Caractérisation des matériaux taux intermédiaire de souche avec corrélation d’images numériques

Résumé

Nous présentons ici une méthode pour la caractérisation dynamique des éprouvettes de traction à vitesses de déformation intermédiaires à l’aide d’un cadre de charge servo-hydraulique à grande vitesse. Procédures d’instrumentation de jauges de contrainte et d’analyse, ainsi que pour les mesures de contraintes de corrélation numérique image sur les spécimens, sont également définis.

Résumé

La réponse mécanique d’un matériau sous charge dynamique est généralement différente de son comportement dans des conditions statiques ; par conséquent, la commune d’équipements quasi statique et procédures utilisées pour la caractérisation des matériaux ne sont pas applicables pour les matériaux sous charges dynamiques. La réponse dynamique d’un matériau dépend de son taux de déformation et largement placé dans la catégorie haute (c'est-à-dire supérieure à 200/s), intermédiaire (c'est-à-dire, 10−200/s) et basse souche taux de régimes (c'est-à-dire inférieure à 10/s). Chacun de ces appels de régimes pour des installations spécifiques et des protocoles d’essai pour s’assurer de la fiabilité des données acquises. En raison de l’accès limité aux installations de servo-hydraulique à grande vitesse et des protocoles de tests validés, il y a une lacune notable dans les résultats à la vitesse de déformation intermédiaires. Le manuscrit actuel présente un protocole validé pour la caractérisation des différents matériaux à ces vitesses de déformation intermédiaires. Instrumentation de jauges de contrainte et de protocoles de corrélation d’images numériques sont aussi inclus sous forme de modules complémentaires pour extraire le plus grand niveau de données détaillées de chaque test. Exemples de données brutes, provenant d’une variété de matériaux et de configurations de test (par exemple, résistance à la traction et de cisaillement) est présenté et décrit la procédure d’analyse utilisée pour traiter les données de sortie. Enfin, les défis de la caractérisation dynamique en utilisant le protocole actuel, ainsi que les limites de l’installation et les méthodes de surmonter les problèmes potentiels sont discutés.

Introduction

Plupart des matériaux démontrent une certaine dépendance de taux de souche dans leur comportement mécanique¹ et, donc, essais mécaniques réalisées uniquement à des vitesses de déformation quasi statique ne sont pas approprié pour déterminer les propriétés matérielles de dynamique applications. La dépendance de taux de déformation des matériaux est généralement étudiée à l’aide de cinq types de systèmes d’essais mécaniques : cadres de charge pour le lecteur vis classiques, servo-hydrauliques, systèmes servo-hydraulique haut débit, testeurs d’impact et systèmes de barres de Hopkinson ¹. barres de Hopkinson de Split ont été une installation commune pour la caractérisation dynamique des matériaux au cours des dernières années 50². Il y a eu aussi des efforts pour modifier les barres de Hopkinson pour tester à vitesses de déformation intermédiaires et inférieurs. Toutefois, ces installations sont généralement plus adaptées pour les caractérisations de taux de déformation du matériau (c'est-à-dire, généralement supérieure à 200/s). Il y a une lacune dans la littérature sur la caractérisation des propriétés des matériaux à vitesses de déformation intermédiaire dans la gamme de 10−200/s taux (c'est-à-dire entre les résultats de souche quasi statique et haut taux obtenus de split Hopkinson barres³), qui est due à l’accès limité aux installations et un manque de procédures fiables de souche intermédiaire taux essai des matériaux.

Un cadre charge de servo-hydraulique à grande vitesse applique la charge de l’échantillon à une vitesse constante et prédéfinie. Ces chargement cadres avantage à partir d’un adaptateur mou, qui, dans des essais de traction, permet à la traverse atteindre la vitesse souhaitée avant le début du chargement. L’adaptateur de frein permet à la tête de parcourir une certaine distance (p. ex., 0,1 m) pour atteindre la vitesse de la cible, puis démarre appliquant la charge de l’échantillon. Cadres charge servo-hydraulique à grande vitesse généralement effectuent des essais en mode de contrôle de déplacement et maintiennent une vitesse constante actionneur pour produire constante ingénierie souche taux³.

Techniques pour mesurer l’allongement de l’échantillon sont généralement classés comme contact ou sans contact techniques⁴. Contact techniques incluent l’utilisation d’instruments tels que des extensomètres clip-on, tandis que les extensomètres laser sont employés pour la mesure sans contact. Extensomètres contact étant sujettes aux influences de l’inertie, ils ne conviennent pas à des essais dynamiques ; extensomètres sans contact ne souffrent pas de ce problème.

Corrélation d’images numériques (DIC) est une technique de mesure de déformation optique, sans contact, plein champ, qui est une approche alternative de la souche de jaugeage pour mesurer/charge de contrainte et de surmonter certaines des difficultés (par exemple, le phénomène de sonnerie) associés avec caractérisation des matériaux dynamique⁵. Jauges de contrainte de résistance peuvent souffrir de limitations comme une zone limitée de la mesure, une gamme limitée d’élongation et de méthodes de montage limitée, tandis que la DIC est toujours capable de fournir une mesure de plein champ déformation de la surface de l’échantillon au cours de la Faites des essais.

La procédure présentée décrit l’utilisation d’un cadre de charge servo-hydraulique à grande vitesse ainsi que de la DIC et peut être utilisée comme un document complémentaire au récemment élaboré les directives standard⁶ pour préciser les détails de la procédure expérimentale. La section du cadre de charge servo-hydrauliques peut être suivie pour une variété de configurations de test (p. ex., résistance à la traction, compression et de cisaillement) et même avec une charge quasi-statique commune cadres aussi bien et, par conséquent, couvre une vaste gamme d’installations. En outre, l’article DIC peut être appliqué séparément à n’importe quel type de tests mécaniques ou thermiques, avec des modifications mineures.

Protocole

1. préparation de l’échantillon

1. Préparer les os de chien en forme d’éprouvettes de traction selon la norme ISO⁶ à l’avance.
   NOTE : Spécimens similaires sont également utilisés⁴.
2. Installer des jauges de contrainte sur la section onglet (obligatoire pour la mesure de la charge) et la section de jauge (facultative pour la mesure de déformation) de l’éprouvette de traction.
   1. Sélectionnez le modèle approprié de jauge de contrainte basée sur la taille, extension maximale, tests de température, résistance électrique, etc.⁴.
   2. Nettoyer la surface de l’échantillon avec de l’isopropanol à enlever toute contamination et installer la jauge de contrainte à l’emplacement approprié. Installer la jauge de contrainte de section onglet à égale ou supérieure à la largeur de la section de l’onglet de la section de préhension et de la section de la jauge pour garantir un débit uniforme de stress de la valeur nominale (c'est-à-dire sans concentration de contrainte), sinon l’analyse numérique est requis pour prédire la valeur de la contrainte à l’emplacement de la jauge de contrainte.
   3. Connectez les fils de jauge de contrainte dans la zone du pont de Wheatstone. Utilisez une patte de connexion de fil si nécessaire pour monter les connexions vers les fils extérieurs.
   4. Vérifiez la jauge de contrainte de lecture avec un chargement simple et conditions aux limites. Appliquer une charge connue de l’échantillon (par exemple accrocher une masse connue de l’échantillon) et vérifier les lectures de souche.
3. Préparer l’échantillon DIC comme suit :
   1. Préparation de la surface de l’échantillon avec des caractéristiques de contraste élevé. Par exemple, l’échantillon de peinture blanche et il speckle avec beaux points noirs. Par essais et erreurs correspondent au modèle de speckle à la taille du capteur caméra image telle que chaque tache est composé d’environ 3 pixels ou plus.
      NOTE : Éviter exécution DIC du côté que les jauges de contrainte sont installés pour empêcher les caractéristiques indésirables de la surface.
   2. Laissez la peinture sécher avant l’essai. Le spécimen d’essai, de préférence, dans la même journée, il a été peint.
      Remarque : Selon le type et la consistance de la peinture, ceci peut prendre jusqu'à quelques heures. Ne laissez pas les spécimens mouchetés pendant une période prolongée (par exemple, plusieurs jours) avant l’essai, comme cela se traduira par la fragilité devenant peinture et écaille pendant l’essai.

2. procédure de démarrage

1. Allumer le courant à la Console de commande en utilisant le bouton sur l’UPS (système d’alimentation sans coupure). Vérifier que le robinet d’isolement de la pompe à la structure de taux élevé est ouvert et puis allumez l’ordinateur.
2. Dès le début de bureau l’Application de contrôleur, en sélectionnant la configuration Displacement.cfg de calculer des taux élevés , puis cliquez sur réinitialiser pour effacer le dispositif de verrouillage 1 (sous Contrôle de la Station).
   Remarque : Les deux autres indicateurs (programme 1 et porte 1) sera rouges parce que la haute pression hydraulique n’est pas encore appliquée.
3. Contrôler et Exclusif ainsi le cadre seulement peut être commandé par le logiciel (et non du combiné).
4. Maintenant, démarrer la pompe hydraulique (HPU) et ouvrir le collecteur de service (HSM 1) un par un (3 au total). Pour chaque cas attendre jusqu'à ce que l’indicateur de faible cesse de clignoter avant d’appuyer sur l’indicateur de haut. Si la pompe a été éteint pendant une longue période, attendre 30 s avant de choisir le haut pour laisser le temps de pompe alimentation d’huile de la pompe à haute pression.
5. Encore une fois, depuis le bureau, lancez le logiciel de conception de Test. De la barre d’outils s’assurent la HPU et HSM 1 sont ON (vert). Dans le menu principal File > New > Test du modèle sélectionnez Modèles personnaliséset sélectionnez Tension d’essai.

3. installation de jauges

1. Allez dans le contrôle de curseur de frame de charge (à côté du combiné) et mettez l’interrupteur sur le faible taux (icône).
2. À l’intérieur de la chambre d’essai raccorder les fils de la strain gauge(s) de l’échantillon à la boîte de jauge de contrainte en utilisant le code de couleur (rouge, blanc et noir). Si il n’y a qu’une seule jauge de contrainte, utilisez la série SG 1.
   Remarque : Le fil rouge est le raccordement séparé (excitation + ou -), le blanc et le noir sont le sens et mène de signal.
3. Dans l’Application de contrôleur et sous Entrées auxiliaires aller à souche 1 (ou 2) pour sélectionner la portée maximale des souches (c'est-à-dire 2 %, 5 % ou 10 %). Par exemple, si 5 % est retenue, le logiciel cela mappe 50 000 µε à 10 Volts sortie et ne peut pas mesurer les souches au-delà de 5 %.
4. Exécutez le logiciel utilitaire de conditionneur pour configurer les jauges de contrainte et d’équilibrer le pont de Wheatstone selon les étapes suivantes :
   1. Calculer la tension de sortie à l’aide de la formule pour le pont de Wheatstone :
      
      Ici, V_O est la tension de sortie, V_E est la tension d’excitation, GF est le facteur de jauge, ε₁ est de 50 000 (5 %), alors que ε₂et₃de la ε, ε₄ sont zéro (pont d’achèvement).
5. Calculer le gain moyen de l’équation suivante :
   
6. Dans le logiciel utilitaire de revitalisant, il y a options de 1, 8, 64 et 512 pour le Gain du préampli, tandis que la valeur du Gain amp Post est limitée à 9. 9976. calculer l’amp Post que gain issu des différentes options de 1, 8, 64 et 512 pour le Gain du préampli à l’aide de l’équation suivante :
   
7. Sélectionnez le Gain du préampli plus bas qui donne sur un ampli Post Gain inférieur à 9.9976 et ces valeurs d’entrée dans le logiciel utilitaire de conditionneur.
8. Lancez le logiciel de Configuration de Acquisition de données taux haut. Sous la contrainte canaux (canal 3 et 4), entrez la plage à grande échelle de la jauge de contrainte (par exemple 50 000).
   NOTE : Canaux 1 et 2 sont dédiés au déplacement et à Force, respectivement.
9. Compenser les jauges de contrainte à zéro selon les étapes suivantes :
   1. Dans le logiciel, retirez d’abord les valeurs de décalage pour les canaux de souche (porter les valeurs de décalage à zéro).
      Remarque : Cette opération doit se faire lorsque le spécimen est au repos (par exemple sur la table) et n’est pas sous charge.
   2. Ensuite, réglez le paramètre de balance de pont pour amener la souche de lecture presque à zéro. Il s’agit de l’étape de réglage grossier.
   3. Puis réglez le paramètre Feedback zéro , pour apporter de la valeur de la déformation dans le logiciel de gestionnaire de souche complètement à zéro. Cette étape est un réglage fin.
   4. Afin d’assurer l’entrée paramètres sont corrects, cliquez sur l’option Activer la dérivation .
      Remarque : La valeur de la déformation dans le logiciel de contrôleur doit se lire µε 1640 (soit + ou - signe). N’oubliez pas d’éteindre le shunt pour éliminer la résistance de shunt sur le pont de Wheatstone. La valeur de souche reviendra à zéro.
10. S’il y a deux jauges de contrainte sur le spécimen, dans le logiciel utilitaire de conditionneur, cliquez sur souche 2 et répétez toutes les étapes de configuration de jauge de contrainte.

4. montage de l’éprouvette

1. Dans l’Application contrôleur activer le Contrôle manuel et entrez la position de la tête au maximum à-125 mm.
2. Puis cliquez pour désactiver la case à cocher Activer la commande de manuel et décochez la case de Contrôle exclusif .
3. Utilisez le support de montage pour aligner le coupon à l’intérieur des poignées. Un cordon élastique peut servir à maintenir l’adaptateur frein en position rétractée, donnant une marge pour installer le coupon. Serrer d’abord le coupon dans la poignée à fond.
4. Sur le combiné appuyer sur l’icône représentant une clé dans le coin supérieur droit pour activer le combiné. Veiller à ce que la boîte de Contrôle exclusif sur le logiciel n’est pas cochée. Assurez-vous que la poignée supérieure est lâche pour écarter l’application indésirable de la charge de l’échantillon.
   1. Retirez le cordon élastique et appuyez sur l’icône de roue sous la molette sur le contrôleur pour l’activer. Rouler lentement le volant pour amener la tête vers le bas jusqu'à ce que le bras inférieur de l’adaptateur de frein est presque complètement rétracté et la crosse est presque au-125 mm.
      Remarque : la position de la tête peut être lu sur le combiné.
5. Sur le combiné, appuyer sur l’icône de clé encore une fois pour désactiver le combiné. Revenez à l’ordinateur et sur le contrôle de l’Application de contrôleur le coffret Exclusif et utilisez le Contrôle manuel pour mettre la tête à exactement-125 mm. La poignée supérieure est lâche, il n’y a aucune charge appliquée sur le coupon.
6. Maintenant, serrer les poignées dessues avec une clé et une clé en tournant l’adaptateur mou. Ne tordez pas le coupon tout en serrant la poignée.
7. Vérifiez les rondelles de spirale entre l’adaptateur de frein et la traverse intermédiaire et assurez-vous qu’ils sont serrés et il n’y a aucun jeu axial le long du train de charge.
8. Encore une fois, à l’aide de la boîte de contrôle cruciformes renvoyer le cadre au taux élevé (icône de lapin) et assurez-vous que les portes de l’enceinte sont fermées hermétiquement.
9. Retour sur l’ordinateur, pour supprimer les verrouillages cliquez sur Reset (sur le côté droit de l’Application de contrôleur).
   Remarque : Les systèmes de verrouillage incluent « Interlock 1 » (une chaîne de verrouillage qui traverse tous les cadres et la pompe hydraulique), « programme 1"(logiciels contrôlé, par exemple, haute/basse vitesse), « Gate 1" (enveloppe et commutateur de taux), et « C-Stop 1"(arrêt contrôlé) .
10. Lorsqu’il n’y a aucune intention de passer la tête manuellement, décochez la case Activer la commande de manuel dans le menu de Commande manuelle pour éviter accidentellement entrant un numéro dans le logiciel et déplacement de la tête.

5. préparation d’installation DIC

1. Connectez la caméra à grande vitesse à l’ordinateur via un câble de LAN Gigabit.
2. Raccorder le boîtier d’e/s numériques à la caméra à grande vitesse et contrôleur de cadre MTC.
3. Connectez l’ordinateur sur le contrôleur de cadre MTS via la boîte d’acquisition de données. Signaux de force et de déplacement sont transférés du contrôleur MTS à l’ordinateur par le biais de cette boîte.
4. Connecter la caméra à grande vitesse au boîtier DAQ pour le signal de déclenchement et le signal de synchronisation.
5. Montez la caméra sur la base de la membrure de charge afin d’éviter un mouvement relatif entre la caméra et le spécimen pendant l’essai, comme le cadre secoue en raison de l’impact.
6. Positionnez la caméra avec soin pour s’assurer que son capteur d’image est parallèle au modèle de formulaire. Un objectif télécentrique (p. ex., Opto-ingénierie 23-64with un champ de vision de 64 × 48 mm et une distance de travail de 182 mm) permet de réduire les risques de distorsion de perspective entre le mouvement hors-plan.
7. Au cours de la configuration de la caméra, examiner la déformation finale de l’échantillon et s’assurer que le champ de vision de la caméra couvre l’échantillon tout au long de l’essai complet.
8. Pour configurer les connexions de logiciel de l’ordinateur, sélectionnez le réseau et Centre de partage de Windows Panneau de configuration. Ensuite, cliquez sur connexion au réseau Local.
9. Sélectionnez Internet Protocol Version 4 (TCP/IPv6) dans les propriétés de Connexion au réseau Local et définir l’adresse IP.
10. Ouvrez le logiciel de visualisation à grande vitesse d’imagerie et cliquez sur détecter et puis enregistrez la configuration.
11. Cliquez sur le bouton d’Option de la caméra , puis sélectionnez l’onglet i/o pour définir les signaux externes.
12. Pour définir la cadence et la résolution de l’image, cliquez sur le bouton de la variable . Définissez la fréquence de la caméra et le taux d’acquisition de données acquisition (DAQ) boîte au même nombre que le système d’acquisition de données haute vitesse dans le cadre de la charge pour faciliter l’étape de l’analyse de données
13. Ouvrir la haute vitesse DAQ dans l’observateur d’imagerie haute vitesse et sélectionner les canaux nécessaires et les échantillons par image.
14. Après l’installation de la caméra, capturer plusieurs images statiques et calculer le champ de déformation à l’aide de la routine de corrélation d’image.
    Remarque : La déformation maximale et les déplacements mesurés de ce bruit de fond sont notées et fournissant une mesure qualitative de la qualité de l’image.

6. exécution du test

1. Dans le logiciel de conception de test, dans le menu principal de suivre File > New > essai > Test du modèle. Test de TensionOuvrez ensuite sous Modèles personnalisés .
2. Sélectionnez la Nouvelle série de tests et entrez un nom de fichier valide (généralement le nom du coupon sans espaces). Modifiez les champs selon les besoins ; puis cliquez sur OK.
   1. Si les jauges de déformation sont incluses, n’oubliez pas de saisir le Nombre de canaux comme 4.
   2. Le point de départ est habituellement-125 mm. Ceci est important car si ce n’est pas correct la tête se déplacera à cette valeur avant que le test commence éventuellement endommager le coupon.
   3. Les valeurs par défaut pour Haute fréquence d’Acquisition de vitesse et de la Taille du tampon sont de 50 000 et 20 000, respectivement. Selon la durée de l’essai et les délais de résolution (intervalle de temps entre les points de données), modifier ces numéros si nécessaire.
      Remarque : Les paramètres par défaut donne l’enregistrement de données pour la durée de 0,4 s.
   4. Pour sélectionnez Vitesse de montée au nominal désiré tête vitesse (par exemple, 8 000 mm/s), puis cliquez sur OK.
3. Une série d’invites apparaîtra, rappeler pour vérifier les moments clé matérielle, après quoi le test sera lancé en cliquant sur l’icône exécuter .
4. Sur le pupitre de commande basculer du Mode Select à Taux élevé. Ceci active le grand robinet pour application de charge élevé. La valeur par défaut 1 Valve est sélectionnée (le voyant est allumé).
5. Sur l’écran d’ordinateur, une série d’étapes sont présentées. Suivez les étapes.
6. Sur le pupitre de commande, appuyer sur et maintenir l’interrupteur Arm/Charge accumulateur . Le système est maintenant prêt.
7. Appuyez sur feu pour terminer le test.
8. Le Mode Select revenir au Standard et appuyer sur le retour pour démarrer (bouton vert) sur la console pour retourner la tête de l’embout (125 mm).
9. Aller au contrôle cruciformes et rebasculer vers le faible taux (icône).
10. Ouvrir le boîtier et retirez le spécimen. Trouver les fichiers de données stockés sur l’ordinateur à
    C:\Datafiles\High des données de vitesse (pour les données de taux élevé) et à C:\Datafiles\Low les données de vitesse (pour les données de fréquence faible).

7. procédure d’arrêt

1. Sur le contrôleur logiciel tourner le HSM 1 à faible (jaune), puis à Off (rouge). Ceci va fermer l’et arrêtez la pompe.
2. Dans le logiciel de conception de test, enregistrer la série de tests, si nécessaire, par dans le menu en haut de la page qui suit fichier > Enregistrer sous, puis choisissez le test. Fermez le logiciel de conception de test.
3. Fermez l’Application contrôleur. Enregistrer les paramètres avant de fermer le logiciel, si nécessaire. Arrêtez l’ordinateur.
4. Fermer la vanne hydraulique (grand levier) et coupez l’alimentation à la Console de commande à l’aide du bouton d’alimentation sur l’onduleur.

8. analyse des données

1. Exporter les données brutes de l’ordinateur de cadre de charge dans le logiciel de post-traitement de choix.
2. Calculer la charge réelle des lectures de jauge de contrainte, monté sur la partie de la jauge et la comparer avec les données de charge brute de la grande vitesse DAQ. Si la sonnerie dans la haute vitesse de données DAQ est grave, utiliser la charge calculée de la jauge de contrainte dans les prochaines étapes⁴.
3. Calculer la contrainte dans la section de jauge, σ_{de jauge}, selon la charge calculée, Pet la section transversale du spécimen à la section de la jauge, un_{x - section}:
   
4. Obtenir la pression exercée sur la section de la jauge de l’une des méthodes suivantes :
   1. Souche moyenne dans la section de la jauge :
      1. Calculer l’allongement de section onglet en connaissant la charge, onglet section longueur, module d’élasticité du spécimen et transversale.
         Remarque : Si le module d’élasticité est fonction de la vitesse de déformation, une procédure itérative (les détails sont expliqués dans la référence⁷) est nécessaire.
      2. Soustraire l’allongement de section onglet de l’allongement de tout spécimen (c.-à-d. charge cadre tête déplacement) pour obtenir l’allongement de section de jauge.
      3. Calculer la contrainte moyenne dans la section de mesure basée sur l’allongement de section de calibre et la longueur initiale.
   2. Déformation locale de DIC :
      1. Déterminer l’emplacement sur la section de voie où le spécimen n’a pas (c'est-à-dire divisé en deux) et restreindre le champ de déformation à une localité dans le voisinage de la section de l’échec.
      2. Mesurer et consigner la souche des environs à l’aide de la DIC post-traitement du choix.
5. Tracer la courbe contrainte-déformation obtenue à partir des étapes précédentes.

Résultats

La durée de l’essai dynamique est généralement comparable au temps requis pour les vagues de stress voyage aller-retour sur toute la longueur du train charge (poignées, spécimen et chargement) système¹. Un essai dynamique n’est valide que si le nombre et l’amplitude des ondes de stress lors d’un essai dynamique est contrôlé afin qu’un équilibre dynamique est atteint, et l’échantillon subit une déformation homogène à une vitesse de déformat...

Discussion

Les données brutes tirées de l’expérience dépend de l’emplacement de la géométrie et des jauges de contrainte de spécimen sur le spécimen. Les données de charge dans des essais dynamiques taux faible déformation acquises par une laveuse à chargement piézo-électrique intégré dans le châssis de la charge à des taux plus élevés de souche (Bruce et al. ³ suggéré > 10/s, tandis que pour Wang et al. ⁹ a signalé cette limite à 100/s) so...

matériels

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