率和帧分辨率, 请单击变量按钮。将摄像机频率和数据采集 (daq) 盒采集速率设置为与负载帧中的高速数据采集系统相同的数字, 使数据分析步骤更容易
13. 在高速成像查看器中打开高速 daq, 然后选择所需的通道和每个帧的样本。
14. 相机设置后, 捕获多个静态图像, 并使用图像相关例程计算应变场。
    注: 注意到从该噪声地板测量到的最大应变和位移, 并提供了图像质量的定性测量。

6. 运行测试

1. 在测试设计软件中, 从顶部菜单中按照"文件" > "新建 > 测试 > 从模板进行测试。然后在"自定义模板" 下打开张力测试。
2. 选择"新建测试运行"并输入有效的文件名 (通常是没有空格的优惠券的名称)。根据需要修改字段;然后单击 "确定"。
   1. 如果包括应变片, 请记住输入通道计数为4。
   2. 起点通常为-125 毫米。这一点很重要, 因为如果这不正确, 头部将在测试开始前移动到此值, 可能会损坏优惠券。
   3. 高速采集速率和缓冲区大小的默认值分别为 50, 000 和 20, 000。根据测试的持续时间和所需的时间分辨率 (数据点之间的时间间隔), 根据需要修改这些数字。
      注: 默认参数将导致保存持续时间为0.4秒的数据。
   4. 对于"坡度" , 选择所需的标称磁头速度 (例如, 8, 000 mm/s), 然后单击 "确定"。
3. 将出现一系列提示, 提醒检查关键硬件时间, 之后将通过单击 "运行"图标启动测试。
4. 在控制控制台上切换模式选择到高速率 .这将激活用于高速负载应用的大型阀门。默认阀门 1被选中 (指示灯亮起)。
5. 在计算机屏幕上, 将显示一系列步骤。按照步骤操作。
6. 在控制控制台上, 按住装甲充电蓄能器开关。系统现在已经准备好了。
7. 按"火"完成测试。
8. 将模式选择切换回标准,然后按控制台上的"恢复启动" (绿色按钮), 从端盖 (125 毫米) 返回头部。
9. 转到十字头控件, 然后切换回低速 (海龟图标)。
10. 打开外壳, 取出样品。查找存储在计算机上的数据文件。
    c:\ datafiles\ 高速率数据 (用于高速率数据) 和 c:\ datafiles\ 低速数据 (对于低速率数据)。

7. 关机程序

1. 在控制器应用程序软件将 hsm 1 转换为低(黄色), 然后转到关闭(红色)。这将关闭歧管并关闭泵。
2. 在测试设计软件中, 如果需要, 保存测试运行, 方法是从顶部菜单 "文件 > 另存为", 然后选择测试。关闭测试设计软件。
3. 关闭控制器应用程序。如果需要, 请在关闭软件之前保存参数。关闭计算机。
4. 关闭液压阀 (大型杠杆), 然后使用 ups 上的电源按钮再次关闭控制控制台的电源。

8. 数据分析

1. 将原始数据从加载帧计算机导出到选择的后处理软件中。
2. 计算安装在仪表截面上的应变片读数的实际载荷, 并将其与高速 daq 的原始负载数据进行比较。如果高速 daq 数据中的响铃很严重, 请在接下来的步骤⁴中使用应变片的计算载荷。
3. 根据计算的载荷、 p_和仪表截面上的试样截面 a x 截面计算仪表截面 ( _仪表) 中的应力:
   
4. 从下列方法之一获取仪表截面上的应变:
   1. 仪表部分的平均应变:
      1. 通过了解负载、选项卡截面长度、试样的弹性模量和横截面面积来计算选项卡截面伸长率。
         注: 如果弹性模量是应变速率的函数, 则需要一个迭代过程 (详细信息^{在参考 7}中进行说明)。
      2. 从整个试样伸长率 (即负载框架头位移) 中减去选项卡截面伸长率, 以获得仪表截面伸长率。
      3. 根据仪表截面伸长率和初始长度计算仪表截面的平均应变。
   2. dic 的局部应变:
      1. 确定试样发生故障的仪表部分上的位置 (即一分为二), 并将应变场限制在故障段附近的局部区域。
      2. 使用所选的 dic 后处理软件测量和记录局部应变。
5. 绘制从前面步骤中获得的应力-应变曲线。

结果

动态测试的持续时间通常与应力波在负载列车 (即夹具、试样和载荷) 系统¹的长度上往返所需的时间相当。如果在动态试验中控制应力波的数量和振幅, 以实现动态平衡, 并且试样在几乎恒定的应变速率下经历均匀变形, 则动态试验是有效的。汽车工程师协会 (sae) sae j2749 标准⁸要求在试样屈服点之前至少有10个弹性反射波通过试样测量长度传播。较高的固有频率系统通常具有振幅较低的振铃振荡 (即信号的振荡, 通常是对阶跃输入的响应)。这种振铃现象是中高应变率动态测试中的主要挑战。响铃水平 (即振荡信号的频率和振幅) 决定了从负载帧获得的原始负载数据是否可以接受。图 1显示了两个不同测试的负载信号示例。在这两个测试中, 将从负载框架中获得的载荷与根据样品选项卡部分安装的应变片输出计算的载荷进行比较。尽管这两个测试都执行得很好, 但直接从负载帧力链路提取的负载数据不能用于图 1

讨论

从实验中获得的原始数据受试样几何形状和应变片在试样上的位置的影响。在较高应变速率下, 压电负载垫圈在负载框架中获得的低应变率动态测试中的负载数据 (bruce等人).^建议>, 而王等人则建议。⁹报告此限制为 100/) 通常由于与加载相关的动态波而受到较大的振幅振荡。如图 1所示, 由于噪声水平高, 试样材料、几何形状和应变速率的组合可能会使负载清洗器信号不切实际。因此, 必须考虑负载读数的替代方法, 从这个方法中, 在样品的选项卡部分安装应变片是最常见的³。为了根据测量到的应变数据计算载荷, 关键是要确保在试验过程中, 选项卡部分 (安装了负载计算应变计) 保持在弹性变形状态。此外, 正如协议部分所解释的, 为了确保没有任何边界效应 (即由于圣维南原则), 应变片需要安装在远离抓地力部分 (在当地受到负荷影响的地方) 或仪表的地方截面 (如果几何形状的变化干扰了应力...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
相机镜头	Opto Engineering		远心镜头 23-64
高速相机	SAX Photron Fastcam
高速数据采集	National Instruments	USB-6259
伺服液压负载框架	MTS Systems Corporation	定制的
Jab子弹灯带扩散器	AADyn JAB 子弹		15 度扩散器
应变片	Micro-Measurements	型号 EA-13-062AQ-350