Summary
Här presenterar vi en metod för dynamisk karakterisering av draghållfasthet exemplar på mellanliggande töjningshastigheter använder en höghastighets servohydrauliska belastning ram. Förfaranden för töjningsmätaren instrumentering och analys samt för digital bild korrelation stam mätningar på exemplar, definieras också.
Abstract
Ett material under dynamisk belastning mekaniska svar är oftast annorlunda än dess beteende under statiska förhållanden; Därför, den gemensamma kvasistatiska utrustning och förfaranden som används för materialkarakterisering är inte tillämpliga för material under dynamisk belastning. Det dynamiska svaret i ett material beror på dess deformation och är i stora drag kategoriseras i hög (dvs. större än 200/s), mellanliggande (dvs. 10−200/s) och låg stam Betygsätt regimer (dvs. under 10/s). Var och en av dessa regimer efterlyser särskilda faciliteter och testprotokoll att säkerställa tillförlitligheten i de förvärvade data. På grund av begränsad tillgång till höghastighets servohydrauliska faciliteter och validerade testprotokoll finns det en märkbar lucka i resultaten i mellanliggande stam takt. Det nuvarande manuskriptet presenterar ett validerat protokoll för karakterisering av olika material vid dessa mellanliggande töjningshastigheter. Anstränga mätinstrumentet instrumentering och digital bild korrelation protokoll ingår också som avgiftsfritt moduler till extraktet den yttersta nivån av detaljerade data från varje enskild test. Exempel på rådata, erhålls från en mängd olika material och testa inställningar (t.ex., draghållfasthet och skjuvhållfasthet) presenteras och analysförfarandet används för att bearbeta utdata beskrivs. Slutligen diskuteras utmaningarna som dynamiska karakterisering med hjälp av det nuvarande protokollet, tillsammans med begränsningarna av anläggningen och metoder för att övervinna potentiella problem.
Introduction
De flesta material demonstrera en viss stam takt beroende på deras mekaniska beteende1 och, därför, mekanisk provning utförs endast vid kvasistatiska töjningshastigheter inte är lämplig att bestämma de materiella egenskaperna för dynamiska applikationer. Stam takt beroende av material undersöks vanligen med fem typer av mekaniska tester system: konventionella skruv köra load ramar, servo-hydrauliska system, hög ränta servohydrauliska system, inverkan testare och Hopkinson bar system 1. Split Hopkinson barer har varit en gemensam anläggning för dynamisk karakterisering av material för senaste 50 åren2. Det har också förekommit ansträngningar att ändra Hopkinson barer att testa vid mellanliggande och lägre töjningshastigheter. Dessa anordningar är dock vanligen mer lämpade för de hög stam takt karakteriseringar av materialet (dvs oftast större än 200/s). Det finns en lucka i litteraturen om stam takt karakterisering av materialegenskaper vid mellanliggande töjningshastigheter i spänna av 10−200/s (dvs. mellan kvasistatiska och hög stam takt resultat Hopkinson erhållits från split och barer3), vilket beror på att begränsad tillgång till faciliteter och brist på tillförlitliga förfaranden av mellanliggande stam takt materiellt testa.
En höghastighets servohydrauliska belastning ram gäller belastning provexemplaret i en konstant och fördefinierade hastighet. Dessa laddar ramar förmån från en slak adapter, som, i dragprov, tillåter krysspårskruvar att nå den önska hastigheten innan inläsningen startar. Slack adaptern tillåter huvudet att resa ett visst avstånd (t.ex. 0,1 m) för att nå målet hastigheten och sedan börjar tillämpa belastningen på preparatet. Höghastighetståg servohydrauliska belastning ramar vanligtvis utföra tester enligt deplacement styrsätt och upprätthålla en konstant ställdonets hastighet för att producera konstant engineering stam priser3.
Tekniker för att mäta preparatet töjning är i allmänhet klassificeras som antingen kontakt eller beröringsfri teknik4. Kontakta tekniker inkluderar användning av instrument såsom clip-on extensometrar, medan laser extensometrar är anställda för beröringsfri mätning. Eftersom kontakt extensometrar är benägna att tröghet influenser, är de inte lämpade för dynamiska tester; beröringsfri extensometrar lider inte av detta problem.
Digital bild korrelation (DIC) är en optisk, icke-kontakt, full-fältet stam mätmetod, som är en alternativ strategi för stam mätning för att mäta stam/belastning och övervinna några av utmaningarna (t.ex. ringsignaler fenomenet) associerade med dynamiska Materialkarakteriseringen5. Motstånd töjningsgivare kan lida av begränsningar såsom ett begränsat område av mätning, ett begränsat utbud av töjning och begränsad montering metoder, DIC är alltid kan ge en full-fältstammar mätning från preparatytan under den experimentera.
Presenterade förfarandet beskrivs användningen av en höghastighets servohydrauliska belastning ram tillsammans med DIC och kan användas som ett kompletterande dokument till den nyligen utvecklade standardriktlinjer6 att klargöra detaljerna i det experimentella förfarandet. Avsnittet om ramen servohydrauliska belastning kan följas för en mängd olika test uppställningar (t.ex., drag, tryckkraft, och skjuvhållfasthet) och även med vanliga kvasistatiska belastning ramar också, och, därför, täcker ett stort utbud av faciliteter. Vidare kan avsnittet DIC tillämpas separat till någon typ av mekanisk eller termisk tester, med smärre ändringar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. prov förberedelse
- Förbereda hund ben formade draghållfasthet exemplar enligt ISO standard6 i förväg.
Obs: Liknande exemplar är också begagnad4. - Installera töjningsgivare på avsnittet fliken (obligatoriskt för belastning mätning) och på avsnittet mätare som är (tillval för stam mätning) av draghållfasthet förlagan.
- Välj rätt modell av töjningsmätaren baserat på storlek, Maximal förlängning, testning temperatur, elektriskt motstånd, etc.4.
- Ren ytan av preparatet med isopropanol till avlägsna all nedsmutsning och installera det anstränga mätinstrumentet på rätt plats. Installera det fliken avsnitt anstränga mätinstrumentet på lika med eller större än bredden på avsnittet fliken från det gripande och avsnittet mätare att säkerställa en enhetlig stress flöde av det nominella värdet (dvs. ingen stress koncentration), annars i numerisk analys krävs för att förutsäga värdet stress på platsen för töjningsmätaren.
- Anslut töjningsmätaren kablarna till rutan Wheatstone bridge. Använd en tråd på fliken anslutning om det krävs för att montera anslutningar till externa kablar.
- Verifiera stam mätaren läsning med en enkel lastning och randvillkor. Tillämpa en känd belastning med förlagan (t.ex. hänga en känd massa från preparatet) och kontrollera stam avläsning.
- Förbereda preparatet DIC enligt följande:
- Förbered ytan av preparatet med hög kontrast funktioner. Till exempel måla preparatet vit och speckle det med fina svarta prickar. Genom trial and error matcha speckle mönstret till kamera bild sensorstorlek så att varje speckle består av cirka 3 pixlar eller mer.
Obs: Undvik utför DIC på sida att töjningsgivare är installerade för att förhindra oönskade ytstrukturen. - Låt färgen torka innan testet. Testa preparatet, helst samma dag den målades.
Obs: Beroende på typ och konsekvens av färgen, detta kan ta upp till några timmar. Lämna inte de spräckliga exemplar under en längre tid (t.ex. flera dagar) före testning eftersom detta kommer att resultera i det färgen blir sprött och flagna under provningen.
- Förbered ytan av preparatet med hög kontrast funktioner. Till exempel måla preparatet vit och speckle det med fina svarta prickar. Genom trial and error matcha speckle mönstret till kamera bild sensorstorlek så att varje speckle består av cirka 3 pixlar eller mer.
2. Starta proceduren
- Slå på strömmen till konsolen kontroll med hjälp av knappen på UPS (avbrottsfri strömkälla). Kontrollera att ventilens isolering från pumpen till hög ram är öppen, och slå sedan på datorn.
- Från skrivbordet början avmarkera kontrollantprogrammet, välja Hög ränta beräkna Displacement.cfg konfigurationssteg, sedan återställa interlock 1 (under Station kontroller).
Obs: De andra två indikatorerna (Program 1 och Gate 1) blir röda eftersom det höga trycket hydrauliska inte tillämpas ännu. - Kontrollera Exklusiv kontroll så ramen kan endast styras från programvaran (och inte från luren).
- Nu startar upp hydraulpumpen (ZARAH) och öppna service samlingsröret (HSM 1) en av en (3 totalt). För varje fall vänta tills låg indikatorn slutar blinka innan du trycker på indikatorn för hög. Om pumpen har varit avstängd under en lång tid, vänta 30 s innan du väljer den höga ge feeder pump tid om oljeleveranser till högtryckspumpen.
- Igen, från skrivbordet, starta programvaran testdesign. Från den verktygsfältet kontrollera är de ZARAH och HSM 1 ON (grön). Från den översta menyn Fil > Nytt > testa från mallen Välj Anpassade mallar, och sedan spänningen testa.
3. inställning av töjningsgivare
- Gå till kontrollen belastning ram krysspårskruvar (bredvid handenheten) och slå på det låga priset (turtle ikon).
- Inuti testkammaren Anslut ledningar av den specimen strain gauge(s) till rutan anstränga mätinstrumentet använder färgkod (röd, vit och svart). Om det finns endast en töjningsmätaren, Använd SG 1 serien.
Obs: Blymönja är separat terminalen (excitation + eller -), i vitt och svart är känslan och signal leder. - I kontrollantprogrammet och under Extraingångar gå till stam 1 (eller 2) välja maximal räckvidd för stammarna (dvs 2%, 5% eller 10%). Till exempel om 5% väljs, programvaran kartor är detta från 50.000 µε till 10 volt utgång och kan inte mäta stammar över 5%.
- Kör balsam Utility programvaran för att konfigurera töjningsgivare och balansera den Wheatstone bridge enligt följande steg:
- Beräkna den tillverkade spänningen med formeln för Wheatstone överbrygga:
Här VO är Utgångsspänningen, VE är excitation spänningen, GF är mätaren faktor, ε1 är 50.000 (5%), medan ε2, ε3och ε4 är noll (avslutad bridge).
- Beräkna den tillverkade spänningen med formeln för Wheatstone överbrygga:
- Beräkna vinst med hjälp av följande ekvation:
- I balsam utility programvaran finns det alternativ 1, 8, 64 och 512 för den Preamp Gain, medan Post amp Gain värdet är begränsat till 9. 9976. beräkna Post amp Gain baserat på olika alternativ av 1, 8, 64 och 512 för den Preamp få hjälp av följande ekvation:
- Välj den lägsta Preamp få som ger ut en Post amp vinst som är lägre än 9.9976 och mata in dessa värden i balsam utility programvaran.
- Kör i hög hastighet Data förvärv konfigurationsprogram. Under påfrestningen ange kanaler (kanal 3 och 4), fullskalig stam mätaren (t.ex. 50.000).
Obs: Kanal 1 och 2 är tillägnad förskjutning och kraft, respektive. - Kompensera töjningsgivare till noll enligt följande steg:
- Först i programvaran, ta bort eventuella förskjutningsvärdena för stam kanaler (bring förskjutningsvärdena till noll).
Obs: Denna process måste göras när provkroppen vilar (t.ex. på bordet) och inte är under belastning. - Sedan justera parametern Bridge balans för att få den avläsning stammen nästan till noll. Detta är grov justering steg.
- Sedan justera parametern Feedback noll , för att få värdet stam i programvaran stam manager helt till noll. Detta steg är finjustering.
- För att säkerställa indataparametrar var korrekta, klicka på Shunt aktivera alternativet.
Obs: Stam värdet i kontrollantprogrammet programvaran bör läsa 1640 µε (med antingen + eller - tecken). Kom ihåg att stänga av shunten ta bort shunt motståndet av den Wheatstone bridge. Värdet stam kommer att gå tillbaka till noll.
- Först i programvaran, ta bort eventuella förskjutningsvärdena för stam kanaler (bring förskjutningsvärdena till noll).
- Om det finns två trådtöjningsgivare förlagan, i balsam utility programvaran, klicka på stam 2 och upprepa alla töjningsmätaren installationsstegen.
4. montering av provexemplar
- I kontrollantprogrammet aktivera Manuell kontroll och ange placeringen av huvudet till full utbyggnad på-125 mm.
- Klicka sedan på inaktivera kryssrutan Aktivera manuell kommando och avmarkera rutan Exklusiv kontroll .
- Använda montering fixturen för att justera kupongen inuti grepp. Ett elastiskt snöre kan användas att hålla slack adaptern i ett infällt läge ger utrymme att installera kupongen. Dra åt kupongen i botten greppet först.
- På handenheten driva ikonen nyckel på det övre högra hörnet att aktivera telefonen. Se till att rutan Exklusiv kontroll på programvaran är avmarkerat. Kontrollera det översta greppet är löst för att förhindra att oönskade belastning med förlagan.
- Ta bort Gummibandets och tryck på hjulet ikonen nedan tumhjulet på handkontrollen för att aktivera den. Långsamt rulla hjulet för att få huvudet ner tills den nedre arm slack adaptern är nästan helt tillbakadragen och krysspårskruvar är nästan på-125 mm.
Obs: ställning av huvudet kan läsas på handenheten.
- Ta bort Gummibandets och tryck på hjulet ikonen nedan tumhjulet på handkontrollen för att aktivera den. Långsamt rulla hjulet för att få huvudet ner tills den nedre arm slack adaptern är nästan helt tillbakadragen och krysspårskruvar är nästan på-125 mm.
- Tryck nyckeln ikonen igen för att avaktivera luren på handenheten. Tillbaka till datorn och på kontrollantprogrammet checken rutan Exklusiv kontroll och använda Manuell kontroll för att få huvudet till exakt-125 mm. Det översta greppet är lös så det finns ingen belastning tillämpas på kupongen.
- Nu skärpa i topp kast med en skiftnyckel och en nyckel genom att rotera slack adaptern. Vrid inte kupongen medan åtstramning greppet.
- Kontrollera spiral brickor mellan slak och den mellanliggande Pozidriv och kontrollera att de är trånga och det finns ingen axiellt spel längs tåget belastning.
- Igen, med hjälp av rutan krysspårskruvar kontroll tillbaka ramen till den höga hastigheten (kanin-ikonen) och kontrollera inhägnad dörrarna är tillsluten.
- Tillbaka på datorn, rensa säkerhetsbrytarna Klicka på Återställ (på höger sida av kontrollantprogrammet).
Obs: Inkludera säkerhetsbrytarna ”Interlock 1” (en interlock kedja löper genom alla ramar och hydraulpumpen) ”, programmera 1” (programvara kontrolleras, till exempel, hög/låg hastighet) ”, Gate 1” (inhägnad och hastighet switch), och ”C-Stop 1” (kontrollerade stop) . - När det finns ingen avsikt att flytta huvudet manuellt, avmarkera rutan Aktivera manuell kommando i Manuell kommandomenyn att undvika oavsiktligt in ett nummer i programvaran och flytta huvudet.
5. DIC setup förberedelse
- Anslut höghastighets kameran till datorn med en Gigabit LAN-kabel.
- Anslut den digitala i/o-box till höghastighetskamera och MTC ram controller.
- Ansluta datorn till MTS ram styrenheten genom rutan DAQ. Kraft och deplacement signaler överförs från MTS handkontrollen till datorn via denna ruta.
- Anslut höghastighets kameran till rutan DAQ för utlösa signalen och den synkronisering signalen.
- Montera kameran på basen av last ramen att undvika relativa rörelsen mellan kameran och preparatet under provningen som ramen skakar på grund av inverkan.
- Placera kameran noggrant för att säkerställa dess bildsensor är parallell med förlagan. Använda en Telecentrisk objektiv (t.ex. Opto-engineering 23-64with en 64 × 48 mm synfält och ett avstånd av 182 mm) för att minska risken för perspektivförvrängning från ute-av-plan rörelse.
- Under kameran setup, överväga den slutliga deformationen av preparatet och kontrollera kamerans synfält täcker preparatet under hela testet.
- Ställ in programvara anslutningar i datorn, Välj nätverks- och delningscenter från Windows Kontrollpanel. Nästa klicka på anslutning till lokalt nätverk.
- Välj Internet Protocol Version 4 (TCP/IPv6) i egenskaperna för Lokal anslutning och ange IP-adressen.
- Öppna programvaran High-Speed Imaging viewer och klicka detect och sedan spara inställningarna.
- Klicka på knappen Kamera alternativ och välj fliken I/O att ställa in de externa signalerna.
- Ange bildhastighet och RAM upplösning, klicka på knappen variabel . Ställa in kameran frekvensen och datahastigheten förvärv (DAQ) box förvärv till samma nummer som det höghastighetståg systemet för datainsamling i ramen belastning för att underlätta steget data analys
- Öppna höga hastighet DAQ i visningsprogrammet High-Speed Imaging och välj krävs kanalerna och proverna per bildruta.
- Efter kameran setup, fånga flera statiska bilder och beräkna fältet stam med rutinen bild korrelation.
Obs: Maximala belastningen och förskjutningar mätt från denna brusgolvet noteras och ger ett kvalitativa mått på bildkvaliteten.
6. köra testet
- I test design software från toppmenyn Följ Fil > New > Test > testa från mallen. Öppna sedan Spänningen Testunder Anpassade mallar .
- Välj Ny provkörning och ange ett giltigt filnamn (oftast namnet på kupongen utan mellanslag). Ändra fälten som behövs; Klicka på OK.
- Om töjningsgivare ingår, kom ihåg att ange Kanal räknas som 4.
- Utgångspunkten är vanligtvis-125 mm. Detta är viktigt eftersom om detta inte är rätt huvudet kommer röra till detta värde innan provningen börjar möjligen skada kupongen.
- Standardvärden för höga hastighet förvärv och Buffertstorleken är 50 000 och 20 000, respektive. Beroende på varaktigheten av test- och krävs tidsupplösning (tidsintervallet mellan datapunkter), ändra dessa nummer vid behov.
Notera: Standardparametrar resultera i spara data för varaktigheten av 0,4 s. - För Ramp hastighet väljer nominellt önskat huvud hastighet (exempelvis 8.000 mm/s), klicka sedan på OK.
- En serie av uppmaningarna visas, att påminna om för att kontrollera viktiga hårdvara gånger, varefter testet inleds genom att klicka på ikonen kör .
- På kontrollkonsolen växla den Mode Select till Hög ränta. Detta aktiverar den stora ventilen för hög belastning. Standard ventil 1 väljs (lampan lyser).
- På datorskärmen visas en serie steg. Följ stegen.
- Tryck in och håll Arm/laddning ackumulator switch på kontrollkonsolen. Systemet är nu klar.
- Tryck på elden för att slutföra testet.
- Växla i Läget Välj tillbaka till Standard och tryck på återgå för att starta (grön knapp) på konsolen för att returnera huvudet tillbaka från endcap (125 mm).
- Gå till kontrollen Pozidriv och växla tillbaka till låga (turtle ikon).
- Öppna höljet och ta ut preparatet. Hitta de datafiler som lagras på datorn på
C:\Datafiles\High Rate Data (för hög data) och på C:\Datafiles\Low Rate Data (för låga data).
7. avstängningsproceduren
- Förvandla den HSM 1 till låg (gul) och sedan till Off (röd) i Controller-programmet. Detta kommer att stänga grenröret och stänga av pumpen.
- I den test design mjukvaran, spara provkörningen, om så krävs, av följande från menyn längst upp Fil > Spara som och välj sedan testet. Stäng programmet test design.
- Stäng kontrollantprogrammet. Spara parametrarna innan du stänger programmet, om det behövs. Stäng av datorn.
- Stäng ventilen hydrauliska (stor spak) och stänger av strömmen till kontrollkonsolen igen med strömbrytaren på UPS.
8. dataanalys
- Exportera rådata från last frame datorn i efterbearbetning programvara val.
- Beräkna den faktiska belastningen från töjningsmätaren avläsning monterad på avsnittet mätaren och jämför det med raw laddar data från den höga hastigheten DAQ. Om ringande i den höga hastigheten DAQ data är svår, använda beräknat belastningen från töjningsmätaren i nästa steg4.
- Beräkna stress i mätare, σspårvidd, baserat på beräknad belastning, P, och preparatet tvärsnitt på avsnittet mätare, enx - avsnittet:
- Få belastningen på avsnittet mätare från en av följande metoder:
- Genomsnittliga stam i avsnittet mätare:
- Beräkna den fliken avsnitt töjning genom att veta belastningen, fliken avsnitt längd, specimen's elasticitetsmodul och tvärsnittsarea.
Obs: Om elasticitetsmodulen är en funktion av stam, en iterativ procedur (detaljerna beskrivs i referens7) krävs. - Subtrahera den fliken avsnitt töjning från hela preparatet förlängningen (dvs belastning ram huvud förskjutning) att få mätaren avsnitt förlängningen.
- Beräkna den genomsnittliga stammen i avsnittet mätare baserat på den mätare avsnitt töjning och den ursprungliga längden.
- Beräkna den fliken avsnitt töjning genom att veta belastningen, fliken avsnitt längd, specimen's elasticitetsmodul och tvärsnittsarea.
- Lokala stam från DIC:
- Bestämma placeringen på avsnittet mätare där preparatet misslyckades (dvs delad i två) och begränsar fältet stam till ett lokalt område i närheten av avsnittet misslyckande.
- Mät och anteckna stammen i det lokala området med hjälp av DIC efterbearbetning programvara av valet.
- Genomsnittliga stam i avsnittet mätare:
- Rita den stress-stam-kurva som erhålls från föregående steg.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En dynamisk provning varar vanligtvis jämförbar med den tid som krävs för stress vågorna att resa tur och retur över längden av tågets last (dvs grepp, prov och lastning) system1. En dynamisk provning är giltig om antal och amplituden av stress vågor under en dynamisk provning kontrolleras så att en dynamisk jämvikt uppnås, och preparatet erfar en homogen deformation i nästan konstant stam takt. Samhället av Automotive Engineers (SAE) utkastet till SAE J2749 standard8 kräver minst 10 elastisk reflekterade vågor spridits preparatet ställängd innan preparatet sträckgränsen. Systemen för högre naturlig frekvens har oftast ringer svängningar (dvs svängningar av signalen, oftast som svar på ett steg som ingång) med lägre amplituder. Detta ringande fenomen är den största utmaningen i en dynamisk provning vid medelhöga till höga töjningshastigheter. Ringsignaler (dvs frekvensen och amplituden av signalen oscillerande) avgör om raw laddar data från ramen belastning är godtagbar eller inte. Figur 1 visar exempel på belastning signaler för två olika tester. I både tester, är belastningen från ramen belastning jämfört med belastningen beräknas baserat på töjningsmätaren utdata installerad på avsnittet fliken av exemplar. Även om båda dessa tester genomfördes korrekt, kan inte load data extraheras direkt från länken belastning ram kraft användas för det fall som visas i figur 1b. I detta fall är använda en alternativ belastning mätteknik, till exempel fliken avsnitt stam mäta, nödvändigt; den råa ladda datan från last ramen (visas i figur 1en) har bra avtal med stam gauge laster. I sådana fall skall ytterligare tester kan utföras utan att installera fliken avsnitt töjningsgivare och belastningen kan läsas direkt från länken belastning ram kraft. Ringande fenomenet observerats tidigare av andra forskare3,9,10,11. Den amplitud och frekvens av svängningarna bestäms utifrån parametrar såsom prov material, geometri och stam takt och när kombinationen av alla dessa faktorer leder till mindre ringande, rådata används direkt eller, om nödvändigt, efter tillämpa mindre utslätande tekniker såsom filtrering.
Ett typiskt exempel på DIC resultat för ett hundben aluminium exemplar visas i figur 2. Den stam fält evolutionen med tid på avsnittet hela mätaren visas i denna figur. Förlagan var fast på botten greppet och topp greppet tillämpas spänning. I det här testet höghastighetståg kameran hade en bildhastighet av 50 000 Hz och tagna runt 100 bilder under provet, men de bilder som visas i denna figur är 0,4 ms apart. Den enhetliga stammen inom en given tvärsnitt av preparatet visar korrekt lastning och dataanalys under provningen. Förlusten av DIC korrelation i den sista bilden var på grund av svår hångel, vilket resulterade i färg som flagnar, och var oundviklig omedelbart före felet på närheten av zonen misslyckande.
Figur 3 illustrerar spännings-töjningskurvor som erhållits från DIC och belastning ramdata krysspårskruvar förskjutning. Denna siffra visar den genomsnittliga stress-stammen i avsnittet hela mätaren och presenteras endast för att visa giltigheten av teknikerna och bra avtalet mellan resultaten. När man studerar den lokala hångel i avsnittet mätare genom DIC, kan inte resultaten jämföras med de genomsnittliga stammar erhålls under avsnittet hela mätaren. Under hångel fenomenet, de flesta av deformationen sker på hångel regionen och resten av avsnittet mätare inte sträcka men flyttar nästan som en stel kropp. Därför vid beräkningen av den genomsnittliga stammen över avsnittet mätare, denna lokala sträcka i området hångel är tilldelad till avsnittet hela mätare med en längre längd, jämfört med längden på zonen hångel, och kommer att resultera i en lägre misslyckande stam.
Figur 1 : Jämförelse av belastning erhållits från länken belastning ram kraft, räknat från töjningsmätaren. Fenomenet ringande i kraft länka data (blå streckade linjen) för fall (A) är godtagbar och för fall B inte är acceptabelt. Paneler (A) och (B) visar exempel på experimentella resultat för två tester med olika prover (t.ex. material, dimension, etc.) och stam takt. I varje figur illustreras load data erhållits från last ramen (Prickig blå), räknat från töjningsmätaren utläsningar (fast rött sken). Mindre nivån av svängningen (dvs ringmärkning) i belastning ramdata i panelen visar (A) att detta test inte kräver töjningsmätaren instrumentering, men svår ringmärkning visas i panelen (B) gör töjningsmätaren instrumenteringen nödvändigt. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2 : Stam-fältet i mätaren på ett aluminium hundben exemplar under provningen. Är stam-värdena i m/m och bilderna är 0,4 ms apart. The DIC resultaten på avsnittet mätare av metalliska dogbone provexemplar visas i denna figur. Fem olika ögonblicksbilder (av 100 bilder tagna) presenteras för att Visa utvecklingen av stam och preparatet stretching med tiden. Legenden om alla bilder visas också att definiera stamnivå är associerade till varje färg. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3 : Jämförelse av last ramen och DIC extraherade genomsnittliga spännings-töjningskurvor över avsnittet hela mätaren. Spännings-töjningskurvor bestäms från last frame resultaten (Prickig blå) och utvinns ur DIC resultat (solid röd) visas här. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Raw data från experimentet är influerad av preparatet geometri och töjningsgivare platsen på preparatet. Load data i låg stam takt dynamiska tester förvärvas av en piezo-elektriska belastning bricka införlivas ramen belastning på stam högre (Bruce et al. 3 föreslagna > 10/s, medan för Wang et al. 9 rapporterade denna gräns vara 100/s) vanligtvis lider stor amplitud svängningar på grund av dynamiska vågor är associerad med lastning. Som visas i figur 1en kombination av preparatet material, kan geometri och stam återge belastning bricka signalen opraktiskt på grund av en hög nivå av buller. Alternativa metoder av belastning läsning måste därför betraktas, som installerar en töjningsmätaren på fliken avsnitt av preparatet är den vanligaste3. För att beräkna belastningen från uppmätta stam data, är det viktigt att se till i avsnittet på fliken (där den belastning beräkning töjningsmätaren är installerat) förblir i elastisk deformation regimen under provningen. Också som förklaras i avsnittet protokoll för att säkerställa avsaknad av någon gräns effekter (dvs. på grund av de Saint-Venants princip) töjningsgivare är krevad till vara installerat långt från avsnittet grepp (där de påverkas lokalt av last) eller mätaren avsnitt (där en förändring i geometrin stör enhetliga flödet av stress), annars finita Elementanalys behövs för att kompensera för stress koncentration faktor4. Under data analys steg är anställa en mängd filtreringstekniker, såsom Fast Fourier omvandling (FFT) och i genomsnitt, för att undanröja eller minska ljudnivån också rapporterade12. Dock detta synsätt riskerar möjligen maskering högproducerande beteendet och rekommenderas därför inte.
Som den största utmaningen i mellanliggande stam takt mekaniska tester, ringmärkning vanligtvis resultat från två huvudsakliga källor: det vågutbredning, systemet och ringande13. Olika forskare rekommenderar möjliggör mer än tre turer5,14 (10 tur-och returresor när det gäller polymerer1,8) stress vågor genom mätare längd för att nå dynamiskt jämvikt. För stam priser större än 200/s, Testperiodens längd minskar ordningen 0.1 ms, som är jämförbar med tre tidsfördröjningen och därför bar system (e.g. Hopkinson) är att föredra framför servohydrauliska belastning ramar. Den andra källan av belastning signal svängningen är relaterad till ringande fenomen1,14,15,16,17,18,19 , 20 , 21, som uppstår när impulsen under belastning inledning leder testsystemet att svänga på grund av tröghet effekter22. Anställa lätta klämmor och montera preparatet så nära som möjligt till länken kraft kommer att vara effektiva för att minska den ringande effekt15,23 för töjningshastigheter under 100/s. Den mest dominerande faktorn för att minska ringmärkning är att förbättra mätteknik som diskuterats utförligt i litteraturen3,9,10,11,16 ,17 där piezo-elektriska belastning brickor (tvinga länkar) erkändes som är olämpliga för stam priser utöver 100 s−1, på grund av deras eftersläpning och svängningar3,15. Den vanligaste lösningen, inblandade som presenteras här, fästa töjningsgivare på i avsnittet fliken i exemplar1,3,9,10,11,16 ,17. En post-test utvärdering av misslyckade preparatet bör bekräfta att preparatet felet uppstod vid mätaren sektion, med några tecken på halka observerades vid avsnitten grepp. Den stam som bör också utvärderas för att säkerställa det förblev konstant under en dynamisk provning24.
Sluten form lösningar1,11 eller finita element analys10,25,26 har varit anställd av en mängd olika forskargrupper att modell medel till hög stam rate tester. Dessa studier att förstå fysiken av fenomenen i sådana tester samt mål preparatet design och optimering för att uppnå tillförlitliga resultat; men experimentella förfarandet som beskrivs häri finns fortfarande den huvudsakliga källan av Materialkarakteriseringen data. Införliva den materiella rekvisitan, erhållits från sådana experimentella undersökningar, in nya simuleringar, kan designern modellera komplicerade dynamiska misslyckande scenarier, såsom fullskalig bil kraschar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Författarna erkänner den stor hjälpen från Dmitrii Klishch, Michel Delannoy, Tyler Musclow, Fraser Kirby, Joshua Ilse och Alex Naftel. Ekonomiskt stöd av National Research Council Kanada (NRC) genom programmet säkerhet material Technology (SMT) uppskattas också.
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. Analysis of dynamic tensile testing. 11th International Congress and Exhibition on Experimental and Applied Mechanics. , Society for Experimental Mechanics. Orlando, United States. (2008).
- 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).
