Materiële karakterisering van het tarief van de tussenliggende stam met digitaal beeld correlatie

Summary

Hier presenteren we een methodologie voor de dynamische karakterisering van treksterkte specimens op tussenliggende stam tarieven met een kader voor een snelle servo-hydraulische belasting. Procedures voor spanningsmeter instrumentatie en analyse, alsmede voor digitaal beeld correlatie stam metingen op de specimens, worden ook gedefinieerd.

Abstract

De mechanische reactie van een materiaal onder dynamische belasting is meestal anders dan haar gedrag onder statische omstandigheden; Dus, de gemeenschappelijke quasi-statische Apparatuuren procedures gebruikt voor de karakterisering van de materiële gelden niet voor materialen onder dynamische belasting. De dynamische respons van een materiaal hangt af van de vervorming tarief en is in grote lijnen ingedeeld in hoge (dat wil zeggen, groter is dan 200/s), intermediate (dat wil zeggen, 10−200/s) en de lage spanning stem regimes (dat wil zeggen, onder 10/s). Elk van deze regimes vraagt om specifieke voorzieningen en testprotocollen om de betrouwbaarheid van de opgehaalde gegevens. Als gevolg van de beperkte toegang tot snelle servo-hydraulische faciliteiten en gevalideerde testprotocollen is er een merkbaar verschil in de resultaten tegen de koers van het tussenliggende stam. Het huidige manuscript presenteert een gevalideerde protocol voor de karakterisering van verschillende materialen op deze tussentijdse stam tarieven. Rekstrookje instrumentatie en digitaal beeld correlatie protocollen zijn ook opgenomen als gratis modules om de grootste hoeveelheid gedetailleerde gegevens uit elke single-test. Voorbeelden van raw-gegevens, verkregen uit een verscheidenheid van materialen en testopstellingen (b.v., treksterkte en schuintrekken) wordt gepresenteerd en de analyseprocedure gebruikt voor het verwerken van de uitvoergegevens wordt beschreven. Tot slot, de uitdagingen van de dynamische karakterisering met behulp van het huidige protocol, samen met de beperkingen van de faciliteit en methoden voor het oplossen van potentiële problemen worden besproken.

Introduction

De meeste materialen laten zien een zekere mate van spanning tarief afhankelijkheid in hun mechanische gedrag¹ en mechanische testen uitgevoerd alleen bij quasi-statische belasting tarieven dus niet geschikt om de eigenschappen van het materiaal voor dynamic toepassingen. De stam tarief afhankelijkheid van materialen wordt meestal onderzocht met behulp van vijf soorten mechanische testen systemen: conventionele schroef station belasting frames, servo-hydraulische systemen, hoge-snelheid servo-hydraulische systemen, impact testers en Hopkinson bar systemen ¹. Split Hopkinson bars zijn geweest een gemeenschappelijk faciliteit voor de dynamische karakterisering van materialen voor de afgelopen 50 jaar². Ook zijn er inspanningen Hopkinson bars om te testen op intermediaire en lagere spanning tarieven te wijzigen. Deze faciliteiten zijn echter meestal meer geschikt voor de hoge stam tarief karakteristieken van het materiaal (bijvoorbeeld meestal groter is dan 200/s). Er is een hiaat in de literatuur over de stam tarief karakterisering van materiaaleigenschappen op tussenliggende stam tarieven in het bereik van 10−200/s (dat wil zeggen, tussen de quasi-statische en hoge stam tarief resultaten verkregen uit split Hopkinson bars³), die te wijten is aan de beperkte toegang tot faciliteiten en een gebrek aan betrouwbare procedures van tussenliggende stam percentage materiële testen.

Een snelle servo-hydraulische belasting frame geldt belasting voor het model met een constante en vooraf gedefinieerde snelheid. Deze laden frames voordeel vanuit een toegestane adapter, waarmee, in trekproeven, de crosshead tot de gewenste snelheid voordat het laden wordt gestart. De toegestane adapter maakt het hoofd om te reizen van een bepaalde afstand (bijvoorbeeld 0,1 m) te bereiken van de doelstelling snelheid en dan begint de belasting op het model toe te passen. Snelle servo-hydraulische belasting frames meestal tests onder verplaatsing control-modus uitvoeren en handhaven van een constante actuator snelheid om te produceren constant engineering stam tarieven³.

Technieken voor het meten van specimen rek worden algemeen ingedeeld als contact of noncontact technieken⁴. Contact technieken omvatten het gebruik van instrumenten zoals clip-on extensometers, terwijl de laser extensometers noncontact metingen worden gebruikt. Aangezien contact extensometers gevoelig voor invloeden van de traagheid zijn, zijn ze niet geschikt voor dynamische proeven; noncontact extensometers heeft geen last van dit probleem.

Digitaal beeld correlatie (DIC) is een optische contactloze, full-veld stam Meettechniek, die een alternatieve benadering spanning meten om te meten van de stam/belasting en overwinnen enkele van de uitdagingen (bijvoorbeeld de beltoon verschijnsel is) geassocieerd met dynamische materiële karakterisering⁵. Weerstand spanningsmeters kunnen lijden aan beperkingen zoals een beperkt gebied van meting, een beperkt aantal rek en beperkte montage methoden, overwegende dat DIC is altijd in staat om een volledige-veld stam meting van het oppervlak van het model tijdens de experiment.

De voorgestelde procedure beschrijft het gebruik van een snelle servo-hydraulische belasting frame samen met DIC en kan worden gebruikt als een aanvullend document op de onlangs ontwikkelde gestandaardiseerde richtsnoeren⁶ ter verduidelijking van de details van de experimentele procedure. De sectie op het frame van de servo-hydraulische belasting kan worden gevolgd voor een verscheidenheid van testopstellingen (b.v., treksterkte, druksterkte, en schuintrekken) en zelfs met gemeenschappelijke quasi-statische belasting frames zo goed, en dus, dekt een breed scala aan faciliteiten. Bovendien kan de DIC sectie afzonderlijk worden toegepast op elk type van mechanische of thermische proeven, met kleine wijzigingen.

Protocol

1. model voorbereiding

1. Hond bot gevormd treksterkte specimens overeenkomstig ISO standaard⁶ vooraf te bereiden.
   Opmerking: Dezelfde exemplaren zijn ook gebruikte⁴.
2. Installeren rekstrookjes op het tabblad gedeelte (verplicht voor meting van de belasting) en op de gauge sectie (optioneel voor meting van de stam) voor de treksterkte specimen.
   1. Selecteer het juiste model van spanningsmeter gebaseerd op de grootte, de maximale uitbreiding, testen van de temperatuur, elektrische weerstand, enz⁴.
   2. Reinig het oppervlak van het model met isopropanol verwijderen elke besmetting en installeren van de spanningsmeter op de juiste locatie. Het tabblad sectie spanningsmeter op gelijk is aan of groter is dan de breedte van de tab sectie installeren vanaf de aangrijpende en de spoorbreedte sectie om een uniform spanning-stroom van de nominale waarde (dat wil zeggen no stress-concentratie), anders is de numerieke analyse moet de waarde van de spanning op de locatie van de spanningsmeter voorspellen.
   3. De spanningsmeter draden verbinden met de brug van Wheatstone vak. Gebruik een tabblad draad verbinding indien nodig te monteren van de verbindingen met de externe draden.
   4. Controleer of de spanningsmeter lezen met een eenvoudig laden en randvoorwaarden. Een bekende belasting van toepassing op het model (bijvoorbeeld hang een bekende massa van het monster) en controleer de spanning uitlezingen.
3. Voorbereiden op het specimen DIC als volgt:
   1. Prepareer het oppervlak van het model met hoog contrast functies. Bijvoorbeeld, het specimen witte verf en spikkel het met mooie zwarte stippen. Via trial and error overeenkomen met het patroon van de spikkel het camera beeld sensor formaat zodat elke spikkel uit ongeveer 3 pixels of meer bestaat.
      Opmerking: Vermijd DIC wilt uitvoeren op de kant dat de spanningsmeters bevinden om te voorkomen dat het ongewenste oppervlaktekenmerken.
   2. Laat de verf drogen voordat de test. Het analysemonster, bij voorkeur op dezelfde dag werd het geschilderd.
      Opmerking: Afhankelijk van het type en de consistentie van de verf, dit kan enkele uren duren. Laat niet de gespikkelde specimens gedurende een langere periode (bijv. enkele dagen) vóór de proef als dit in de verf worden broos en schilferen resulteren zal af tijdens de test.

2. start-up procedure

1. Schakel de stroom naar de Console van de controle met behulp van de knop op de UPS (Uninterruptable Power Supply). Controleer of de klep van de isolatie van de pomp naar het frame hoog open is, en schakel vervolgens op de computer.
2. Vanaf het bureaublad begin de controllertoepassing, selecteren van het Hoge tarief berekenen Displacement.cfg configuratie, klik vervolgens op Beginwaarden Schakel vergrendeling 1 (bij Station besturingselementen).
   Opmerking: De andere twee indicatoren (programma 1 en Gate 1) worden rood omdat de Hogedruk hydraulische wordt nog niet toegepast.
3. Controleer de Exclusieve controle zodat het frame kan alleen worden gecontroleerd van de software (en niet vanaf de handset).
4. Nu, start van de hydraulische pomp (HPU) en open de dienst variëteit (HSM 1) een door een (3 totaal). Voor elk geval wachten tot de lage indicator stopt met knipperen voordat u op de hoge indicator. Als de pomp is al een lange tijd uit, wacht 30 s voordat u het hoog tijd te geven de feeder pomp te leveren van olie aan de hogedrukpomp.
5. Opnieuw, vanaf het bureaublad, start u de opzet van de Test software. Vanuit de werkbalk zorg ervoor dat zijn de HPU en HSM 1 ON (groen). Uit het bovenste menu bestand > Nieuw > testen van sjabloon Selecteer Aangepaste sjablonen, en selecteer vervolgens het testen van de spanning.

3. installatie van de spanningsmeters

1. Ga naar de belasting crosshead framebesturingselement (naast de handset) en zet de schakelaar aan het lage tarief (schildpad pictogram).
2. Binnen de testkamer verbinden de draden van het specimen strain gauge(s) de spanningsmeter-doos met behulp van de kleurcode (rood, wit en zwart). Als er slechts één spanningsmeter, gebruiken de SG 1-serie.
   Opmerking: De red leiding is de aparte terminal (excitatie + of -), en de wit en zwart zijn de zin en signaal leidt.
3. In de controllertoepassing en onder Auxiliary ingangen Ga naar stam 1 (of 2) selecteert u het maximale bereik van de stammen (dat wil zeggen 2%, 5% of 10%). Bijvoorbeeld, als 5% is gekozen, de software kaarten dit uit 50.000 µε tot 10 volt uitgang en stammen dan 5% niet meten.
4. De Conditioner Utility software om te configureren de spanningsmeters en evenwicht van de brug van Wheatstone volgens de volgende stappen uitvoeren:
   1. Bereken de uitgangsspanning met behulp van de formule voor de brug van Wheatstone:
      
      Hier, V_O is de uitgangsspanning, V_E is de excitatie-spanning, GF is de spoorbreedte factor, ε₁ is 50.000 (5%), terwijl ε₂, ε₃en ε₄ zijn nul (voltooiing brug).
5. Berekenen van de winst die met behulp van de volgende vergelijking:
   
6. In de conditioner utility software zijn er opties van 1, 8, 64 en 512 voor de Preamp Gain, terwijl de Post versterker Gain waarde beperkt tot 9 is. 9976. Bereken het Post-amp dat winst op basis van verschillende opties van 1, 8, 64 en 512 voor de Preamp Gain met behulp van de volgende vergelijking:
   
7. Selecteer de laagste Preamp Gain die geeft uit een Post-amp winst die lager is dan 9.9976 en deze waarden in de conditioner nutssoftware invoeren.
8. Voer de configuratiesoftware voor de hoge snelheid Data acquisitie. Kader van de stam Voer kanalen (kanaal 3 en 4), het volledige bereik van de spanningsmeter (bijvoorbeeld 50.000).
   Opmerking: Kanaal 1 en 2 zijn gewijd aan de verplaatsing en de kracht, respectievelijk.
9. Compenseren de spanningsmeters op nul volgens de volgende stappen uit:
   1. Eerst in de software, Verwijder eventuele verschuivingswaarden voor de kanalen van de stam (Breng verschuivingswaarden op nul).
      Opmerking: Dit proces moet worden gedaan wanneer het monster (bv op de tabel rust) en niet onder belasting.
   2. Vervolgens passen de brug evenwicht parameter om de uitlezing spanning bijna tot nul. Dit is de stap van grof aanpassing.
   3. Stel de parameter Feedback nul om de waarde van de spanning in de stam manager-software volledig op nul. Deze stap is de fijnafstelling.
   4. Om te verzekeren dat de invoerparameters terecht, klik op de optie Shunt inschakelen .
      Noot: De waarde van de spanning in de controllertoepassing software moet lezen 1640 µε (met een + of - teken). Vergeet niet om de shunt naar de shunt weerstand uit de brug van Wheatstone verwijderen uitschakelen. De waarde van de spanning gaat terug naar nul.
10. Als er twee rekstrookjes op het model, in de conditioner utility software, klik op stam 2 en herhaal de stappen voor de installatie rekstrookje.

4. montage van het monster

1. In de controllertoepassing het Manual Control activeren en voer de positie van het hoofd naar volledige extensie op-125 mm.
2. Klik om het selectievakje Handleiding opdracht Enable uitschakelen en uncheck de doos van de Exclusieve controle .
3. Gebruikt de montage meubilair voor het uitlijnen van de coupon binnen de handvatten. Een elastiek kan worden gebruikt om de toegestane adapter in een terugetrokken positie geeft ruimte om te installeren van de coupon. Draai eerst de coupon in de greep van de bodem.
4. Duw het sleutel -pictogram in de rechterbovenhoek te activeren van de handset op de handset. Zorg ervoor dat het vak van de Exclusieve controle op de software uitgeschakeld is. Zorg ervoor dat de bovenste greep zit los om te voorkomen dat de ongewenste toepassing van de belasting met het model.
   1. Verwijder de elastiek en duw het wiel pictogram onder de draaischijf op de controller om het te activeren. Langzaam roll het wiel om het hoofd naar beneden totdat de onderste arm van de toegestane adapter bijna volledig teruggeschoven is en de crosshead bijna op-125 mm is.
      Opmerking: de positie van het hoofd kan worden gelezen op de handset.
5. Druk de toets pictogram nogmaals te de-activeren van de handset op de handset. Terug naar de computer en over de controllertoepassing check de Exclusieve Control box en de Handmatige controle gebruiken om het hoofd tot precies-125 mm. De top grip zit los, dus er geen belasting op de coupon toegepast is.
6. Draai nu de bovenste grepen met een moersleutel en een sleutel door het draaien van de toegestane adapter. De coupon niet verdraaien terwijl aanscherping van de grip.
7. De spiraal sluitringen tussen de toegestane adapter en de tussenliggende crosshead controleren en zorg ervoor dat ze zijn strak en er is geen axiale goedkeuring langs de trein van de belasting.
8. Nogmaals, met behulp van de crosshead control box terug het frame naar het hoge tarief (konijn pictogram) en zorg ervoor dat de deuren van de behuizing zijn gesloten.
9. Terug op de computer, schakelt de vergrendeling klikt u op opnieuw instellen (aan de rechterkant van de controllertoepassing).
   Opmerking: De sloten omvatten "Interlock 1" (een vergrendeling ketting loopt door alle frames en de hydraulische pomp), "Program 1" (computer softwarebesturing, bijvoorbeeld, hoge/lage snelheid), "Gate 1" (behuizing en Rate-schakelaar), en "C-Stop 1" (gecontroleerde stop) .
10. Wanneer er niet de bedoeling is om het handmatig verplaatsen van het hoofd, uncheck de doos van de Handleiding-opdracht Enable in Handleiding opdracht menu om te voorkomen dat per ongeluk het invoeren van een nummer in de software en het hoofd bewegen.

5. DIC setup voorbereiding

1. De high-speed camera aansluit op de computer met behulp van een Gigabit-LAN-kabel.
2. De digitale i/o-box op de high-speed camera en MTC frame controller aansluiten.
3. Sluit de computer aan op de MTS frame controller via het vak DAQ. Kracht en de verplaatsing signalen worden overgebracht van de MTS-controller op de computer via dit vak.
4. De high-speed camera verbinden met het vak DAQ voor het trigger-signaal en het signaal van de synchronisatie.
5. Monteer de camera naar de onderkant van het frame van de lading te vermijden van relatieve beweging tussen de camera en het specimen tijdens de test als het frame als gevolg van de impact schudt.
6. Plaats de camera zorgvuldig opgeven, zodat de dat een beeldsensor is parallel aan het model. Gebruik een telecentrische lens (bijvoorbeeld Opto-engineering 23-64with een gezichtsveld van 64 × 48 mm en een werkende afstand van 182 mm) de mogelijkheid om van de perspectivische vertekening van uit-van-plane beweging te vermijden.
7. Tijdens de installatie van de camera, overwegen de uiteindelijke vervorming van het model en zorg ervoor dat het gezichtsveld van de camera's heeft betrekking op het model gedurende de gehele test.
8. Selecteer voor het instellen van de verbindingen van de software in de computer, netwerk en het delen van centrum in Het Configuratieschermvan Windows. Klik vervolgens op LAN-verbinding.
9. Selecteer Internet Protocol Version 4 (TCP/IPv6) in de eigenschappen van de LAN-verbinding en het IP-adres instellen.
10. Open de viewer High Speed Imaging software en klik op detecteren en sla de setup.
11. Klik op de Optie van de Camera -knop en selecteer de/uit-tab om de externe signalen.
12. Als u wilt instellen van de framesnelheid en de resolutie van het frame, klik op de knop van de variabele . De frequentie van de camera en de gegevenssnelheid acquisitie (DAQ) vak overname ingesteld op hetzelfde nummer als de high-speed data-acquisitiesysteem in het belasting-frame om de stap van data analyse gemakkelijker
13. Open de hoge snelheid DAQ in de High Speed Imaging viewer en selecteer de gewenste kanalen en de monsters per frame.
14. Na de set-up van de camera, verschillende statische beelden vastleggen en het veld van de stam met behulp van de afbeelding correlatie routine te berekenen.
    Opmerking: De maximale spanning en verplaatsingen gemeten vanaf deze noise-floor zijn opgemerkt en een kwalitatieve maat voor de beeldkwaliteit opleveren.

6. het uitvoeren van de test

1. In de test designsoftware, uit het bovenste menu volgen bestand > Nieuw > Test > testen van sjabloon. Open vervolgens Spanning Testonder Aangepaste sjablonen .
2. Selecteer Nieuwe Test Run en typ een geldige bestandsnaam (meestal de naam van de coupon zonder spaties). Wijzig de velden waar nodig; Klik vervolgens op OK.
   1. Als rekstrookjes opgenomen zijn, niet vergeten om input Kanaal tellen als 4.
   2. Het uitgangspunt is meestal-125 mm. Dit is belangrijk omdat als dit niet klopt de kop naar deze waarde verplaatst voordat de test begint mogelijk beschadigen de coupon.
   3. De standaardwaarden voor Hoge snelheid verwerving tarief en Buffergrootte zijn 50.000 en 20.000, respectievelijk. Afhankelijk van de duur van de proef en de resolutie van de vereiste tijd (tijdsinterval tussen de gegevenspunten), deze getallen desgewenst wijzigen.
      Opmerking: De standaardparameters resulteren in het opslaan van gegevens voor de duur van 0,4 s.
   4. Voor Oprit tarief selecteert u de nominale gewenst hoofd snelheid (bijvoorbeeld 8.000 mm/s), klik vervolgens op OK.
3. Een aantal aanwijzingen op het scherm verschijnt, eraan te herinneren om belangrijke hardware keer, waarna de test zal worden ingeleid door te klikken op het pictogram uitvoeren .
4. Op de Control Console naar gaan de Modus Selecteer Hoog tarief. Hiermee activeert u de grote klep voor hoge belasting toepassing. De standaard klep 1 is geselecteerd (het lampje brandt).
5. Op het computerscherm, een reeks stappen worden weergegeven. Volg de stappen.
6. Op de Control Console, druk en houd Arm/heffing Accumulator schakelaar. Het systeem is nu klaar.
7. Druk op de brand om de test te voltooien.
8. Overschakelen van de Modus Selecteer terug naar standaard en druk op de terug om te starten (groene knop) op de console om terug te keren het hoofd terug uit het trommelschild (125 mm).
9. Ga naar het crosshead-besturingselement en ga terug naar het lage tarief (schildpad pictogram).
10. Open de behuizing en uit het model. De gegevensbestanden opgeslagen op de computer vinden
    C:\Datafiles\High tarief gegevens (voor hoge tarief gegevens) en C:\Datafiles\Low tarief gegevens (voor laag tarief gegevens).

7. shutdown procedure

1. Schakel de HSM-1 naar laag (geel) en vervolgens naar Off (rood) op de Controller toepassingssoftware. Dit sluit de variëteit en afsluiten van de pomp.
2. Sla in de test designsoftware, de test uitvoeren, indien nodig, door de volgende handelingen uit in het menu bovenaan bestand > opslaan als en kies vervolgens de test. Sluit de test designsoftware.
3. Sluit de controllertoepassing. Sla de parameters voor het sluiten van de software, indien nodig. De computer afsluiten.
4. Sluit de hydraulische klep (grote hefboom) en schakel de stroom naar de controle Console opnieuw gebruikend de knoop van de macht op de UPS.

8. de gegevensanalyse

1. De ruwe data uit de computer laden frame exporteren naar de post-processing software van keuze.
2. Berekenen van de werkelijke belasting van de spanningsmeter uitlezingen gemonteerd op de gauge sectie en vergelijk deze met de gegevens van de rauwe belasting van de hoge snelheid DAQ. Als de beltoon in de hoge snelheid DAQ gegevens ernstig is, gebruiken de berekende belasting van de spanningsmeter in de volgende⁴stappen.
3. Bereken de spanning in de gauge sectie, σ_meten, op basis van de berekende belasting, P, en de doorsnede van de specimen op de gauge deel, een_{x - sectie}:
   
4. De spanning op de sectie gauge ophalen uit een van de volgende methoden:
   1. Gemiddelde spanning in de gauge-sectie:
      1. De rek van de sectie tabblad berekenen door te weten van de lading, tabblad sectie lengte, specimen de elasticiteitsmodulus en oppervlakte van de dwarsdoorsnede.
         Opmerking: Als de elasticiteitsmodulus een functie van stam tarief is, is een iteratief procedure (details worden uitgelegd in referentie⁷) is vereist.
      2. Het tabblad sectie rek van de gehele specimen rek (dat wil zeggen belasting frame hoofd verplaatsing) te verkrijgen de gauge sectie rek aftrekken.
      3. Bereken de gemiddelde spanning in de sectie van de spoorwijdte op basis van de gauge sectie rek en de oorspronkelijke lengte.
   2. Lokale spanning van DIC:
      1. Bepalen van de locatie op de sectie van de peilen waar het specimen is mislukt (dat wil zeggen in tweeën gesplitst) en het soort veld beperken tot een local area in de nabijheid van de sectie van de mislukking.
      2. Meten en registreren van de stam in de nabije omgeving met behulp van de DIC post-processing software van de keuze.
5. Trek de kromme van de spanning-spanning verkregen uit de vorige stappen.

Results

De duur van een dynamische test is meestal vergelijkbaar met de tijd die nodig is voor de golven van de stress om te reizen van een rondvaart over de lengte van de trein van de lading (d.w.z. grepen, specimen en laden) systeem¹. Een dynamische test is geldig als het aantal en de amplitude van de golven van de stress tijdens een dynamische proef wordt gecontroleerd zodat er een dynamisch evenwicht is bereikt, en het model ervaringen een homogene vervorming in een te...

Discussion

De ruwe gegevens die zijn verkregen uit het experiment wordt beïnvloed door de specimen geometrie en spanningsmeters locatie op het model. De gegevens van de belasting in laag belasting tarief dynamische proeven overgenomen door een piëzo-elektrische lading wasmachine opgenomen in het frame van de lading tot een hoger niveau van de stam (Bruce et al.. ³ voorgestelde > 10/s, terwijl voor Wang et al.. ⁹ gemeld deze limiet tot 100/s) meestal last van grote am...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Camera Lens	Opto Engineering		Telecentrische 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 met diffuser	AADyn JAB BULLET		15° diffusers
Strain gauge	Micro-Measurements	Model EA-13-062AQ-350