Summary
Her presenterer vi en metode for dynamisk karakterisering av strekk til mellomliggende belastning priser bruker en høyhastighets servo-hydraulisk belastning. Prosedyrer for belastninger måle instrumentering og analyse og digitalt bilde korrelasjon press målinger på prøver, er også angitt.
Abstract
Mekanisk svaret av et materiale under dynamisk belastning er vanligvis forskjellig virkemåten under statisk forhold; Derfor gjelder felles quasistatic utstyr og prosedyrer brukes til materielle karakterisering ikke for materialer under dynamisk belastning. Den dynamiske responsen av et materiale avhenger av dens deformasjon rate og grovt kategoriseres i høy (dvs. større enn 200/s), middels (dvs. 10−200/s) og lav belastning rate regimer (dvs. under 10/s). Hver av disse regimer krever spesielle fasiliteter og testing protokoller å sikre at den ervervet data. På grunn av begrenset tilgang til høyhastighets servo-hydraulisk fasiliteter og validert testing protokoller er det en merkbar gap i resultatene hastigheten mellomliggende belastning. Gjeldende manuskriptet presenterer en validert protokoll for karakterisering av ulike materialer på disse mellomliggende belastning priser. Strain gauge instrumentering og digitalt bilde korrelasjon protokoller er også inkludert som gratis moduler å trekke den ytterste nivået av detaljerte data fra hver enkelt test. Eksempler på rådata, Hentet fra en rekke materialer og test oppsett (f.eks, strekk og skråstille) presenteres og analyse prosedyren brukes til å behandle utdata er beskrevet. Til slutt, utfordringene i dynamiske karakterisering ved hjelp av gjeldende, begrensninger av anlegget og metoder for overvinne potensielle problemer drøftes.
Introduction
De fleste materialer demonstrere noen grad av belastningen hastigheten avhengighet i deres kvantemekaniske1 , og derfor mekanisk testing utført bare ved quasistatic belastning priser er ikke egnet til å avgjøre de materielle egenskapene for dynamisk programmer. Belastning rate avhengighet av materialer er vanligvis undersøkt med fem typer mekaniske testing systemer: konvensjonelle skruen stasjonen Last rammer, servo-hydrauliske systemer, høy servo-hydrauliske systemer, innvirkning testere og Hopkinson bar systemer 1. delt Hopkinson barer har vært en vanlig funksjon for dynamisk karakterisering av materialer siste 50 år2. Det har også vært forsøk på å endre Hopkinson barer å teste på middels og lavere belastning priser. Men disse er vanligvis mer egnet for høy belastning hastigheten karakteristikkene av materialet (dvs., vanligvis større enn 200/s). Det er et gap i litteraturen om belastningen hastigheten karakterisering av materielle egenskapene til mellomliggende belastning priser i området 10−200/s (dvs., mellom quasistatic og høy belastning rate resultater fra delt Hopkinson barer3), som er grunn begrenset tilgang til fasiliteter og en mangel på pålitelig prosedyrer mellomliggende belastning rate materiale testing.
En høyhastighets servo-hydraulisk Last ramme gjelder prøven på en konstant og forhåndsdefinerte hastighet belastning. Dette laste rammer fordel fra en slakk adapter, som i strekk tester, lar crosshead å nå ønsket hastigheten før lasting starter. Slakk adapteren lar hodet til reise en viss avstand (f.eks 0.1 m) for å nå målet hastigheten og starter deretter bruke belastningen på prøven. Høyhastighets servo-hydraulisk Last rammer vanligvis utføre testene under forskyvning kontrollmodus og opprettholde en konstant aktuator hastighet for å produsere konstant utvikling belastning priser3.
Teknikker for måling av prøven forlengelse er vanligvis klassifisert som enten kontakt eller noncontact teknikker4. Kontakt teknikker inkluderer bruk av instrumenter som klips hjelp, mens laser hjelp er ansatt for noncontact målinger. Siden kontakt hjelp er utsatt for treghet påvirkninger, er de ikke egnet for dynamiske prøver; noncontact hjelp lider ikke av dette problemet.
Digitalt bilde korrelasjonen (DIC) er en optisk, kontaktløs, full-feltet belastning måling teknikk, som er en alternativ tilnærming til belastning måle måle belastning/belastning og overvinne noen av utfordringene (f.eks ringing fenomenet) forbundet med dynamisk materiale karakterisering5. Motstand Måløy kan lide av begrensninger som et begrenset område av måling, et begrenset utvalg av forlengelse, og begrenset montering metoder, mens DIC er alltid i stand til å gi en full-feltet belastning måling prøveoverflaten under den eksperiment.
Presentert prosedyren beskriver bruken av et høyhastighets servo-hydraulisk Last ramme med DIC og kan brukes som en komplementær dokumentet til nylig utviklet standard retningslinjer6 å klargjøre detaljene i den eksperimentelle prosedyren. Delen på servo-hydraulisk Last rammen kan følges for en rekke test oppsett (f.eks, strekk, kompresjons, og skjær) og selv med vanlige quasistatic Last rammer også, og derfor dekker et bredt utvalg av fasiliteter. Videre kan delen DIC brukes separat til noe mekanisk og termisk tester, med mindre endringer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. prøven forberedelse
- Forberede hunden bein formet strekk prøver etter ISO standard6 på forhånd.
Merk: Lignende prøver er også brukt4. - Installere Måløy delen kategorien (obligatorisk for laste måling) og måle delen (valgfritt for press måling) strekk prøven.
- Velg riktig modellen av belastninger måle basert på størrelse, maksimal forlengelse, testing temperatur, motstand, etc.4.
- Rengjør overflaten av prøven med isopropanol å fjerne eventuelle forurensning og installere press måle på riktig sted. Installere kategorien delen press måle på lik eller større enn bredden på avsnittet kategorien fra den gripende og måle inndelingen å sikre en ensartet stress flyt av den nominelle verdien (dvs. ingen stress konsentrasjon), ellers numerisk analyse er nødvendig for å forutsi stress verdien plasseringen av press måle.
- Koble belastninger måle ledningene til boksen Wheatstone broen. Bruk kategorien en wire-tilkobling hvis nødvendig for å montere tilkoblinger til eksterne ledningene.
- Kontroller press måle lesing med en enkel lessing og betingelser. Bruke en kjent Last prøven (f.eks henge en kjent masse fra prøven) og sjekk lettleselig belastning.
- Forberede prøven DIC som følger:
- Utarbeide overflaten av prøven med Høykontrast funksjoner. For eksempel maling prøven hvit og speckle det med små svarte prikker. Gjennom prøving og feiling med speckle mønsteret til kameraet bildet sensorstørrelse slik at hver speckle består av ca 3 piksler eller mer.
Merk: Unngå utfører DIC på siden at Måløy installeres for å hindre uønskede overflaten funksjonene. - La malingen tørke før testen. Teste prøven, helst i samme dag det var malt.
Merk: Avhengig av type og konsistensen av maling, dette kan ta opptil et par timer. Ikke la den flekkete prøver for en lengre periode (f.eks flere dager) før testing som dette vil resultere i maling blir sprøtt og flasser av under testen.
- Utarbeide overflaten av prøven med Høykontrast funksjoner. For eksempel maling prøven hvit og speckle det med små svarte prikker. Gjennom prøving og feiling med speckle mønsteret til kameraet bildet sensorstørrelse slik at hver speckle består av ca 3 piksler eller mer.
2. oppstartsprosessen
- Slå på strømmen til kontroll konsollen ved hjelp av knappen på UPSEN (Uninterruptable strømforsyning). Kontroller at Avstengningsventil fra pumpen til høy rammen er åpen, og slå deretter på datamaskinen.
- Fra skrivebordet start Klikk programmet kontrolleren, velge Høy Rate beregne Displacement.cfg konfigurasjonen, deretter Tilbakestill Fjern sperre 1 (under Stasjonen kontroller).
Merk: Andre to indikatorer (Program 1 og Gate 1) er røde fordi høytrykk hydraulisk ikke brukes ennå. - Sjekk Kontroll slik at rammen kan bare kontrolleres fra programvaren (og ikke fra håndsettet).
- Nå starter opp den hydrauliske pumpen (HPU) og åpner tjenesten manifold (HSM 1) en av en (3 totalt). For hvert fall vente til indikatoren lav slutter å blinke før du trykker på høye indikatoren. Hvis pumpen har vært på lenge, vente 30 s før du velger den høye å gi mater pumpe tid å forsyne høytrykks pumpen.
- Igjen, fra skrivebordet, begynne Test programvare. Fra verktøylinjen må er HPU og HSM 1 ON (grønn). Fra menyen øverst Fil > Ny > Test fra malen Velg Egendefinerte maler, og velg deretter spenning test.
3. oppsett av Måløy
- Gå til Last crosshead rammekontrollen (ved siden av håndsettet) og slå til lav hastighet (skilpadde ikonet).
- I test chamber koble ledningene av prøven strain gauge(s) til belastninger måle boksen med fargekode (rød, hvit og svart). Hvis det er bare én belastninger måle, bruke SG 1 serien.
Merk: Red ledelsen er separate terminalen (eksitasjon + eller -), og de hvite og svarte er følelsen og signal fører. - I programmet kontrolleren og under Auxiliary innganger gå til belastning 1 (eller 2) velge maksimal rekkevidde på stammene (dvs. 2%, 5% eller 10%). For eksempel hvis 5% er valgt, programvaren kart dette fra 50.000 µε 10 volt utgang og kan ikke måle stammer mer enn 5%.
- Kjøre balsam verktøyet programvare for å konfigurere Måløy og balansere Wheatstone broen i henhold til følgende:
- Beregne utgangsspenning bruker formelen for Wheatstone broen:
Her VO er utgangsspenning, VE er eksitasjon spenningen, GF er målestokken faktoren, ε1 er 50.000 (5%), mens ε2, ε3og ε4 er null (ferdigstillelse bridge).
- Beregne utgangsspenning bruker formelen for Wheatstone broen:
- Beregne gevinsten ved hjelp av følgende ligning:
- I balsam nytte programvare er det alternativer 1, 8, 64 og 512 for Preamp gevinst, mens det innlegg amp få verdien er begrenset til 9. 9976. beregne innlegget amp gevinst basert på ulike alternativer 1, 8, 64 og 512 for Preamp få hjelp av følgende ligning:
- Velg laveste Preamp få som gir ut en Post amp gevinst som er lavere enn 9.9976, og disse verdiene inn verktøyprogramvaren balsam.
- Kjøre høy hastighet Data oppkjøpet konfigurasjon programvaren. Under press angi kanaler (Channel 3 og 4), fullskala området press måle (f.eks 50.000).
Merk: Kanal 1 og 2 er dedikert til fortrengning og makt, henholdsvis. - Forskyv Måløy null etter følgende:
- Først i programmet fjerne eventuelle forskyvningsverdier for belastning kanaler (ta forskyvningsverdier til null).
Merk: Denne prosessen har gjøres når test prøven hviler (f.eks i tabellen) og er ikke under belastning. - Juster deretter parameteren Bridge balanse å bringe avlesning belastningen nesten til null. Dette er grovjustering skritt.
- Deretter justere parameteren Tilbakemelding null , å bringe belastning verdien i belastning manager programvare helt til null. Dette trinnet er finjustering.
- For å sikre inndataparameterne var riktig, klikk på Overføre Aktiver.
Merk: Belastning verdien i kontrolleren søknaden programvare bør lese 1640 µε (med enten + eller - tegn). Husk å slå av shunt fjerne shunt Motstandsverdien av Wheatstone broen. Belastning verdien vil gå tilbake til null.
- Først i programmet fjerne eventuelle forskyvningsverdier for belastning kanaler (ta forskyvningsverdier til null).
- Hvis det er to Måløy på prøven, i verktøyprogramvaren balsam, klikk på belastning 2 og gjenta alle belastninger måle installeringsinstruksjonene.
4. montering av test-prøven
- I programmet kontrolleren aktivere Manuell kontroll og angir plasseringen av hodet full forlengelse på-125 mm.
- Klikk for å slå av alternativet Aktiver manuell kommandoen og uncheck boksen Kontroll .
- Bruk montering kampen justere kupongen i tak. En elastisk snor kan brukes til å holde slakk kortet i en trukket inn posisjon gir plass til å installere kupongen. Stram kupongen i bunnen grep først.
- Trykke tasten ikonet øverst til høyre å aktivere håndsettet på håndsettet. Kontroller at boksen Kontroll på programvaren er merket. Kontroller at øverste håndtaket er løs for å hindre uønskede programmet lasten til prøven.
- Fjerne elastisk ledningen og trykk hjulet ikonet nedenfor tommelhjulet på kontrolleren å aktivere den. Sakte rulle hjulet for å få hodet ned til bunnen arm slakk adapteren er nesten helt trukket og crosshead er nesten på-125 mm.
Merk: plasseringen av hodet kan leses på håndsettet.
- Fjerne elastisk ledningen og trykk hjulet ikonet nedenfor tommelhjulet på kontrolleren å aktivere den. Sakte rulle hjulet for å få hodet ned til bunnen arm slakk adapteren er nesten helt trukket og crosshead er nesten på-125 mm.
- Trykk tasten ikonet igjen for å de-aktivere håndsettet på håndsettet. Gå tilbake til datamaskinen og på kontrollerprogram sjekk boksen Kontroll og bruke Manuell kontroll for å få hodet til nøyaktig-125 mm. Topp grep er løs så ingen er det på kupongen.
- Nå, stram topp tak med en skiftenøkkel og en nøkkel ved å rotere slakk kortet. Ikke vri kupongen mens stramme grepet.
- Sjekk spiral skivene mellom slakk adapteren og mellomliggende crosshead og sørge for at de er stramt og det er ingen aksielle avstand langs Last toget.
- Igjen, bruke kontroll crosshead tilbake rammen til høy hastighet (kanin ikon), og kontroller at kabinett dørene er tett lukket.
- Tilbake på datamaskinen, fjerner du Klikk sikkerhetsanordninger Tilbakestill (på høyre side av programmet kontroller).
Merk: Sikkerhetsanordninger inkluderer "Interlock 1" (en sperre kjeden gjennom alle rammer og den hydrauliske pumpen), "Program 1" (programvare kontrollert, for eksempel, høy/lav hastighet), "Gate 1" (kabinett og Rate bryteren), og "C-Stop 1" (kontrollert stopp) . - Når det er ingen hensikt å flytte hodet manuelt, uncheck boksen Aktiver manuell kommandoen i Manuell kommandomenyen å unngå uhell å skrive inn et tall i programvaren og flytte hodet.
5. DIC setup forberedelse
- Koble høyhastighets kameraet til datamaskinen med en Gigabit LAN-kabel.
- Koble boksen Digital I/O til høyhastighets kamera og MTC ramme kontrolleren.
- Koble datamaskinen til MTS ramme kontrolleren gjennom boksen DAQ. Kraft og forskyvning signaler overføres fra MTS kontrolleren til datamaskinen via denne boksen.
- Koble høyhastighets kameraet i boksen DAQ for utløser signalet og synkronisering signal.
- Mount kameraet på bunnen av Last rammen å unngå relative bevegelse mellom kameraet og prøven under testen som rammen rister på grunn av virkningen.
- Plasser kameraet nøye for å sikre sin bildesensor er parallell til prøven. Bruk en telesentrisk linse (f.eks Opto-engineering 23-64with en synsfelt av 64 × 48 mm og en arbeidsavstand 182 mm) for å redusere muligheten for perspektiv forvrengning av ut-av-plane bevegelse.
- Under installasjonen av kameraet vurdere endelige deformasjon av prøven og sikre at kameraets synsfelt dekker prøven gjennom hele testen.
- Sette opp programvare tilkoblinger på datamaskinen, kan du velge nettverk og deler senter fra Windows Kontrollpanel. Neste klikk Lokalområdetilkobling.
- Velg Internet Protocol versjon 4 (TCP/IPv6) i egenskapene Lokalområdetilkobling og angi IP-adressen.
- Åpne High-Speed Imaging seer programvare og klikk merker og lagre oppsettet.
- Klikk på Kamera-Option -knappen og velg kategorien I/O angi eksterne signaler.
- Hvis du vil angi bildefrekvens og ramme oppløsning, klikk på knappen variabel . Sette kameraet frekvensen og oppkjøp (DAQ) for kjøp datahastigheten til samme nummer som høyhastighets oppkjøpet systemet i Last rammen å forenkle data analyse trinn
- Åpne . høy hastighet DAQ i High-Speed Imaging-visningen og velger de nødvendige kanalene og samples per ramme.
- Etter kamerainnstillingene, ta flere statiske bilder og beregne feltet belastning bruker bildet korrelasjon rutinen.
Merk: Maksimal belastning og forskyvninger målt fra denne støy etasje er kjent og gi en kvalitativ måling av bildekvaliteten.
6. kjører testen
- I testen programvare, fra toppmenyen følger Fil > Ny > Test > Test fra malen. Åpne deretter Spenning Testunder Egendefinerte maler .
- Velg Ny Test kjøre og angi et gyldig filnavn (vanligvis navnet på kupongen uten mellomrom). Endre feltene etter behov. Klikk deretter OK.
- Hvis Måløy er inkludert, må du huske å input Kanal teller 4.
- Utgangspunktet er vanligvis-125 mm. Dette er viktig fordi hvis dette ikke er riktig hodet vil flytte til denne verdien før testen starter muligens skadelige kupongen.
- Standardverdiene for Høy fart oppkjøp og Bufferstørrelse er 50 000 og 20 000, henholdsvis. Avhengig av varigheten av testen og tiden oppløsning (tidsintervallet mellom datapunkt), endre disse tallene hvis nødvendig.
Merk: Standardparametere føre lagrer data for varigheten av 0,4 s. - For Rampen Rate velger nominelle ønsket hodet hastighet (for eksempel 8000 mm/s), klikk OK.
- En rekke spørsmål vises, minner du nøkkel maskinvare ganger, etter testen vil startes ved å klikke på ikonet kjøre .
- Styrekonsollen bytte Modus velger til Høy. Dette aktiverer den store ventilen for høy belastning program. Standard ventil 1 er valgt (lyset er på).
- På skjermen vises en rekke trinn. Fremgangsmåten.
- Styrekonsollen, trykker og holder Arm/avgift akkumulator bryteren. Systemet er nå klar.
- Klikk brann å fullføre testen.
- Bytte Modus velger tilbake til Standard og trykk på tilbake for å starte (grønn knapp) å returnere hodet tilbake fra munnstykket (125 mm).
- Gå til kontrollen crosshead og gå tilbake til lav sats (skilpadde ikon).
- Åpner kabinettet og tar ut prøven. Finn datafiler lagret på datamaskinen
C:\Datafiles\High Rate Data (for høy data) og med C:\Datafiles\Low Rate (for lav sats data).
7. avslutningsprosedyren
- På kontrolleren søknaden programvare slå HSM 1 til lav (gul) og deretter til av (red). Dette lukker manifolden og stenge pumpen.
- Test programvare, lagre testkjøring, hvis nødvendig, av følgende fra menyen øverst Fil > lagre som og velg testen. Lukk test programvare.
- Lukk Kontrollerprogrammet. Lagre parametere før du lukker programvaren, hvis nødvendig. Slå av datamaskinen.
- Lukke hydraulisk ventilen (store spaken) og slå av strømmen til styrekonsollen igjen bruke strømknappen på UPSEN.
8. analyse
- Eksport rådata fra Last ramme datamaskinen til etterbehandling programvaren til valg.
- Beregne den faktiske belastningen fra belastninger måle readouts montert på delen måle og sammenligne den med rå laste data fra høyhastighets DAQ. Hvis ringing i høy hastighet DAQ data er alvorlig, bruker den beregnede belastningen fra press måle i neste trinn4.
- Beregne stress i gauge delen σmåle, basert på den beregnede belastningen, P, og prøven tverrsnittet på gauge delen, enx - delen:
- Skaffe belastningen på delen gauge fra en av følgende metoder:
- Gjennomsnittlig belastning i delen strikkefasthet:
- Beregne kategorien delen forlengelse av megetsigende belastningen, kategorien delen lengde, prøvens elastisk modulus og tverrsnitt.
Merk: Hvis elastisk modulus er en funksjon av belastning, en iterativ prosedyre (detaljer er forklart i referanse7) er nødvendig. - Trekk kategorien delen forlengelse fra hele prøven forlengelse (dvs. belastning ramme hodet forskyvning) å få gauge delen forlengelse.
- Beregne gjennomsnittlig belastningen i delen gauge basert på gauge delen forlengelse og den opprinnelige lengden.
- Beregne kategorien delen forlengelse av megetsigende belastningen, kategorien delen lengde, prøvens elastisk modulus og tverrsnitt.
- Lokale belastningen fra DIC:
- Finne plasseringen på gauge delen der prøven mislyktes (dvs. delt i to) og begrense feltet belastning til et lokalt område i nærheten av feil delen.
- Mål og registrere belastningen i det lokale området med DIC etterbehandlingsprogrammer av valget.
- Gjennomsnittlig belastning i delen strikkefasthet:
- Tegne stress-belastning kurven fra de forrige trinnene.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Varigheten av en dynamisk test er vanligvis sammenlignes med tiden som kreves for stress bølgene å reise en tur over lengden på lasten toget (dvs. håndtak, prøven og lasting) system1. En dynamisk test er gyldig hvis antallet og amplituden av stress bølger under en dynamisk test kontrolleres slik at en dynamisk likevekt er oppnådd, og prøven opplever en homogen deformasjon på en nesten konstant belastning. Society of Automotive Engineers (SAE) utkastet SAE J2749 standard8 krever minst 10 elastisk reflekterte bølger via prøven måle lengden før prøven avkastning poenget. Høyere naturlig frekvens systemer har vanligvis ringe svingninger (i.e. svingninger på signalet, vanligvis i respons til trinn inngang) med lavere amplituder. Dette ringetone fenomenet er den største utfordringen i en dynamisk test på middels til høy belastning priser. Nivået på ringer (i.e. frekvens og amplitude oscillerende signalet) fastsetter om rå laste dataene innhentet fra Last rammen er akseptabel eller ikke. Figur 1 viser eksempler på Last signaler for to ulike tester. I begge testene, belastningen fra Last rammen er i forhold til belastningen beregnet basert på belastninger måle utgang installert på kategorien delen av de. Selv om begge disse testene ble utført riktig, kan ikke laste dataene direkte Hentet fra koblingen Last ramme force brukes for saken i figur 1b. I dette tilfellet er bruker en alternativ laste måling teknikk, som kategorien delen belastninger måle, nødvendig; mens rå laste dataene fra Last rammen (vist i figur 1en) har god avtale med Påkjenningen måle laster. I slike tilfeller ytterligere tester kan utføres uten å installere kategorien delen Måløy og belastningen kan leses direkte fra koblingen Last ramme kraft. Ringing fenomenet er tidligere observert av andre forskere3,9,10,11. Amplituden og hyppigheten av svingninger fastsettes basert på parametere som Prøvemateriale, geometri og belastningen hastigheten, og når kombinasjonen av alle disse faktorene fører til mindre ringer, rådata brukes direkte eller, om nødvendig, etter bruke mindre utjevning teknikker som filtrering.
Et typisk eksempel på DIC resultater for en dogbone aluminium prøven er vist i figur 2. Belastning feltet utviklingen med tid på hele gauge delen vises i denne illustrasjonen. Prøven ble løst på bunnen grep, og topp grep brukes spenning. I denne testen, høyhastighets kameraet hadde en bildefrekvens på 50 000 Hz og tatt rundt 100 bilder under testen, men bildene som vises i denne illustrasjonen er 0,4 ms fra hverandre. Den jevn belastningen innenfor et bestemt tverrsnitt av prøven viser riktig lasting og dataanalyse under testen. Tap av DIC sammenhengen i det siste bildet var alvorlig necking, som resulterte i paint avskallinger og var uunngåelig umiddelbart før feilen i nærheten av sonen feil.
Figur 3 viser stress-belastning kurvene innhentet fra DIC og Last rammedata crosshead forskyvning. Denne illustrasjonen viser gjennomsnittlig stress-belastningen i delen hele gauge og vises bare for å demonstrere gyldigheten av teknikker og god avtale mellom resultatene. Når studere den lokale necking i delen gauge gjennom DIC, kan ikke resultatene sammenlignes med de gjennomsnittlige stammene oppnådd over hele gauge delen. Necking fenomen, de fleste av deformasjon forekommer i regionen necking og resten av måler delen ikke strekker men flytter nesten som en rigid kropp. Derfor ved beregning av gjennomsnittlig belastningen over delen gauge, denne lokale strekningen i necking området er tilordnet delen hele måle med en lengre lengde, sammenlignet med lengden på necking sonen, og medfører en lavere feil belastning.
Figur 1 : Sammenligning av Last innhentet fra koblingen Last ramme kraft og beregnet fra press måle. Ringing fenomenet i force koble data (prikkete blå linjen) for sak (A) er akseptabelt og for saken (B) ikke er akseptabelt. Paneler (A) og (B) vise eksempler på eksperimentelle resultater for to tester med forskjellige prøver (f.eks materiale, dimensjon, etc.) og belastning. I hver figur illustrert laster data innhentet fra Last rammen (stiplede blå) og beregnet fra belastninger måle readouts (solid rødt). Minor nivå av oscillasjonen (i.e. ringing) i Last rammedata i panelet viser (A) at denne testen ikke krever belastninger måle instrumentering, men alvorlig ringing vises i panelet (B) gjør belastninger måle instrumentering nødvendig. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2 : Belastning-feltet i delen gauge av en aluminium dogbone under testen. Strain verdier i m/m og bildene er 0,4 ms fra hverandre. The DIC resultatene på gauge delen av en metallisk dogbone vises i figuren. Fem forskjellige øyeblikksbilder (av 100 bilder tatt) presenteres for å vise utviklingen av belastning og prøven strekker seg med tiden. Legenden om alle bilder vises også til å definere hvilket belastning knyttet til hver farge. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3 : Sammenligning av Last rammen og DIC utdraget gjennomsnittlig stress-belastning kurver over delen hele gauge. Stress-belastning kurvene bestemmes av Last ramme resultatene (stiplede blå) og Hentet fra DIC resultater (solid rødt) vises her. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Rådata fra eksperimentet er påvirket av prøven geometri og Måløy plasseringen på prøven. Last dataene i lav belastning rate dynamic tester av en piezo-elektriske belaste skive innlemmet i Last rammen på høyere belastning priser (Bruce et al. 3 foreslåtte > 10/s, mens for Wang et al. 9 rapportert denne grensen til 100/s) vanligvis lider store amplituden svingninger på grunn av dynamisk bølger forbundet med lasting. Som vist i figur 1en kombinasjon av Prøvemateriale, kan geometri og belastning gjøre belaste skive signalet upraktisk på grunn av høy støy. Derfor må alternative tilnærminger belastning lese betraktes som installerer en påkjenning gauge kategorien delen av prøven er de vanligste3. For å beregne belastningen fra målt belastning data, er det avgjørende å sikre delen kategorien (der belastningen beregning press måle er installert) forblir i elastisk deformasjon regimet under testen. Også som forklart i delen protokollen for å sikre fravær av grensen effekter (dvs. på grunn av Saint-Venant-prinsippet) Måløy er krevde å bli installert langt fra delen grep (hvor de påvirkes lokalt Last), eller måleren Seksjon (der en endring i geometri forstyrrer uniform flyten av stress), ellers finite elementanalyse for å kompensere for stress konsentrasjon faktor4. Under data analyse trinn er bruke ulike filtreringsfunksjoner, for eksempel Fast Fourier transformasjon (FFT) og gjennomsnitt, for å fjerne eller redusere støynivået også rapportert12. Men denne tilnærmingen risikerer å muligens maskering gir virkemåten, og derfor anbefales ikke.
Som den største utfordringen i mellomliggende belastning rate mekanisk tester, ringing vanligvis resultater fra to viktigste kildene: bølgeutbredelse, og systemet ringer13. Ulike forskere anbefaler slik at mer enn tre rundturer5,14 (10 rundturer i polymerer1,8) av stress bølgene gjennom måle lengden for å nå dynamiske likevekt. For belastning priser større enn 200/s, test varigheten reduseres rekkefølgen 0,1 ms, som er sammenlignbare med tre rundetiden og derfor bar systemer (f.eks Hopkinson) er foretrukket over servo-hydraulisk Last rammene. Den andre kilden til lasten signal oscillation er relatert til den ringe fenomenet1,14,15,16,17,18,19 , 20 , 21, som oppstår når impulsen under belastning introduksjon leder testsystemet å svinge på grunn av treghet effekter22. Ansette lett klemmer og montering prøven så nært som mulig til koblingen force vil være effektive for å redusere ringing effekt15,23 for belastning priser under 100/s. Den viktigste faktoren i å redusere ringer er å forbedre måleverdien teknikken som diskutert mye i litteratur3,9,10,11,16 ,17 der piezo-elektriske Last skiver (tvinge koblinger) ble anerkjent som uegnet for belastning priser utover 100 s−1, på grunn av deres lag og svingninger3,15. Den felles løsningen, involvert som presenteres her, feste Måløy på kategorien delen av prøven1,3,9,10,11,16 ,17. En post-test evaluering av den mislykkede bør bekrefte at prøven feilen oppstod på delen gauge uten tegn til slipping observert delene grep. Belastningen hastigheten, bør også vurderes for å sikre forble konstant under en dynamisk test24.
Lukket skjemaet løsninger1,11 eller endelig element analyser10,25,26 har blitt ansatt av en rekke forskningsgrupper modellen middels til høy belastning rate tester. Disse studiene å forstå fysikk fenomener i slike tester som mål prøven design og optimalisering for å oppnå pålitelige resultater; men eksperimentelle prosedyren som forklart her er fortsatt den viktigste kilden til materialet karakterisering data. Innlemme materielle egenskapene fra slike eksperimentelle undersøkelser, nye simuleringer, kan designer modell kompliserte dynamiske feil scenarier som fullskala bilulykker.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne ikke avsløre.
Acknowledgments
Forfatterne bekrefter stor hjelp fra Dmitrii Klishch, Michel Delannoy, Tyler Musclow, Fraser Kirby, Joshua Ilse og Alex Naftel. Økonomisk støtte av den National Research Council Canada (NRC) gjennom programmet sikkerhet materialer teknologi (SMT) er også verdsatt.
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).
