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Engineering

Mittlere Belastung Rate Materialcharakterisierung mit digitaler Bildkorrelation

Published: March 1, 2019 doi: 10.3791/59168
Automatic Translation
1, 1, 1
1Aerospace Research Centre, National Research Council Canada

Summary

Hier präsentieren wir eine Methodik für die dynamische Charakterisierung von Zugproben auf mittlere Dehnraten mit einer High-Speed Servo-hydraulische Lastrahmen. Verfahren für Dehnungsmessstreifen Instrumentation und Analyse sowie für Digitalbild Korrelation Dehnungsmessungen an den Proben sind ebenfalls definiert.

Abstract

Das mechanische Verhalten des Materials unter dynamischer Belastung ist in der Regel anders als sein Verhalten unter statischen Bedingungen; Daher gelten die gemeinsamen quasistatisch Ausrüstung und Verfahren zur Materialcharakterisierung nicht für Materialien unter dynamischen Belastungen. Das dynamische Verhalten eines Materials richtet sich nach der Verformungsgeschwindigkeit und ist im großen und ganzen in hoher kategorisiert (d.h. größer als 200/s), Mittelstufe (d.h., 10−200/s) und niedrige Belastung rate Regime (d. h. unter 10/s). Jedes dieser Regime fordert besondere Einrichtungen und Prüfprotokolle, um die Zuverlässigkeit der erfassten Daten. Aufgrund der begrenzten Zugang zu High-Speed Servo-hydraulische Einrichtungen und validierte Prüfprotokolle gibt es eine deutliche Lücke in den Ergebnissen der mittleren Dehngeschwindigkeit. Die aktuellen Manuskript präsentiert ein validiertes Protokoll zur Charakterisierung der verschiedenen Materialien auf diese mittlere Dehnraten. Dehnungsmessstreifen Instrumentation und Digitalbild Korrelation Protokolle werden auch als kostenlose Module, Höchstmaß an detaillierten Daten aus jedem einzelnen Test zu extrahieren. Beispiele für Rohdaten, gewonnen aus einer Vielzahl von Materialien und Versuchsaufbauten (z. B., Zug- und Schere) wird vorgestellt und die Analyse verwendet, um die Ausgabe von Daten zu verarbeiten ist beschrieben. Schließlich sind die Herausforderungen der dynamischen Charakterisierung über das aktuelle Protokoll, die Grenzen der Anlage sowie Methoden zur Überwindung möglicher Probleme diskutiert.

Introduction

Die meisten Materialien zeigen ein gewisses Maß an Belastung Rate Abhängigkeit in ihrem mechanischen Verhalten1 und mechanische Tests nur bei quasistatisch Dehnraten eignet sich deshalb nicht um die Materialeigenschaften für dynamisch bestimmen Anwendungen. Die Belastung Rate Abhängigkeit der Materialien ist in der Regel mit fünf Arten von mechanischen Prüfsysteme untersucht: konventionelle Schraube Antrieb Lastrahmen, Servo-hydraulische Systeme Hochrate Servo-hydraulische Systeme, Auswirkungen Tester und Hopkinson Bar Systeme 1. Split Hopkinson Bars wurden eine gemeinsame Einrichtung für die dynamische Charakterisierung von Materialien für die letzten 50 Jahre2. Auch gab es Bemühungen, Hopkinson Bars am mittleren und unteren Dehnraten testen zu ändern. Diese Einrichtungen sind jedoch in der Regel besser geeignet für die hohe Belastung Rate Charakterisierungen des Materials (d. h. in der Regel größer als 200/s). Gibt es eine Lücke in der Literatur über die Belastung Rate Charakterisierung von Materialeigenschaften in mittlere Dehnraten im Bereich von 10−200/s (d. h. zwischen quasistatisch und hohe Belastung Rate Ergebnisse erhalten von Split Hopkinson bars3), das ist darauf zurückzuführen, der begrenzte Zugang zu Einrichtungen und ein Mangel an zuverlässigen Verfahren der mittleren Belastung Rate Materialprüfung.

Ein High-Speed Servo-hydraulische Lastrahmen gilt Last für die Probe mit einer konstanten und vordefinierten Geschwindigkeit. Diese laden Frames Nutzen aus einem locker Adapter, wodurch in Zugversuchen, Kreuzkopf, die gewünschte Geschwindigkeit vor Beginn der Verladung zu erreichen. Die schlaffe-Adapter ermöglicht den Kopf, um einen bestimmten Abstand (z. B. 0,1 m) um die Solldrehzahl erreichen reisen und startet dann anwenden die Last auf die Probe. High-Speed Servo-hydraulische Lastrahmen in der Regel durch Ausführen von Tests unter Kontrolle Verdrängerfahrt und Aufrechterhaltung eine konstanten Antrieb Geschwindigkeit um ständige technische Belastung Raten3produzieren.

Techniken zur Messung der Probe Dehnung sind in der Regel als Kontakt oder berührungslose Techniken4klassifiziert. Kontakt Techniken umfassen den Einsatz von Instrumenten wie Clip-on-Extensometer während Laser-Extensometer für berührungslose Messungen angestellt sind. Da Kontakt Extensometer Trägheit Einflüsse anfällig sind, sind sie nicht geeignet für dynamische Tests; berührungslose Extensometer leiden nicht unter diesem Problem.

Digitaler Bildkorrelation (DIC) ist eine optische, berührungslose, Vollfeld Stamm-Messtechnik, was ein alternativer Ansatz zum Stamm vermessen ist zu Belastung/Last zu messen und zu überwinden einige der Herausforderungen (z. B. das Klingeln Phänomen) verbunden mit dynamische Materialcharakterisierung5. Widerstand-Dehnungsmessstreifen leiden kann Einschränkungen z. B. einen begrenzten Bereich der Messung, eine begrenzte Anzahl von Dehnung und begrenzte Befestigungsarten, während DIC ist immer in der Lage, eine flächenhafte Dehnungsmessung von der Probenoberfläche während der Experimentieren Sie.

Das vorgestellte Verfahren beschreibt die Verwendung von einem High-Speed Servo-hydraulische Lastrahmen zusammen mit DIC und kann als ergänzende Dokument mit dem neu entwickelten standard Richtlinien6 verwendet werden, um die Details der experimentellen Verfahren zu klären. Abschnitt auf dem Servo-hydraulische Lastrahmen kann für eine Vielzahl von Versuchsaufbauten verfolgt werden (z.B., Zugfestigkeit, Druckfestigkeit, und Schere) und auch bei gemeinsamen quasistatische Belastung Rahmen sowie, und, deshalb, deckt eine breite Palette von Einrichtungen. Darüber hinaus kann DIC Abschnitt separat für jede Art von mechanischen oder thermischen Tests, mit geringfügigen Änderungen angewendet werden.

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Protocol

1. die Probenvorbereitung

  1. Bereiten Sie Hundeknochen geformt Zugstäbe gemäß ISO-Norm6 im Voraus vor.
    Hinweis: Ähnliche Exemplare sind auch gebrauchte4.
  2. Installieren Sie auf der Registerkarte "Abschnitt (obligatorisch für die Last-Messung) und auf dem Manometer (optional für Dehnungsmessung) der Zugprobe Dehnungsmessstreifen.
    1. Wählen Sie das richtige Modell von Dehnungsmessstreifen, die anhand der Größe, maximale Ausdehnung, Prüfung elektrischer Widerstand, Temperatur, etc.4.
    2. Reinigen Sie die Oberfläche der Probe mit Isopropanol entfernen Verunreinigungen und installieren die DMS an der richtigen Stelle. Die Registerkarte "Abschnitt DMS auf gleich oder größer als die Breite des Abschnitts Registerkarte von der packende und die Spurweite gewährleisten eine gleichmäßige Belastung der Nennwert (d. h. keine Kerbwirkung) installieren, sonst ist die numerische Analyse erforderlich, den Wert der Spannung an der Stelle des DMS vorherzusagen.
    3. Die DMS-Drähte an der Wheatstone-Brücke-Box anschließen. Verwenden Sie eine Registerkarte "Verbindung" Draht bei Bedarf, die Verbindungen zu den externen Leitungen montieren.
    4. Überprüfen Sie die DMS mit einem einfachen Be- und Randbedingungen zu lesen. Eine bekannte belasten die Probe (z.B. einen bekannten Masse vom Muster hängen) und überprüfen Sie die Belastung anzeigen.
  3. Die Probe für DIC wie folgt vorbereiten:
    1. Bereiten Sie die Oberfläche der Probe mit hohem Kontrast. Zum Beispiel das Exemplar weiß malen und mit feinen schwarzen Punkten speckle. Durch Versuch und Irrtum dem Muster Speckle, das Kamera-Bild-Sensor-Größe so, dass jeder Fleck aus ca. 3 Pixel oder mehr besteht.
      Hinweis: Vermeiden Sie DIC auf der Seite, dass die DMS installiert sind, um zu verhindern, dass unerwünschten Oberflächeneigenschaften durchführen.
    2. Lassen Sie die Farbe trocknen, bevor der Test. Die Prüfmuster, vorzugsweise am gleichen Tag gemalt.
      Hinweis: Je nach Art und Zusammensetzung der Farbe, kann dies ein paar Stunden dauern. Lassen Sie die gefleckte Exemplare nicht über einen längeren Zeitraum (z. B. mehrere Tage) vor der Prüfung, da dies in der Farbe werden spröde und Abblättern während der Prüfung führt.

2. Inbetriebnahme

  1. Schalten Sie auf die Steuerkonsole mit der Taste an der USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung). Überprüfen Sie, dass das Absperrventil von der Pumpe zum hohen Frame geöffnet ist, und dann den Computer einschalten.
  2. Von Anfang an Desktop-Controlleranwendung, Auswahl der Hohen Rate berechnen Displacement.cfg Konfiguration, klicken Sie dann auf Zurücksetzen um Verriegelung 1 (unter Station Steuerelemente) zu löschen.
    Hinweis: Die anderen zwei Indikatoren (Programm 1 und Tor 1) werden rot angezeigt, weil der Hochdruck Hydraulik noch nicht angewendet wird.
  3. Überprüfen Sie Exklusive Kontrolle , damit der Rahmen nur aus der Software (und nicht vom Mobilteil) gesteuert werden kann.
  4. Nun starten Sie die Hydraulikpumpe (HPU) und öffnen Sie Service-Verteiler (HSM 1) eine von einem (insgesamt 3). Für jeden Fall warten, bis die niedrige Anzeige hört auf zu blinken vor dem Drücken des hohen Indikators. Wenn die Pumpe für eine lange Zeit hingelegt hat, warten Sie 30 s vor der Auswahl der hohen Feeder Pumpe Zeit, Ölversorgung, die Hochdruckpumpe zu geben.
  5. Wieder auf dem Desktop starten Sie die Test-Design-Software. Aus der Symbolleiste stellen Sie sicher sind die HPU und HSM 1 ON (grün). Aus dem oberen Menü Datei > Neu > aus Vorlage testen wählen Sie Benutzerdefinierte Vorlagen, und wählen Sie dann die Spannung zu testen.

3. Installation von Dehnungsmessstreifen

  1. Rufen Sie die Lastregelung Frame Kreuzkopf (neben den Hörer) und den Schalter auf die niedrige Rate (Schildkröte-Symbol).
  2. Schließen Sie in der Prüfkammer die Drähte von der Probe-Strain gauge(s) an die DMS-Box mit den Farbcode (rot, weiß und schwarz). Ist nur ein DMS, verwenden Sie die SG-1-Serie.
    Hinweis: Die rote Messleitung ist das separate Terminal (Erregung + oder -), und die weiß und schwarz sind die Sinne und Signal führt.
  3. In der Controller-Anwendung und unter Aux-Eingänge gehen zum Stamm 1 (oder 2), wählen die maximale Reichweite der Stämme (d. h. 2 %, 5 % oder 10 %). Zum Beispiel wenn 5 % gewählt wird, die Software dies von 50.000 µε 10 Volt Ausgang zugeordnet und nicht messen Stämme mehr als 5 %.
  4. Führen Sie die Conditioner Utility Software zum Konfigurieren der Dehnungsmessstreifen und das Gleichgewicht der Wheatstone-Brücke nach die folgenden Schritte aus:
    1. Berechnen Sie die Ausgangsspannung mit Hilfe der Formel für die Wheatstone-Brücke:
      Equation 1
      Hier VO ist die Ausgangsspannung, VE wird die Erregerspannung, GF ist der Faktor, Manometer, ε1 50.000 (5 %), wobei ε2, ε3und ε4 Null (Fertigstellung Brücke) sind.
  5. Berechnen Sie die Verstärkung mit Hilfe der folgenden Gleichung:
    Equation 2
  6. In die Conditioner-Utility-Software gibt es Möglichkeiten von 1, 8, 64 und 512 für der Preamp Gain, während der Post-Amp Gain-Wert auf 9 begrenzt ist. 9976 berechnen Sie der Post-Amp Gain basierend auf verschiedene Optionen von 1, 8, 64 und 512 für die Preamp Gain unter Verwendung der folgenden Gleichung:
    Equation 3
  7. Wählen Sie die niedrigste Preamp Gain, das aus einer Post-Amp Gain gibt, die niedriger ist als 9.9976 und geben Sie diese Werte in die Conditioner-Utility-Software.
  8. Laufen Sie die hohe Rate Daten Akquisition Konfigurations-Software. Unter dem Druck Kanäle (Kanal 3 und 4), geben Sie den Messbereichsendwert von Dehnungsmessstreifen (z. B. 50.000).
    Hinweis: Kanal 1 und 2 sind gewidmet zur Vertreibung und Kraft, beziehungsweise.
  9. Versatz der Dehnungsmessstreifen auf Null nach den folgenden Schritten:
    1. Entfernen Sie in der Software zuerst alle Offset-Werte für die Stamm-Kanäle (Offset-Werte auf Null zu bringen).
      Hinweis: Dieser Prozess hat zu tun, wenn der Prüfling (z.B. auf dem Tisch ruht) und nicht ausgelastet ist.
    2. Anschließend anpassen des Parameters " Brücke Gleichgewicht " Auslesen Belastung fast auf Null zu bringen. Das ist die Grobeinstellung Schritt.
    3. Dann stellen Sie den Feedback Zero Parameter, um den Stamm-Wert in der Stamm-Manager-Software komplett auf Null zu bringen. Dieser Schritt ist die Feineinstellung.
    4. Um sicherzustellen, dass die input-Parameter korrekt waren, klicken Sie auf Option Shunt aktivieren .
      Hinweis: Sollte der Stamm-Wert in der Controller-Anwendungssoftware 1640 µε lesen (entweder mit + oder - Zeichen). Vergessen Sie nicht, schalten Sie den Shunt, den Shunt-Widerstand aus der Wheatstone-Brücke zu entfernen. Der Stamm-Wert gehen zurück auf Null.
  10. Gibt es zwei Dehnungsmessstreifen auf das Präparat in die Klimaanlage-Utility-Software, klicken Sie auf Stamm 2 und wiederholen Sie die DMS-Setup-Schritte.

4. Montage der Probe

  1. Aktivieren Sie in der Controller-Anwendung das Manuelle Steuerung zu, und geben Sie die Position des Kopfes Vollauszug bei-125 mm.
  2. Deaktivieren Sie die Kontrollkästchen der Handbuch-Befehl aktivieren und deaktivieren das Exklusive Kontrolle -Kästchen klicken.
  3. Verwenden Sie die Aufnahmevorrichtung, um den Gutschein innerhalb der Griffe auszurichten. Eine elastische Schnur kann verwendet werden, um den schlaff Adapter in einer zurückgezogenen Position einen Spielraum, den Gutschein zu installieren zu halten. Ziehen Sie den Gutschein in den unteren Griff zuerst.
  4. Am Mobilteil drücken Sie das Schlüssel -Symbol auf der rechten oberen Ecke um den Hörer zu aktivieren. Sicherstellen Sie, dass das Kontrollkästchen Ausschließliche Kontrolle über die Software deaktiviert ist. Stellen Sie sicher, dass die Top-Grip verlieren, die unerwünschte Anwendung der Last auf die Probe zu verhindern.
    1. Die elastische Schnur und schieben Sie das Rad -Symbol unter dem Daumenrad auf dem Controller zu aktivieren. Rollen Sie langsam das Rad, um den Kopf senken, bis der untere Arm schlaff Adapter fast vollständig zurückgezogen ist und die Traverse fast am-125 mm ist.
      Hinweis: die Position des Kopfes kann auf dem Handy gelesen werden.
  5. Am Mobilteil drücken Sie das Schlüssel -Symbol wieder zu de-aktivieren Sie den Hörer ab. Zurück an den Computer und auf dem Scheck Controlleranwendung Exklusive Schaltkasten und verwenden Sie die Manuelle Steuerung genau-125 mm Kopf bringen. Die Top-Grip ist locker, so gibt es keine Belastung für den Gutschein.
  6. Nun, ziehen Sie die obere Griffe mit einem Schraubenschlüssel und einen Schlüssel durch Drehen des slack-Adapters. Verdrehen Sie den Coupon nicht beim Anziehen des Griffs.
  7. Überprüfen Sie die Spirale Unterlegscheiben zwischen den slack-Adapter und der Mittelstufe Kreuzkopf und stellen Sie sicher sie sind eng und es gibt keine axialen Abstand entlang der Last-Zug.
  8. Wieder mit dem Kreuzkopf-Control-Box zurück den Rahmen, die hohe Rate (Kaninchen-Symbol), und stellen Sie sicher, dass die Stalltüren fest verschlossen sind.
  9. Zurück auf dem Computer deaktivieren die Verriegelungen (auf der rechten Seite des Programms Controller) zurückgesetzt .
    Hinweis: Die Verriegelungen gehören "Interlock 1" (eine Verriegelung Kette durchzieht alle Rahmen und die Hydraulikpumpe), "Programm 1" (Computer-Software gesteuert werden, zum Beispiel, hohe/niedrige Geschwindigkeit), "Tor 1" (Gehäuse und Rate Schalter), und "C-Stop 1" (kontrollierte Stop) .
  10. Besteht nicht die Absicht, den Kopf manuell verschieben, deaktivieren Sie das Handbuch-Befehl aktivieren Kontrollkästchen im Handbuch Befehlsmenü zu vermeiden, versehentlich die Eingabe einer Zahl in die Software und Bewegung des Kopfes.

(5) DIC Setup Vorbereitung

  1. Schließen Sie die High-Speed-Kamera über ein Gigabit-LAN-Kabel an den Computer an.
  2. Verbinden Sie die digitale i/o-Box mit dem High-Speed-Kamera und MTC Frame Controller.
  3. Verbinden Sie den Computer mit der MTS Frame Controller über den DAQ-Box. Gewalt und Vertreibung Signale werden von der MTS-Steuerung über diese Box an den Computer übertragen.
  4. Verbinden Sie die High-Speed-Kamera mit der DAQ-Box für das Trigger-Signal und das Synchronisation-Signal.
  5. Montieren Sie die Kamera auf den Boden der Lastrahmen Relativbewegung zwischen der Kamera und der Probe während des Tests zu vermeiden, wie der Rahmen aufgrund der Auswirkungen schüttelt.
  6. Positionieren Sie die Kamera sorgfältig, um sicherzustellen, dass der Bildsensor ist parallel zur Probe. Verwenden Sie ein telezentrischen Objektiv (z. B. Opto-Engineering 23-64with ein Sichtfeld von 64 × 48 mm und einem Arbeitsabstand von 182 mm) um die perspektivische Verzerrung von Out-of-Plane Bewegung zu vermeiden.
  7. Während der Installation von Kamera betrachten Sie die endgültige Verformung der Probe und stellen Sie sicher, dass das Blickfeld der Kamera die Probe während des gesamten Tests umfasst.
  8. Um die Software-Verbindungen im Computer einzurichten, wählen Sie Netzwerk und Freigabe Center von Windows Control Panel. Klicken Sie anschließend auf LAN-Verbindung.
  9. Wählen Sie Internet Protocol Version 4 (TCP/IPv6) in den Eigenschaften der LAN-Verbindung und stellen Sie die IP-Adresse.
  10. Öffnen Sie die High-Speed-Imaging Viewer Software und klicken Sie auf erkennen und speichern Sie dann das Setup.
  11. Klicken Sie auf die Schaltfläche Kameraoption und wählen Sie die Registerkarte "I/O" auf die externe Signale gesetzt.
  12. Um die Frame-Rate und Rahmen Auflösung festzulegen, klicken Sie auf die Schaltfläche " Variablen ". Einstellen der Kamera-Frequenz und die Datenrate Erwerb (DAQ) Feld Erwerb an die gleiche Nummer wie die High-Speed-Datenerfassungssystem in dem Lastrahmen den Daten-Analyse-Schritt erleichtern
  13. Öffnen der hohen Geschwindigkeit DAQ im High-Speed-Imaging Viewer und wählen Sie die gewünschten Kanäle und die Samples pro Frame.
  14. Erfassen Sie nach Kamera-Setup mehrere statische Bilder zu und berechnen Sie die Stamm-Feld mit dem Bild Korrelation Routine.
    Hinweis: Die maximale Belastung und Verschiebungen von diesem Grundrauschen gemessen werden notiert und ein qualitatives Maß für die Bildqualität.

6. Durchführung des Tests

  1. In der Test-Design-Software aus dem oberen Menü folgen Datei > Neu > testen > aus Vorlage testen. Öffnen Sie dann unter Benutzerdefinierte Vorlagen Zugversuch.
  2. Wählen Sie Neue Test ausführen und geben Sie einen gültigen Dateinamen (in der Regel der Name des Gutscheins ohne Leerzeichen). Ändern Sie die Felder nach Bedarf; Klicken Sie dann auf "OK".
    1. Wenn Dehnungsmessstreifen enthalten sind, denken Sie daran, Kanalanzahl als 4 eingegeben.
    2. Der Ausgangspunkt ist in der Regel-125 mm. Dies ist wichtig, denn wenn dies nicht korrekt ist, dieser Wert bewegen Sie den Kopf wird vor Beginn des Tests möglicherweise beschädigen den Gutschein.
    3. Die Standardwerte für Hohe Geschwindigkeit Erfassungsrate und Puffergröße sind 50.000 und 20.000, beziehungsweise. Abhängig von der Dauer der Prüfung und erforderliche zeitliche Auflösung (Zeitintervall zwischen Datenpunkten) diese Anzahl gegebenenfalls zu ändern.
      Hinweis: Die Standard-Parameter führen zu speichern von Daten für die Dauer von 0,4 s.
    4. Für Rampe Rate wählen gewünscht das nominale Kopf Geschwindigkeit (z. B. 8.000 mm/s), klicken Sie auf "OK".
  3. Eine Reihe von Eingabeaufforderungen erscheint, erinnert an wichtige Hardware mal überprüfen, nach denen der Test initiiert wird, indem Sie auf das Symbol Ausführen .
  4. Auf der Bedienkonsole wechseln Sie den Modus wählen zu Hohe Rate. Dadurch wird das große Ventil für hohe Last Anwendung aktiviert. Die Standard Ventil 1 gewählt ist (das Licht leuchtet).
  5. Auf dem Bildschirm eine Reihe von Schritten gezeigt. Folgen Sie den Schritten.
  6. Drücken Sie auf der Bedienkonsole und halten Sie Arm/Ladung Akku -Schalter. Das System ist nun bereit.
  7. Drücken Sie Feuer für einen Test.
  8. Der Modus wieder auf Standard und drücken Sie die zurück um zu starten (grüne Taste) auf der Konsole den Kopf wieder aus der Endkappe (125 mm) zurück.
  9. Gehen Sie auf das Steuerelement Kreuzkopf und wechseln Sie zurück in die niedrige Rate (Schildkröte-Symbol).
  10. Öffnen Sie das Gehäuse und nehmen Sie das Präparat. Die Datendateien gespeichert auf dem Computer zu finden
    C:\Datafiles\High Rate Daten (für hohe Rate) und am C:\Datafiles\Low Rate Daten (für niedrige Rate).

(7) Shutdown-Vorgang

  1. Die Controlleranwendung Software aktivieren Sie die HSM 1 auf Low (gelb) und dann auf Off (rot). Dies schließt die Krümmer und Abschalten der Pumpe.
  2. In der Test-Design-Software, speichern den Testlauf ggf. Folgendes aus dem oberen Menü Datei > Speichern Sie als und wählen Sie dann den Test. Schließen Sie die Test-Design-Software.
  3. Schließen Sie die Controlleranwendung. Speichern Sie die Parameter vor dem Schließen der Software, falls erforderlich. Den Computer Herunterfahren.
  4. Schließen Sie das hydraulische Ventil (großer Hebel) und schalten Sie die Steuerkonsole wieder mit dem Netzschalter an der USV.

8. die Datenanalyse

  1. Exportieren Sie die Rohdaten von der Last Frame Computer in die Post-processing-Software der Wahl.
  2. Berechnen Sie die tatsächliche Belastung aus die DMS-anzeigen auf dem Manometer montiert und vergleichen Sie es mit den rohen Lastdaten aus der high-Speed-DAQ. Wenn das Klingeln in der high-Speed-DAQ Daten schwerwiegend ist, verwenden die berechnete Last von DMS in den nächsten4Schritte.
  3. Berechnen Sie die Spannungen in Spurweite Abschnitt σmessen, anhand der berechneten Last, P, und die Probe Querschnitt im Bereich Lehre, einX - Abschnitt:
    Equation 4
  4. Erhalten Sie die Belastung auf dem Messgerät Abschnitt aus einer der folgenden Methoden:
    1. Durchschnittliche Belastung im Bereich Lehre:
      1. Berechnen Sie die Registerkarte "Abschnitt Dehnung durch die Kenntnis der Last, Registerkarte Abschnittslänge, Probe der Elastizitätsmodul und Querschnittsfläche.
        Hinweis: Wenn der Elastizitätsmodul eine Funktion der Verformungsgeschwindigkeit ist, ist eine iterative Verfahren (Details sind im Referenz7erläutert) erforderlich.
      2. Ziehen Sie die Registerkarte "Abschnitt Dehnung aus die gesamte Probe Dehnung (d.h. Last Frame Kopf Verschiebung), die Spurweite Abschnitt Dehnung zu erhalten.
      3. Berechnen Sie die durchschnittliche Belastung im Abschnitt Messgerät basierend auf die Spurweite Abschnitt Dehnung und die Ausgangslänge.
    2. Lokale Sorte aus DIC:
      1. Bestimmen Sie den Speicherort auf dem Messgerät Abschnitt wo die Probe gescheitert (d. h. in zwei Teile gespalten) und eine Umgebung in der Nähe des Abschnitts Scheitern beschränken Sie Stamm Bereich.
      2. Messung und Aufzeichnung der Belastung in der näheren Umgebung mit der DIC Post-processing-Software der Wahl.
  5. Zeichnen Sie die Spannungs-Dehnungskurve aus den vorherigen Schritten gewonnen.

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Representative Results

Ein dynamischer Test dauert in der Regel vergleichbar mit den Zeitaufwand für die Stress-Wellen eine Rundreise über die Länge des Zuges Last (d.h. Griffe, Probe und laden) Reisen System1. Ein dynamischer Test ist gültig, wenn die Anzahl und die Amplitude der Wellen Stress während eines dynamischen Tests wird gesteuert, so dass ein dynamisches Gleichgewicht ist erreicht, und die Probe erlebt eine homogene Deformation mit einer nahezu konstanten Belastung Rate. Die Society of Automotive Engineers (SAE) Entwurf SAE J2749 standard8 fordert mindestens 10 elastische reflektierten Wellen über der Probe verteilt messen Länge vor der Probe Streckgrenze. Systeme mit höherer Eigenfrequenz haben in der Regel Klingeln Schwingungen (d.h. Schwingungen des Signals, meist in Reaktion auf eine Stufe Eingang) mit geringer Amplitude. Dieses klingelnde Phänomen ist die größte Herausforderung in einem dynamischen Test bei mittleren bis hohen Dehnraten. Das Niveau der Klingeln (Frequenz und Amplitude des oszillierenden Signals) bestimmt, ob die rohen Lastdaten aus dem Lastrahmen akzeptabel oder nicht sind. Abbildung 1 zeigt Beispiele für die Lastsignale für zwei verschiedene Tests. In beiden Tests ist die Last von dem Lastrahmen erhalten im Vergleich zu der Belastung berechnet basierend auf der DMS-Ausgabe auf der Registerkarte "Abschnitt der Exemplare installiert. Obwohl diese beiden Tests ordnungsgemäß durchgeführt wurden, können die Lastdaten direkt aus der Last Frame Kraftmesselement für den Fall, dargestellt in Abbildung 1bverwendet werden. In diesem Fall ist es notwendig, eine alternative Last-Messtechnik, wie z. B. die Registerkarte "Abschnitt Stamm vermessen, mit; in der Erwägung, dass die rohen Ladedaten aus dem Lastrahmen (dargestellt in Abbildung 1eine) guten Übereinstimmung mit dem Stamm hat messen Sie Lasten. In solchen Fällen weitere Tests durchgeführt werden können, ohne die Installation von Dehnungsmessstreifen Registerkarte "Abschnitt und die Last kann direkt aus der Last Frame Kraftmesselement gelesen werden. Das klingelnde Phänomen wurde bereits von anderen Forschern3,9,10,11beobachtet. Die Amplitude und Frequenz der Schwingungen werden bestimmt anhand von Parametern wie der Probenmaterial, Geometrie und Verformungsgeschwindigkeit und wenn die Kombination all dieser Faktoren zu geringfügigen Klingeln führt, dient die raw-Daten direkt oder, falls erforderlich, nach kleinere Techniken Glättung z. B. filtern.

Ein typisches Beispiel für DIC Ergebnisse für eine Dogbone Aluminium Probe ist in Abbildung 2dargestellt. Belastung Feld Entwicklung mit der Zeit auf die gesamte Lehre-Abschnitt ist in dieser Abbildung dargestellt. Die Probe wurde auf den unteren Griff festgelegt, und die Top-Grip angewendet Spannung. In diesem Test die High-Speed-Kamera hatte eine Bildrate von 50.000 Hz und rund 100 Bilder während des Tests erfasst, aber in dieser Abbildung gezeigten Bilder sind 0,4 ms auseinander. Die gleichmäßige Belastung innerhalb einer gegebenen Querschnitt der Probe zeigt die ordnungsgemäße Beladung und Datenanalyse während des Tests. Der Verlust der DIC Korrelation im letzten Bild war durch starke Einschnürung, die Farbe abblättern führte, und war unmittelbar vor dem Scheitern in der Nähe der Ausfall Zone unumgänglich.

Abbildung 3 veranschaulicht die Spannungs-Dehnungs-Kurven aus DIC und die Last Frame Kreuzkopf Verschiebung Daten erhalten. Diese Abbildung zeigt die durchschnittliche Spannungs-Dehnungs im Abschnitt gesamte Lehre und wird nur präsentiert, um die Gültigkeit der Techniken und die gute Übereinstimmung zwischen den Ergebnissen zu demonstrieren. Wenn man die lokalen Einschnürung im Abschnitt Messgerät durch DIC studiert, kann nicht im Vergleich mit den durchschnittlichen Belastungen erhalten über die gesamte Lehre Abschnitt. Während die Einschnürung Phänomen die meisten der Verformung tritt an der Einschnürung-Region und der Rest des Abschnitts Messgerät dehnt nicht aber bewegt sich fast wie ein starrer Körper. Daher bei der Berechnung der durchschnittlichen Belastung über die Spurweite Abschnitt dieser lokalen Strecke im Bereich der Einschnürung die gesamte Lehre Abschnitt mit einer längeren Dauer, im Vergleich zu der Länge der Einschnürung Zone zugeordnet ist und führt in einem niedrigeren Ausfall-Stamm.

Figure 1
Abbildung 1 : Vergleich der Belastung aus der Last Frame Kraftmesselement gewonnen und berechnet aus den Dehnungsmessstreifen. Das klingelnde Phänomen in der Force link-Daten (gestrichelte blaue Linie) für Fall (A) akzeptabel ist und für den Fall (B) nicht akzeptabel ist. Platten (A) und (B) zeigen Beispiele für experimentelle Ergebnisse für zwei Tests mit verschiedenen Proben (z.B. Material, Dimension, etc.) und Verformungsgeschwindigkeit. In jeder Abbildung sind die Ladedaten aus dem Lastrahmen (gepunktete blau) und berechnet aus DMS auslesen (leuchtet rot) dargestellt. Das kleinere Maß Oszillation (d. h. Klingeln) in der Last-Frame-Daten im Bedienfeld "zeigt (A), dass dieser Test keine Dehnungsmessstreifen Instrumentation, aber das schwere Klingeln gezeigt im Panel (B) macht die Dehnungsmessstreifen Instrumentation erforderlich erforderlich ist. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2 : Stamm-Feld im Abschnitt Messgerät eine Aluminium Dogbone Probe während des Tests. Die Dehnungswerte sind in m/m und die Bilder sind 0,4 ms auseinander. Der DIC Ergebnisse auf dem Manometer-Abschnitt einer metallischen Dogbone Probe sind in dieser Abbildung dargestellt. Fünf verschiedene Momentaufnahmen (aus den 100 Bilder) werden vorgestellt, veranschaulichen die Entwicklung der Belastung und Probe mit der Zeit ausdehnen. Die Legende aller Bilder zeigt auch die Belastungsstufe verbunden, jede Farbe zu definieren. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3 : Vergleich zwischen dem Lastrahmen und DIC extrahiert durchschnittliche Spannungs-Dehnungs-Kurven über die gesamte Lehre Abschnitt. Die Spannungs-Dehnungs-Kurven aus der Last Frame Ergebnisse (gepunktete blau) ermittelt und extrahiert aus DIC Ergebnissen (leuchtet rot) finden Sie hier. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Discussion

Das Experiment gewonnenen Rohdaten werden durch die Probe Geometrie und Dehnungsmessstreifen Position auf der Probe beeinflusst. Die Ladedaten in niedrigen Belastung Rate dynamischen Prüfungen erworben durch eine Piezo-elektrische Ladung-Scheibe integriert die Lastrahmen mit höherer Belastung Rate (Bruce Et Al. 3 vorgeschlagenen > 10/s, während für Wang Et Al. 9 berichtet, diese Grenze zu 100/s) in der Regel leiden unter großer Amplitude Schwingungen durch dynamische Wellen verbunden mit dem Laden. Wie in Abbildung 1eine Kombination von Probenmaterial gezeigt, kann Geometrie und Belastung Rate Unterlegscheibe Lastsignal unpraktisch durch ein hohes Maß an Lärm machen. Daher müssen alternative Ansätze der Last lesen berücksichtigt werden, die Installation eines DMS auf der Registerkarte Abschnitt der Probe die häufigsten3ist. Um die Belastung aus den gemessenen Belastung Daten zu berechnen, ist es wichtig, sicherzustellen, dass die Registerkarte "Abschnitt (wo die Belastung Berechnung DMS installiert ist) in die elastische Verformung-Regime während der Prüfung bleibt. Um das Fehlen von Nebenwirkungen Grenze (z. B. durch den Saint-Venant-Prinzip) zu gewährleisten sind auch wie im Abschnitt "Protokoll", erklärt Dehnungsmessstreifen müssen installiert werden, weit von Abschnitt Griff (wo sie betroffen sind lokal Last) oder das Messgerät Abschnitt (wo eine Änderung in der Geometrie der gleichförmigen Strömung von Stress stört), ansonsten finite-Elemente-Analyse zum Ausgleich der Belastung Konzentration Faktor4erforderlich sind. Während der Daten-Analyse-Schritt lädt die beschäftigt eine Vielzahl von Filter-Techniken, wie z. B. schnelle Fourier Transformation (FFT) und im Durchschnitt, um Beseitigung oder Verringerung des Geräuschpegels gemeldeten12. Aber dieser Ansatz birgt die Gefahr von eventuell Maskierung nachgiebige Verhalten und wird daher nicht empfohlen.

Als die größte Herausforderung bei mittlerer Belastung Rate mechanische Prüfungen, das Klingeln in der Regel ergibt sich hauptsächlich aus zwei Quellen: der Wellenausbreitung und klingeln13-System. Verschiedene Forscher empfehlen, so dass für mehr als drei Rundfahrten5,14 (10 Rundreisen bei Polymeren1,8) der Stress Wellen durch das Messgerät Länge um die Dynamik zu erreichen Gleichgewicht. Für Dehnraten größer als 200/s die Versuchsdauer verringert Orden von 0,1 ms, vergleichbar mit drei Round-Trip-Zeit und daher Bar-Systeme (z.B. Hopkinson) werden bevorzugt über die Servo-hydraulische Lastrahmen. Die zweite Quelle der Belastung Signal Schwingung bezieht sich auf das Klingeln Phänomen1,14,15,16,17,18,19 , 20 , 21, die auftritt, wenn der Impuls während Lasteinleitung führt das Testsystem durch Trägheit Effekte22zu schwingen. Mit leichten Klemmen und Montage der Probe so nah wie möglich an das Kraftmesselement werden wirksam zu klingeln Wirkung15,23 für Dehnraten unter 100/s zu reduzieren. Der dominierende Faktor bei der Verringerung der klingeln soll das Messverfahren zu verbessern, wie ausführlich in der Literatur3,9,10,11,16 diskutiert ,17 wo Piezo-elektrische Messunterlagsscheiben (zwingen Links) erkannt wurden, als ungeeignet für die Belastung über 100 s−1, aufgrund ihrer Verzögerung und Schwingungen,3,15Preise. Die gemeinsame Lösung beteiligt wie hier vorgestellt, Anbringen von Dehnungsmessstreifen auf der Registerkarte "Abschnitt von der Probe1,3,9,10,11,16 ,17. Eine Post-Test-Bewertung der gescheiterten Probe sollte bestätigen, dass die Probe im Bereich Lehre, ohne Anzeichen Fehler von Rutschen in den Griff-Abschnitten beobachtet. Der Dehngeschwindigkeit sollte auch bewertet werden, um sicherzustellen, dass es während einer dynamischen Test24konstant geblieben.

Geschlossene Form Lösungen1,11 oder finite-Elemente-Analysen10,25,26 haben eine Vielzahl von Forschungsgruppen Modell mittlere bis hohe Belastung Rate Tests angestellt war. Diese Studien verstehen die Physik der Phänomene in solchen Tests als auch Ziel Probe Auslegung und Optimierung, um zuverlässige Ergebnisse zu erzielen; aber Versuchsdurchführung wie erläutert hierin sind immer noch die wichtigste Datenquelle Materialcharakterisierung. Integrieren die Materialeigenschaften von solche experimentelle Untersuchungen, neue Simulationen erhalten kann die Designer komplizierten dynamischen Ausfallszenarien modellieren, wie Full-Scale Autounfälle.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Die Autoren erkennen die große Hilfe von Dmitrii Klishch, Michel Delannoy, Tyler Musclow, Fraser Kirby, Joshua Ilse und Alex Naftel. Finanzieller Unterstützung durch die National Research Council Canada (NRC) durch das Programm Sicherheit Materialien Technologie (SMT) wird auch geschätzt.

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

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Rahmat, M., Backman, D., Desnoyers, R. Intermediate Strain Rate Material Characterization with Digital Image Correlation. J. Vis. Exp. (145), e59168, doi:10.3791/59168 (2019).

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