Summary
Her præsenterer vi en metode til dynamisk karakterisering af trækstyrke prøver til mellemliggende stamme priser ved hjælp af en højhastigheds servo-hydrauliske belastning ramme. Procedurer for strain gauge instrumentering og analyse samt for digital billede korrelation stamme målinger på prøverne, er også defineret.
Abstract
Den mekaniske respons af materiale under dynamisk belastning er normalt forskellige end dens opførsel under statiske betingelser; Derfor, den fælles Kvasistatisk udstyr og procedurer, der anvendes til materielle karakterisering er ikke gældende for materialer under dynamiske belastninger. Den dynamiske respons af materiale afhænger af dens deformation sats og er groft inddeles i høj (dvs. større end 200/s), mellemliggende (dvs. 10−200/s) og lav stamme Vurder regimer (dvs. under 10/s). Hver af disse regimer kræver særlige faciliteter og testprotokoller for at sikre pålideligheden af de indsamlede data. På grund af den begrænsede adgang til højhastigheds servo-hydrauliske anlæg og validerede test protokoller er der en mærkbar hul i resultater på den mellemliggende stamme sats. Det aktuelle manuskript præsenterer en valideret protokol til karakterisering af forskellige materialer til disse mellemliggende stamme priser. Strain gauge instrumentering og digital billed korrelation protokoller er også inkluderet som gratis moduler til at udtrække den yderste grad af detaljerede data fra hver enkelt test. Eksempler på rådata, fremstillet af forskellige materialer og test opstillinger (f.eks., trækstyrke og shear) præsenteres og den markedsanalyseprocedure, der bruges til at behandle outputdata er beskrevet. Endelig diskuteres udfordringer af dynamiske karakterisering ved hjælp af den nuværende protokol, sammen med begrænsningerne af anlægget og metoder til at løse potentielle problemer.
Introduction
De fleste materialer viser en vis grad af stamme sats afhængighed i deres mekaniske opførsel1 og, derfor, mekanisk prøvning udføres kun på Kvasistatisk stamme satser er ikke egnet til at bestemme materialeegenskaber for dynamisk applikationer. Stamme sats afhængighed af materialer er typisk undersøgt ved hjælp af fem typer af mekaniske test systemer: konventionelle skrue drev belastning rammer, servo-hydrauliske systemer, high-rate servo-hydrauliske systemer, indvirkning testere og Hopkinson bar systemer 1. Split Hopkinson barer har været et fælles anlæg til dynamisk karakterisering af materialer i sidste 50 år2. Der har også været bestræbelser på at ændre Hopkinson barer at teste på mellemliggende og lavere stamme priser. Men disse faciliteter er typisk mere egnet til høj belastning sats beskrivelser af materialet (dvs. normalt større end 200/s). Der er et hul i litteratur på den stamme sats karakterisering af materialeegenskaber til mellemliggende stamme priser i rækken af 10−200/s (dvs. mellem Kvasistatisk og høj belastning sats resultater opnået fra split Hopkinson barer3), som er grund den begrænsede adgang til faciliteter og en mangel på pålidelige procedurer af mellemliggende stamme sats materiale prøvning.
En højhastigheds servo-hydrauliske belastning ramme gælder belastning til modellen med en konstant og foruddefinerede hastighed. Disse indlæse billeder fordel fra en slap adapter, som i trækstyrke tests, tillader crosshead at nå den ønskede hastighed før pålæsning begynder. Den sløje adapter giver hoved til at rejse en bestemt afstand (f.eks. 0,1 m) for at nå målet hastighed og starter derefter anvende belastningen til modellen. High-Speed servo-hydrauliske belastning rammer typisk udføre tests under forskydning kontroltilstand og opretholde en konstant aktuator hastighed for at producere konstant engineering stamme priser3.
Teknikker til måling af modellen brudforlængelse er generelt klassificeret som enten kontakt eller noncontact teknikker4. Kontakt teknikker omfatter brug af instrumenter såsom clip-on extensometers, mens laser extensometers er ansat til noncontact måling. Da kontakt extensometers er tilbøjelige til inerti påvirkninger, er de ikke egnet til dynamiske afprøvninger; noncontact extensometers lider ikke af dette problem.
Digital billed korrelation (DIC) er en metode til måling af optiske, ikke-kontakt, full-field stamme, som er en alternativ tilgang til stamme måling for at måle stamme/belastning og overvinde nogle af udfordringerne (f.eks. ringetoner fænomenet) forbundet med dynamisk materiale karakterisering5. Modstand strain gauges kan lider af begrænsninger som et begrænset område af måling, en begrænset række strækforlængelse, og begrænset montering metoder, DIC er altid i stand til at give en fuld-feltstammen måling fra modellen overfladen under den eksperiment.
Den præsenterede procedure beskriver brugen af en højhastigheds servo-hydrauliske belastning ramme sammen med DIC og kan bruges som et supplerende dokument til den nyligt udviklede standardretningslinjer6 at præcisere detaljerne af forsøgsmetoden. Afsnittet om rammen servo-hydrauliske belastning kan følges for en lang række test opsætninger (fx, trækstyrke, trykstyrke, og shear) og endda med fælles Kvasistatisk belastning rammer så godt, og derfor dækker en bred vifte af faciliteter. Derudover kan afsnittet DIC anvendes særskilt til enhver form for mekaniske eller termiske tests, med mindre ændringer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. prøvepræparation
- Forberede hund ben formet trækstyrke prøver efter ISO standard6 på forhånd.
Bemærk: Lignende enheder er også brugt4. - Installere strain gauges, på fanen afsnit (obligatorisk for belastning måling) og gauge afsnit (valgfrit for stamme måling) af trækstyrke modellen.
- Vælg den korrekte model af strain gauge baseret på størrelse, maksimal udvidelse, testning temperatur, elektrisk modstand, etc.4.
- Ren overfladen af prøven med isopropanol til at fjerne enhver kontamination og installere strain gauge på det rigtige sted. Installere fanen afsnit strain gauge på lig med eller større end bredden af afsnittet fane fra afsnittet gribende og afsnittet gauge for at sikre en ensartet stress strømmen af den nominelle værdi (dvs. ingen stress koncentration), ellers numerisk analyse er forpligtet til at forudsige stress værdien på placeringen af den strain gauge.
- Tilslut strain gauge ledninger til boksen Wheatstone bridge. Bruge en wire tilslutning fane hvis det er nødvendigt for at montere forbindelser til de eksterne ledninger.
- Kontrollere den strain gauge læsning med en simpel lastning og randbetingelser. Anvend en kendt belastning til modellen (fx hænge en kendt masse fra modellen) og kontrollere stamme udlæsninger.
- Forberede modellen for DIC som følger:
- Forberede overfladen af prøven med høj kontrast funktioner. For eksempel male modellen hvid og speckle det med fine sorte prikker. Gennem trial and error svare til speckle mønsteret til kameraets billede sensor størrelse, så hver speckle er sammensat af cirka 3 pixels eller mere.
Bemærk: Undgå at udføre DIC på den side, strain gauges er installeret for at undgå de uønskede overflade funktioner. - Lad malingen tørre før prøven. Test modellen, helst i samme dag det var malet.
Bemærk: Afhængigt af den type og konsistens af maling, dette kan tage til et par timer. Efterlad ikke at plettet enhederne i en længere periode (f.eks. flere dage) før testning, da dette vil resultere i maling bliver sprøde og afskalning under prøven.
- Forberede overfladen af prøven med høj kontrast funktioner. For eksempel male modellen hvid og speckle det med fine sorte prikker. Gennem trial and error svare til speckle mønsteret til kameraets billede sensor størrelse, så hver speckle er sammensat af cirka 3 pixels eller mere.
2. opstart procedure
- Tænd power Control konsollen ved hjælp af knappen på UPS (Uninterruptable Power Supply). Kontroller, at isolation ventilen fra pumpen til den høje sats ramme er åben, og derefter tænde for computeren.
- Fra den desktop start markeringen programmet Controller, at vælge den Høje sats beregne Displacement.cfg konfiguration, derefter nulstille interlock 1 (under Station kontrol).
Bemærk: De andre to indikatorer (Program 1 og port 1) vil være rød fordi den højt tryk hydrauliske ikke anvendes endnu. - Kontrollere Eksklusiv kontrol , så rammen kan kun kontrolleres, fra software (og ikke fra håndsættet).
- Nu starter op den hydrauliske pumpe (HPU) og åbne service manifold (HSM 1), en af en (3 samlede). For hver sag vent indtil indikatoren for lav stopper blinkende før du trykker på indikatoren for høj. Hvis pumpen har været slukket i lang tid, vente 30 s, før du vælger den høje til at give feeder pumpe tid til at levere olie til højtryks pumpe.
- Igen, fra skrivebordet, start programmet Test-Design. Fra værktøjslinjen Sørg for er HPU og HSM 1 ON (grøn). Fra den øverste menu fil > Ny > Test fra skabelon Vælg Brugerdefinerede skabeloner, og vælg derefter spændingen teste.
3. opsætning af strain gauges
- Gå til belastning crosshead rammekontrolelement (ved siden af håndsættet) og drej kontakten til den lave sats (skildpadde ikon).
- Tilslut ledningerne til modellen strain gauge(s) til boksen strain gauge med farvekode (rød, hvid og sort) inde i testkammeret. Hvis der er kun én strain gauge, bruge SG 1-serien.
Bemærk: Rød bly er den selvstændig terminal (excitation + eller -), og de hvide og sorte er følelsen og signal fører. - I programmet Controller og under Hjælpeansatte input gå til stamme 1 (eller 2) for at vælge den maksimale rækkevidde af stammer (dvs. 2%, 5% eller 10%). For eksempel, hvis 5% er valgt, softwaren kort dette fra 50.000 µε til 10 volt output og kan ikke måle stammer ud over 5%.
- Kør balsam Utility softwaren til at konfigurere strain gauges og balance Wheatstone broen ifølge følgende trin:
- Beregne output spænding ved hjælp af formlen for Wheatstone broen:
Her, VO er udgangsspændingen, VE er excitation spænding, GF er faktoren, gauge, ε1 er 50.000 (5%), mens ε2, ε3og ε4 er nul (færdiggørelse bro).
- Beregne output spænding ved hjælp af formlen for Wheatstone broen:
- Beregn gevinst ved hjælp af følgende ligning:
- I conditioner utility software er der muligheder af 1, 8, 64 og 512 for Preamp vinde, mens Post amp gevinst værdi er begrænset til 9. 9976. beregning af Post amp gevinst baseret på forskellige muligheder af 1, 8, 64 og 512 for Preamp vinde ved hjælp af følgende ligning:
- Vælg den laveste Preamp vinde, som giver en Post amp gevinst, der er lavere end 9.9976 og indsætte disse værdier i conditioner utility software.
- Køre konfigurationssoftware erhvervelse til Data den høje sats. Angiv rækken fuld-skala af den strain gauge (fx 50.000) under stamme-kanaler (kanal 3 og 4).
Bemærk: Kanal 1 og 2 er dedikeret til forskydning og kraft, henholdsvis. - Udligne strain gauges til nul efter følgende trin:
- Først i softwaren, fjerne enhver forskydningsværdier for stamme kanaler (bringe forskydningsværdier til nul).
Bemærk: Denne proces har at blive gennemstegt når prøveemnet hviler (f.eks. på bordet) og er ikke under belastning. - Derefter justere parameteren bro balance for at bringe udlæsning stamme næsten til nul. Det er det grove justering skridt.
- Juster derefter parameteren Feedback nul , for at bringe værdien stamme i stamme manager software helt til nul. Dette trin er den finjustering.
- For at sikre input parametre var korrekte, skal du klikke på Selvhelende aktiver.
Bemærk: Værdien stamme i Controller Application software bør læse 1640 µε (med enten + eller - tegn). Husk at slukke shunt fjerne shunt modstand ud af Wheatstone-broen. Værdien stamme vil gå tilbage til nul.
- Først i softwaren, fjerne enhver forskydningsværdier for stamme kanaler (bringe forskydningsværdier til nul).
- Hvis der er to strain gauges på modellen, i conditioner utility software, klik på stamme 2 og Gentag alle strain gauge konfigurationstrin.
4. montering af prøveemnet
- I programmet Controller aktivere Manuel kontrol og Indtast positionen af hovedet til fuld extension på-125 mm.
- Klik for at deaktivere afkrydsningsfeltet Aktiverer manuel kommando og uncheck boksen Eksklusive kontrol .
- Bruge montering armatur til at justere kupon inde greb. En elastisk snor kan bruges til at holde den sløje adapter i en tilbagetrukken stilling giver plads til at installere Kuponen. Stramme kupon i bunden greb først.
- Skubbe nøglen ikonet i øverste højre hjørne til at aktivere håndsættet på håndsættet. Sikre, at den Eksklusive kontrolboksen på software ukontrolleret. Sørg for den øverste greb er løs for at forhindre uønskede anvendelsen af belastning til modellen.
- Fjerne den elastiksnor og skubbe hjulet ikonet nedenfor drejehjulet på controlleren til at aktivere den. Langsomt rulle hjulet for at bringe hovedet, indtil den nederste arm slæk adapterens er trukket næsten helt tilbage og crosshead er næsten på-125 mm.
Bemærk: placeringen af hovedet kan læses på håndsættet.
- Fjerne den elastiksnor og skubbe hjulet ikonet nedenfor drejehjulet på controlleren til at aktivere den. Langsomt rulle hjulet for at bringe hovedet, indtil den nederste arm slæk adapterens er trukket næsten helt tilbage og crosshead er næsten på-125 mm.
- Skubbe nøglen ikonen igen at de-aktivere håndsættet på håndsættet. Tilbage til computeren og på Controller Application check boksen Eksklusiv kontrol og bruge Manuel kontrol for at bringe hovedet til præcis-125 mm. Den øverste greb er løs, så der er ingen belastning anvendes på kuponen.
- Nu, stram top greb med en svensknøgle og en nøgle ved at dreje den sløje adapter. Drej ikke kupon mens du strammer grebet.
- Kontroller spiral skiver mellem slæk adapteren og den mellemliggende crosshead og sørg for de er stramme, og der er ingen aksiale spillerum langs belastning toget.
- Igen, ved hjælp af boksen crosshead kontrol tilbage rammen til den høje sats (kanin ikon), og sørg for skabet døre er stramt lukket.
- Tilbage på computeren, for at rydde Klik blokeringsanordninger Reset (på højre side af Controller Application).
Bemærk: Blokeringsanordninger omfatter "Interlock 1" (et interlock chain kører gennem alle rammer og den hydrauliske pumpe), "Program 1" (computersoftware kontrolleres, for eksempel, høj/lav hastighed), "Gate 1" (kabinet og sats switch), og "C-Stop 1" (kontrollerede stop) . - Når der er ingen planer om at flytte hovedet manuelt, skal du gå til markeringen Aktiverer manuel kommando i Manual kommandomenuen at undgå ved et uheld at indtaste et tal i softwaren og flytte hovedet.
5. DIC setup forberedelse
- Tilslut den high-speed kamera til computeren ved hjælp af en Gigabit LAN-kabel.
- Forbind boksen Digital i/o til high-speed kamera og MTC ramme controller.
- Slut computeren til MTS ramme controlleren via boksen DAQ. Kraft og forskydning signaler der overføres fra MTS-controller til computeren via denne boks.
- Tilslut den højhastighedskamera til boksen DAQ for trigger signal og synkronisering signal.
- Montere kameraet på bunden af rammen belastning at undgå relative bevægelse mellem kamera og prøvemateriale under prøvningen, som rammen ryster på grund af virkningen.
- Anbring kameraet omhyggeligt for at sikre dens billedsensor er parallel til modellen. Brug en telecentrisk linse (fx Opto-engineering 23-64with et synsfelt på 64 × 48 mm og 182 mm arbejde afstand) til at reducere muligheden for perspektiv forvrængning fra ud-af-flyet bevægelse.
- Under kamerakonfiguration, overveje at den endelige deformation af prøven og sørge for kameraets synsfelt dækker prøven gennem hele testen.
- Konfigurer software forbindelser i computeren, skal du vælge netværk og deling centret fra Windows Kontrolpanel. Klik derefter på LAN-forbindelse.
- Vælg Internet Protocol Version 4 (TCP/IPv6) i Local Area Connection -egenskaber og Indstil IP-adressen.
- Åbn High-Speed Imaging viewer software og klik registrere og derefter gemme opsætningen.
- Klik på knappen Kamera valgmulighed og vælg fanen I/O til at sætte de eksterne signaler.
- Hvis du vil angive den indramme sats og ramme opløsning, skal du klikke på knappen variabel . Sæt kameraet frekvens og data erhvervelse (DAQ) boks erhvervelse sats til samme nummer som high-speed dataoptegningssystem i rammen belastning at gøre data analyse trin lettere
- Åben høje hastighed DAQ i High-Speed Imaging fremviseren og vælg de ønskede kanaler og prøver pr. ramme.
- Efter kamera setup, fange flere statiske billeder og beregne stamme feltet billede korrelation rutine.
Bemærk: Den maksimale belastning og forskydninger målt fra denne støj gulvet er noteret og give en kvalitativ måling af billedkvaliteten.
6. løb testen
- I test design software, fra den øverste menu Følg fil > Ny > Test > Test fra skabelonen. Åbn derefter Spænding Testunder Brugerdefinerede skabeloner .
- Vælg Ny Test Run og skriv et gyldigt filnavn (normalt navnet på Kuponen uden mellemrum). Rediger felterne efter behov; Klik derefter på OK.
- Hvis strain gauges inkluderet, Husk at input Channel tæller som 4.
- Udgangspunktet er som regel-125 mm. Dette er vigtigt, fordi hvis det ikke er korrekt hovedet vil flytte til denne værdi før prøven starter muligvis beskadige kupon.
- Standardværdierne for Høj hastighed erhvervelse sats og Bufferstørrelse er 50.000 og 20.000, henholdsvis. Afhængigt af varigheden af test og krævede tidsopløsning (tidsintervallet mellem datapunkter), ændre disse tal om nødvendigt.
Bemærk: Standardparametre resultere i at redde data for varigheden af 0,4 s. - For Rampe sats Vælg nominelt ønskede hoved hastighed (for eksempel, 8.000 mm/s), klik derefter på OK.
- En række af prompter vil vises, at minde hen til indskrive nøglen hardware gange, hvorefter prøven vil blive indledt ved at klikke på ikonet køre .
- På kontrol-konsollen skifte Stilling vælges til Høj sats. Dette aktiverer den store ventil for høj belastning ansøgning. Standard ventil 1 er markeret (lyset er tændt).
- På computerskærmen vises en række trin. Følg trinnene.
- På kontrol-konsollen, presse og holde Armen/opladning akkumulator switch. Systemet er nu klar.
- Tryk på ilden til at udføre testen.
- Skifte den Tilstand Vælg tilbage til Standard og tryk på retur for at starte (grøn knap) på konsollen for at vende tilbage hovedet tilbage fra endehætten (125 mm).
- Gå til kontrolelementet crosshead og skifte tilbage til den lave sats (skildpadde ikon).
- Åbn kabinettet og tage ud af modellen. Find de datafiler gemt på computeren på
C:\Datafiles\High sats Data (for høj hastighed data) og på C:\Datafiles\Low sats Data (for lav sats data).
7. lukkeproceduren.
- Drej HSM 1 til lav (gul) og derefter til Off (rød) på Controller Application softwaren. Dette vil lukke manifolden og lukke pumpen.
- I test design softwaren, gemme testkørsel, hvis det kræves af følgende fra den øverste menu fil > Gem som og derefter vælge testen. Luk test design software.
- Luk programmet Controller. Gem parametrene før du lukker programmet, hvis det kræves. Lukke computeren ned.
- Luk den hydraulisk ventil (stort håndtag) og slukke strømmen til kontrol konsollen igen ved hjælp af power-knappen på UPS'EN.
8. dataanalyse
- Eksportere de rå data fra belastning frame computer ind i efterbehandling software valg.
- Beregn den faktiske belastning fra strain gauge udlæsninger monteret på afsnittet gauge og sammenligne det med rå Indlæs data fra den høje hastighed DAQ. Hvis ringen i den høje hastighed DAQ data er svær, bruge den beregnede belastning fra strain gauge i næste trin4.
- Beregne stress i den gauge sektion, σgauge, baseret på den beregnede belastning, P, og modellen tværsnit på afsnittet gauge, enx - sektion:
- Opnå belastningen på afsnittet gauge fra en af følgende metoder:
- Gennemsnitlig stamme i afsnittet sporvidde:
- Beregne tab afsnit brudforlængelse ved at kende belastningen, fanen afsnit længde, modellens elasticitetsmodul og tværsnitsareal.
Bemærk: Hvis den elasticitetsmodul er en funktion af stamme sats, en iterativ fremgangsmåde (detaljer er forklaret i reference7) er påkrævet. - Trække fanen afsnit brudforlængelse fra hele modellen brudforlængelse (dvs. belastning ramme hovedet forskydning) at opnå gauge afsnit brudforlængelse.
- Beregn den gennemsnitlige stamme i afsnittet gauge baseret på gauge afsnit strækforlængelse og den oprindelige længde.
- Beregne tab afsnit brudforlængelse ved at kende belastningen, fanen afsnit længde, modellens elasticitetsmodul og tværsnitsareal.
- Lokale stamme fra DIC:
- Bestemme placering på afsnittet gauge hvor modellen mislykkedes (dvs. delt i to) og begrænse feltet stamme til et lokalområde på nærhed af afsnittet fiasko.
- Måle og registrere stammen i området ved hjælp af DIC efterbehandling software af valget.
- Gennemsnitlig stamme i afsnittet sporvidde:
- Tegne stress-strain kurven fra de forrige trin.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Varigheden af en dynamisk test er typisk sammenlignes med den nødvendige tid til stress bølger til at rejse en rundtur over længden af belastning (dvs. greb, modellen og lastning) system1. En dynamisk test er gyldig, hvis antal og amplitude af stress bølger under en dynamisk proeve styres således, at en dynamisk ligevægt er opnået, og modellen oplever en homogen deformation med en næsten konstant belastning hastighed. Samfund af Automotive Engineers (SAE) udkast til SAE J2749 standard8 kræver mindst 10 elastisk reflekterede bølger til at blive overført via modellen måle længde før prøven udbytte punkt. Højere naturlige frekvens systemer har normalt ringer svingninger (dvs. svingninger af signalet, normalt som svar på et trin input) med lavere amplituder. Denne ringetone fænomen er den største udfordring i en dynamisk test på medium til høj belastning satser. Niveau af ringetoner (dvs. frekvens og amplitude af oscillerende signal) bestemmer, om rå Indlæs data indhentet fra belastning rammen er acceptabelt eller ej. Figur 1 viser eksempler på belastning signaler for to forskellige tests. I begge test, er belastningen fra rammen belastning i forhold til belastningen beregnet på grundlag af strain gauge output installeret på fanen afsnit af modellerne. Selv om begge disse tests blev udført korrekt, kan ikke indlæse data direkte udvundet fra belastning ramme kraft link bruges til sagen vist i figur 1b. I dette tilfælde er ved hjælp af en alternativ belastning måleteknik, som fanen afsnit stamme måling, nødvendige; Mens rå Indlæs data fra belastning rammen (vist i figur 1en) har god aftale med stammen gauge belastninger. I sådanne tilfælde yderligere tests kan udføres uden at installere fanen afsnit strain gauges og belastningen kan læses direkte fra linket belastning ramme kraft. Den afringning fænomen er tidligere blevet observeret af andre forskere3,9,10,11. Amplitude og frekvens af svingningerne bestemmes baseret på parametre som modellen materiale, geometri og hastighed, belastning, og når kombinationen af alle disse faktorer fører til mindre ringer, de rå data bruges direkte eller, om fornødent efter anvende mindre udjævning teknikker såsom filtrering.
Et typisk eksempel på DIC resultater for en dogbone aluminium model er vist i figur 2. Stamme felt udviklingen med tid på afsnittet hele gauge er vist i denne figur. Modellen var fast på bunden greb, og den øverste greb anvendt spænding. I denne test, den high-speed kamera havde en rammehastighed på 50.000 Hz og fanget omkring 100 billeder under testen, men billederne vist i denne figur er 0,4 ms apart. Den ensartede stamme inden for et givet udsnit af modellen viser korrekt indlæsning og analyse af data under prøven. Tabet af DIC korrelation i det sidste billede var svær necking, der resulterede i malingen skaller, og var uundgåelig umiddelbart før fiasko på nærhed af zonen fiasko.
Figur 3 illustrerer de stress-strain kurver udvundet af DIC og fra belastning ramme crosshead forskydning data. Denne figur viser den gennemsnitlige stress-stamme i afsnittet hele gauge og er kun præsenteres for at bevise gyldigheden af teknikkerne og den gode aftale mellem resultaterne. Når man studerer den lokale necking i afsnittet gauge gennem DIC, kan resultaterne ikke sammenlignes med de gennemsnitlige stammer opnået over hele gauge sektion. Under necking fænomen, de fleste af deformationen opstår på necking regionen og resten af afsnittet gauge ikke strække men bevæger sig næsten som en stiv krop. Derfor, ved beregningen af den gennemsnitlige stamme over afsnittet gauge, denne lokale strækning i området necking er tilknyttet afsnittet hele gauge med en længere længde, i forhold til længden af zonen necking og vil resultere i en lavere fiasko stamme.
Figur 1 : Sammenligning af belastning hidrører fra belastning ramme kraft link og beregnes ud fra den strain gauge. Den afringning fænomen i kraften sammenkæde data (stiplede blå linje) for sag (A) er acceptable og for tilfælde (B) ikke er acceptabel. Paneler (A) og (B) viser eksempler på eksperimentelle resultater for to prøver med forskellige prøver (f.eks. materiale, dimension, etc.) og stamme sats. I hver figur illustreres Indlæs data indhentet fra belastning ramme (stiplede blå) og beregnet fra strain gauge udlæsninger (lyser rødt). Den mindre niveau af svingning (dvs. ringetoner) i belastning frame data i panelet viser (A), at denne test ikke kræver strain gauge instrumentation, men svær ringende vist i panelet (B) gør strain gauge instrumentation nødvendigt. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2 : Stamme felt i afsnittet gauge i en aluminium dogbone prøvemateriale under prøven. Stamme værdier er i m/m, og billederne er 0,4 ms apart. The DIC resultater på afsnittet sporvidde af en metallisk dogbone modellen er vist i denne figur. Fem forskellige snapshots (ud af de 100 billeder taget) præsenteres for at vise udviklingen i belastning og modellen strækker sig med tiden. Legenden om alle billeder er også vist at definere belastningsniveauet forbundet til hver farve. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3 : Sammenligning af belastning rammen og DIC udvundet gennemsnitlige stress-strain kurver over afsnittet hele gauge. Stress-strain kurver bestemmes ud fra belastning ramme resultater (stiplede blå) og udvundet af DIC resultater (solid rød) er vist her. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De rå data fra eksperimentet er påvirket af model geometri og strain gauges placering på prøven. Indlæs data i lav stamme sats dynamiske prøver erhvervet af en piezo-elektriske load washer indarbejdet i rammen belastning ved højere belastning satser (Bruce mfl. 3 foreslåede > 10/s, mens for Wang mfl. 9 rapporterede denne grænse til 100/s) typisk lider stor amplitude svingninger på grund af dynamiske bølger tilknyttet lastning. Som vist i figur 1en kombination af prøven materiale, kan geometri og stamme sats gøre load washer signal upraktisk på grund af et højt niveau af støj. Derfor skal der tages alternative tilgange til belastning læsning, som installerer en strain gauge på fanen afsnit af modellen er den mest almindelige3. For at beregne belastningen fra den målte belastning data, er det afgørende at sikre afsnittet fane (hvor belastning beregning strain gauge er installeret) forbliver i ordningen elastisk deformation under prøven. Også som forklaret i afsnittet protokol for at sikre, at fraværet af enhver grænse effekter (dvs. på grund af Saint-Venant princip) strain gauges er forpligtet til at være installeret langt fra grip sektion (hvor de påvirkes lokalt af belastningen), eller måleren afdeling (hvor en ændring i geometri forstyrrer den ensartede strøm af stress), ellers finite element analyse er nødvendig for at kompensere for stress fusionen faktor4. Under trinnet analyse er beskæftiger en række filtrering teknikker, såsom hurtig Fourier Transformation (FFT) og gennemsnit, for at fjerne eller mindske støjniveauet også rapporteret12. Men denne tilgang risikerer at eventuelt maskering højtydende adfærd, og derfor anbefales ikke.
Som den største udfordring i mellemliggende stamme sats mekaniske test, ringende typisk resultater fra to hovedkilder: bølgeudbredelse, og systemet ringer13. Forskellige forskere anbefaler giver mulighed for mere end tre sejladser5,14 (10 sejladser for polymerer1,8) af stress bølger gennem gauge længde for at nå dynamiske ligevægt. For stamme satser mere end 200/s, test varighed falder efter 0,1 ms, som er sammenlignelig med tre tilbagetid og derfor bar systemer (f.eks. Hopkinson) er foretrukket frem servo-hydrauliske belastning rammer. Den anden kilde til belastning signal svingning er relateret til den afringning fænomen1,14,15,16,17,18,19 , 20 , 21, som opstår, når impuls under belastning Introduktion fører testsystemet at svinge på grund af træghed effekter22. Ansætte letvægts klemmer og montering af prøven så tæt som muligt på linket kraft vil være effektiv til at reducere den afringning virkning15,23 for stamme priser nedenfor 100/s. Den mest dominerende faktor i at reducere ringen er at forbedre måleteknik, som drøftet indgående i litteratur3,9,10,11,16 ,17 hvor piezo-elektriske belastning skiver (tvinge links) blev anerkendt som værende uegnet til stamme satser ud over 100 s1, på grund af deres lag og svingninger3,15. Den fælles løsning, involveret som præsenteres her, vedhæfter strain gauges på fanen afsnit eksemplar1,3,9,10,11,16 ,17. En post-test evaluering af mislykkede prøven skal bekræfte at modellen fejlen opstod på afsnittet gauge med ingen tegn på glider observeret på afsnittene greb. Stamme sats skal også evalueres for at sikre, at det forblev konstant under en dynamisk test24.
Lukkede form løsninger1,11 eller finite element analyser10,25,26 har været beskæftiget i en række forskningsgrupper at model mellemliggende til høj belastning hastighed test. Disse undersøgelser hjælpe med at forstå fysik af fænomener i sådanne tests samt target model design og optimering at opnå pålidelige resultater; men eksperimentel procedure som beskrevet heri er stadig den vigtigste kilde til materiale karakterisering data. Indarbejde materialeegenskaber, fremstillet af sådanne eksperimentelle undersøgelser, nye simuleringer, kan designeren model komplicerede dynamisk fiasko scenarier, såsom fuldskala bilulykker.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at oplyse.
Acknowledgments
Forfatterne anerkender den store bistand fra Dmitrii Klishch, Michel Delannoy, Tyler Musclow, Fraser Kirby, Joshua Ilse og Alex Naftel. Økonomisk støtte af National forskning Rådet Canada (NRC) gennem sikkerhed materialer Technology (SMT)-programmet er også værdsat.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Camera Lens | Opto Engineering | Telecentric lens 23-64 | |
| High Speed Camera | SAX Photron Fastcam | ||
| High Speed DAQ | National Instruments | USB-6259 | |
| High Speed Servo-Hydraulic Load Frame | MTS Systems Corporation | Custom Built | |
| Jab Bullet Light with diffuser | AADyn JAB BULLET | 15° diffusers | |
| Strain gauge | Micro-Measurements | Model EA-13-062AQ-350 |
References
- Xiao, X. Dynamic tensile testing of plastic materials. Polymer Testing. 27 (2), 164-178 (2008).
- Nemat-Nasser, S., Isaacs, J. B., Starrett, J. E. Hopkinson techniques for dynamic recovery experiments. Proceedings of Royal Society of London A Mathematical Physical and Engineering Sciences. 435 (1894), 371-391 (1991).
- Bruce, D., Matlock, D., Speer, J., De, A. Assessment of the strain-rate dependent tensile properties of automotive sheet steels. SAE World Congress. , Detroit, United States. (2004).
- Rahmat, M. Dynamic mechanical characterization of aluminum: analysis of strain-rate-dependent behavior. Mechanics Time-Dependent Materials. , (2018).
- Gray, G., Blumenthal, W. R. Split-Hopkinson pressure bar testing of soft materials. 8, ASTM International. Materials Park, OH. 1093-1114 (2000).
- ISO 26203-2:2011; Metallic materials-Tensile testing at high strain rates-Part 2: Servo-hydraulic and other test systems. , International Organization for Standardization. Switzerland. 15 (2011).
- Rahmat, M., Naftel, A., Ashrafi, B., Jakubinek, M. B., Martinez-Rubi, Y., Simard, B. Dynamic Mechanical Characterization of Boron Nitride Nanotube - Epoxy Nanocomposites. Polymer Composites. , In Press (2018).
- SAE, High strain rate testing of polymers. SAE International. , 27 (2008).
- Wang, Y., Xu, H., Erdman, D. L., Starbuck, M. J., Simunovic, S. Characterization of high-strain rate mechanical behavior of AZ31 magnesium alloy using 3D digital image correlation. Advanced Engineering Materials. 13 (10), 943-948 (2011).
- Mansilla, R. A., García, D., Negro, A. Dynamic tensile testing for determining the stress-strain curve at different strain rate. 6th International Conference on Mechanical and Physical Behaviour of Materials Under Dynamic Loading. 10 (9), Krakow, Poland. 695-700 (2000).
- Zhu, D., Mobasher, B., Rajan, S. D., Peralta, P. Characterization of Dynamic Tensile Testing Using Aluminum Alloy 6061-T6 at Intermediate Strain Rates. Journal of Engineering Mechanics. 137 (10), 669-679 (2011).
- Schossig, M., Bieroegel, C., Grellmann, W., Bardenheier, R., Mecklenburg, T. Effect of strain rate on mechanical properties of reinforced polyolefins. 16th European Conference of Fracture. , Kluwer Academic Publishers. Alexandroupolis, Greece. 507-508 (2006).
- Xia, Y., Zhu, J., Wang, K., Zhou, Q. Design and verification of a strain gauge-based load sensor for medium-speed dynamic tests with a hydraulic test machine. International Journal of Impact Engineering. 88, 139-152 (2016).
- Yang, X., Hector, L. G., Wang, J. A Combined Theoretical/Experimental Approach for Reducing Ringing Artifacts in Low Dynamic Testing with Servo-hydraulic Load Frames. Experimental Mechanics. 54 (5), 775-789 (2014).
- Xia, Y., Zhu, J., Zhou, Q. Verification of a multiple-machine program for material testing from quasi-static to high strain-rate. International Journal of Impact Engineering. 86, 284-294 (2015).
- Yan, B., Kuriyama, Y., Uenishi, A., Cornette, D., Borsutzki, M., Wong, C. Recommended Practice for Dynamic Testing for Sheet Steels - Development and Round Robin Tests. SAE International. , Detroit, United States. (2006).
- Borsutzki, M., Cornette, D., Kuriyama, Y., Uenishi, A., Yan, B., Opbroek, E. Recommendations for Dynamic Tensile Testing of Sheet Steels. International Iron and Steel Institute. , Brussels, Belgium. (2005).
- Rusinek, A., Cheriguene, R., Bäumer, A., Klepaczko, J. R., Larour, P. Dynamic behaviour of high-strength sheet steel in dynamic tension: Experimental and numerical analyses. The Journal of Strain Analysis for Engineering Design. 43 (1), 37-53 (2008).
- Diot, S., Guines, D., Gavrus, A., Ragneau, E. Two-step procedure for identification of metal behavior from dynamic compression tests. International Journal of Impact Engineering. 34 (7), 1163-1184 (2007).
- LeBlanc, M. M., Lassila, D. H. A hybrid Technique for compression testing at intermediate strain rates. Experimental Techniques. 20 (5), 21-24 (1996).
- Xiao, X.
- Othman, R., Guégan, P., Challita, G., Pasco, F., LeBreton, D. A modified servo-hydraulic machine for testing at intermediate strain rates. International Journal of Impact Engineering. 36 (3), 460-467 (2009).
- Kwon, J. B., Huh, H., Ahn, C. N. An improved technique for reducing the load ringing phenomenon in tensile tests at high strain rates. Annual Conference and Exposition on Experimental and Applied Mechanics. Costa Mesa, United States. , Springer New York LLC. (2016).
- Pan, W., Schmidt, R. Strain rate effect in material testing of bulk adhesive. 9th International Conference on Structures Under Shock and Impact. 87, The New Forest. United Kingdom. 107-116 (2006).
- Zhang, D. N., Shangguan, Q. Q., Xie, C. J., Liu, F. A modified Johnson-Cook model of dynamic tensile behaviors for 7075-T6 aluminum alloy. Journal of Alloys and Compounds. 619, 186-194 (2015).
- Fitoussi, J., Meraghni, F., Jendli, Z., Hug, G., Baptiste, D. Experimental methodology for high strain-rates tensile behaviour analysis of polymer matrix composites. Composites Science and Technology. 65 (14), 2174-2188 (2005).
