Mellemliggende stamme sats materielle karakterisering med Digital billed korrelation
Summary
Her præsenterer vi en metode til dynamisk karakterisering af trækstyrke prøver til mellemliggende stamme priser ved hjælp af en højhastigheds servo-hydrauliske belastning ramme. Procedurer for strain gauge instrumentering og analyse samt for digital billede korrelation stamme målinger på prøverne, er også defineret.
Abstract
Den mekaniske respons af materiale under dynamisk belastning er normalt forskellige end dens opførsel under statiske betingelser; Derfor, den fælles Kvasistatisk udstyr og procedurer, der anvendes til materielle karakterisering er ikke gældende for materialer under dynamiske belastninger. Den dynamiske respons af materiale afhænger af dens deformation sats og er groft inddeles i høj (dvs. større end 200/s), mellemliggende (dvs. 10−200/s) og lav stamme Vurder regimer (dvs. under 10/s). Hver af disse regimer kræver særlige faciliteter og testprotokoller for at sikre pålideligheden af de indsamlede data. På grund af den begrænsede adgang til højhastigheds servo-hydrauliske anlæg og validerede test protokoller er der en mærkbar hul i resultater på den mellemliggende stamme sats. Det aktuelle manuskript præsenterer en valideret protokol til karakterisering af forskellige materialer til disse mellemliggende stamme priser. Strain gauge instrumentering og digital billed korrelation protokoller er også inkluderet som gratis moduler til at udtrække den yderste grad af detaljerede data fra hver enkelt test. Eksempler på rådata, fremstillet af forskellige materialer og test opstillinger (f.eks., trækstyrke og shear) præsenteres og den markedsanalyseprocedure, der bruges til at behandle outputdata er beskrevet. Endelig diskuteres udfordringer af dynamiske karakterisering ved hjælp af den nuværende protokol, sammen med begrænsningerne af anlægget og metoder til at løse potentielle problemer.
Introduction
De fleste materialer viser en vis grad af stamme sats afhængighed i deres mekaniske opførsel1 og, derfor, mekanisk prøvning udføres kun på Kvasistatisk stamme satser er ikke egnet til at bestemme materialeegenskaber for dynamisk applikationer. Stamme sats afhængighed af materialer er typisk undersøgt ved hjælp af fem typer af mekaniske test systemer: konventionelle skrue drev belastning rammer, servo-hydrauliske systemer, high-rate servo-hydrauliske systemer, indvirkning testere og Hopkinson bar systemer 1. Split Hopkinson barer har været et fælles anlæg til dynamisk karakterisering af materialer i sidste 50 år2. Der har også været bestræbelser på at ændre Hopkinson barer at teste på mellemliggende og lavere stamme priser. Men disse faciliteter er typisk mere egnet til høj belastning sats beskrivelser af materialet (dvs. normalt større end 200/s). Der er et hul i litteratur på den stamme sats karakterisering af materialeegenskaber til mellemliggende stamme priser i rækken af 10−200/s (dvs. mellem Kvasistatisk og høj belastning sats resultater opnået fra split Hopkinson barer3), som er grund den begrænsede adgang til faciliteter og en mangel på pålidelige procedurer af mellemliggende stamme sats materiale prøvning.
En højhastigheds servo-hydrauliske belastning ramme gælder belastning til modellen med en konstant og foruddefinerede hastighed. Disse indlæse billeder fordel fra en slap adapter, som i trækstyrke tests, tillader crosshead at nå den ønskede hastighed før pålæsning begynder. Den sløje adapter giver hoved til at rejse en bestemt afstand (f.eks. 0,1 m) for at nå målet hastighed og starter derefter anvende belastningen til modellen. High-Speed servo-hydrauliske belastning rammer typisk udføre tests under forskydning kontroltilstand og opretholde en konstant aktuator hastighed for at producere konstant engineering stamme priser3.
Teknikker til måling af modellen brudforlængelse er generelt klassificeret som enten kontakt eller noncontact teknikker4. Kontakt teknikker omfatter brug af instrumenter såsom clip-on extensometers, mens laser extensometers er ansat til noncontact måling. Da kontakt extensometers er tilbøjelige til inerti påvirkninger, er de ikke egnet til dynamiske afprøvninger; noncontact extensometers lider ikke af dette problem.
Digital billed korrelation (DIC) er en metode til måling af optiske, ikke-kontakt, full-field stamme, som er en alternativ tilgang til stamme måling for at måle stamme/belastning og overvinde nogle af udfordringerne (f.eks. ringetoner fænomenet) forbundet med dynamisk materiale karakterisering5. Modstand strain gauges kan lider af begrænsninger som et begrænset område af måling, en begrænset række strækforlængelse, og begrænset montering metoder, DIC er altid i stand til at give en fuld-feltstammen måling fra modellen overfladen under den eksperiment.
Den præsenterede procedure beskriver brugen af en højhastigheds servo-hydrauliske belastning ramme sammen med DIC og kan bruges som et supplerende dokument til den nyligt udviklede standardretningslinjer6 at præcisere detaljerne af forsøgsmetoden. Afsnittet om rammen servo-hydrauliske belastning kan følges for en lang række test opsætninger (fx, trækstyrke, trykstyrke, og shear) og endda med fælles Kvasistatisk belastning rammer så godt, og derfor dækker en bred vifte af faciliteter. Derudover kan afsnittet DIC anvendes særskilt til enhver form for mekaniske eller termiske tests, med mindre ændringer.
Protocol
Representative Results
Discussion
De rå data fra eksperimentet er påvirket af model geometri og strain gauges placering på prøven. Indlæs data i lav stamme sats dynamiske prøver erhvervet af en piezo-elektriske load washer indarbejdet i rammen belastning ved højere belastning satser (Bruce mfl. 3 foreslåede > 10/s, mens for Wang mfl. 9 rapporterede denne grænse til 100/s) typisk lider stor amplitude svingninger på grund af dynamiske bølger tilknyttet lastning. Som vist i <strong…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne anerkender den store bistand fra Dmitrii Klishch, Michel Delannoy, Tyler Musclow, Fraser Kirby, Joshua Ilse og Alex Naftel. Økonomisk støtte af National forskning Rådet Canada (NRC) gennem sikkerhed materialer Technology (SMT)-programmet er også værdsat.
Materials
| 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. , (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, 1093-1114 (2000).
- . . ISO 26203-2:2011; Metallic materials-Tensile testing at high strain rates-Part 2: Servo-hydraulic and other test systems. , 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. , (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), 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. , 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. , (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. , (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. , (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. , (2016).
- Pan, W., Schmidt, R. Strain rate effect in material testing of bulk adhesive. 9th International Conference on Structures Under Shock and Impact. 87, 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).
