Caratterizzazione di materiali intermedi ceppo tasso con correlazione di immagini digitali

Riepilogo

Qui presentiamo una metodologia per la caratterizzazione dinamica di trazione esemplari al prezzo di ceppo intermedi utilizzando un telaio di carico servo-idraulica ad alta velocità. Procedure per strain-gauge strumentazione e analisi, nonché per le misure di deformazione correlazione di immagini digitali sugli esemplari, sono anche definite.

Abstract

La risposta meccanica di un materiale sotto carico dinamico è in genere diversa da quello il comportamento in condizioni statiche; Pertanto, il comune quasi statica attrezzature e procedure utilizzate per la caratterizzazione di materiali non sono applicabili per i materiali sotto carichi dinamici. La risposta dinamica di un materiale dipende dal suo tasso di deformazione e largamente è categorizzata in alto (cioè, maggiore di 200/s), intermedio (cioè, 10−200/s) e ceppo basso tasso di regimi (cioè, sotto 10/s). Ognuna di queste chiamate di regimi strutture specifiche e protocolli di prova garantire l'affidabilità dei dati acquisiti. A causa il limitato accesso alle strutture di servo-idraulica ad alta velocità e protocolli di prova convalidati, esiste un notevole divario nei risultati presso la velocità di deformazione intermedia. Il manoscritto attuale presenta un protocollo validato per la caratterizzazione di materiali diversi a queste tariffe intermedie ceppo. Strain gauge strumentazione e protocolli di correlazione di immagini digitali sono inclusi anche come moduli gratuiti per estrarre il massimo livello di dati dettagliati da ogni singolo test. Esempi di dati grezzi, ottenuto da una varietà di materiali e configurazioni di test (ad esempio, a trazione e taglio) è presentato ed è descritta la procedura di analisi utilizzata per elaborare i dati di output. Infine, le sfide della caratterizzazione dinamica utilizzando il protocollo attuale, insieme con le limitazioni della struttura e dei metodi di superare i problemi potenziali sono discussi.

Introduzione

Maggior parte dei materiali dimostrano un certo grado di dipendenza di tasso di sforzo nel loro comportamento meccanico¹ e, pertanto, prove meccaniche condotte solo a velocità di deformazione quasi statica non è adatta determinare le proprietà del materiale per dynamic applicazioni. La dipendenza del tasso di deformazione dei materiali è in genere studiata utilizzando cinque tipi di sistemi di test meccanici: telai di carico unità convenzionali vite, sistemi di servo-idraulica, sistemi di servo-idraulica ad alta velocità, impatto tester e sistemi di barra di Hopkinson ¹. bar Split Hopkinson sono stati una struttura comune per la caratterizzazione dinamica dei materiali negli ultimi 50 anni². Ci sono stati anche gli sforzi per modificare le barre di Hopkinson per testare alle velocità di deformazione intermedio e inferiore. Tuttavia, queste strutture sono in genere più adatte per le caratterizzazioni di tariffa alta deformazione del materiale (cioè, di solito maggiore di 200/s). C'è una lacuna nella letteratura sulla caratterizzazione ceppo tasso di proprietà dei materiali alle velocità di deformazione intermedio nella gamma di 10−200/s (cioè, tra risultati di ceppo quasi statica e alto tasso ottenuti da split Hopkinson bar³), che è dovuto a il limitato accesso alle strutture e la mancanza di procedure affidabili di test della velocità di deformazione intermedia materiale.

Un telaio di carico servo-idraulica ad alta velocità si applica il carico alla provetta a velocità costante e predefinite. Questi caricano cornici beneficio da un adattatore di slack, che per prove di trazione, consente la traversa raggiungere la velocità desiderata prima dell'inizio del caricamento. L'adattatore slack consente la testa a una certa distanza (ad es., 0,1 m) per raggiungere la velocità di destinazione di viaggio e quindi Avvia applicazione del carico al provino. Telai di carico servo-idraulica ad alta velocità in genere eseguire test in modalità di controllo di spostamento e mantengono una velocità costante attuatore per produrre tassi di deformazione costante ingegneria³.

Tecniche per misurare l'allungamento del provino sono generalmente classificati come contatto o senza contatto tecniche⁴. Studio di tecniche include l'uso di strumenti quali gli estensimetri a clip, mentre gli estensimetri laser sono impiegati per misure senza contatto. Poiché gli estensimetri contatti sono soggetti a influenze di inerzia, non sono adatti per i test dinamici; Estensimetri senza contatto non soffrono di questo problema.

Correlazione di immagini digitali (DIC) è una tecnica di misurazione ottico, senza contatto, pieno campo ceppo, che è un approccio alternativo al ceppo di misura per misurare la deformazione/carico e superare alcune delle sfide (ad es., il fenomeno di squillo) associati con caratterizzazione del materiale dinamica⁵. Estensimetri di resistenza possono soffrire di limitazioni come ad esempio una zona limitata di misura, una gamma limitata di allungamento e metodi di montaggio limitato, considerando che la CIA è sempre in grado di fornire una misura della deformazione di pieno campo dalla superficie del campione durante la rsperimento.

La procedura presentata viene descritto l'utilizzo di un telaio di carico servo-idraulica ad alta velocità insieme a DIC e può essere utilizzata come un documento complementare al recente sviluppo linee guida standard⁶ per chiarire i dettagli delle procedure sperimentali. La sezione sul telaio di carico servo-idraulica può essere seguita per una varietà di configurazioni di test (ad es., trazione, compressione e di taglio) e anche con il comune carico quasi statica cornici come bene e, pertanto, copre una vasta gamma di servizi. Inoltre, la sezione DIC può essere applicata separatamente a qualsiasi tipo di test meccanici o termici, con modifiche minori.

Protocollo

1. preparazione

1. Preparare l'osso di cane a forma di trazione esemplari secondo ISO standard⁶ in anticipo.
   Nota: Gli esemplari simili sono anche usato⁴.
2. Installare estensimetri sulla sezione scheda (obbligatoria per la misura di carico) e la sezione di calibro (opzionale per la misura della deformazione) dell'esemplare a trazione.
   1. Selezionare il modello corretto di estensimetri in base alle dimensioni, massima estensione, test di temperatura, resistenza elettrica, ecc.⁴.
   2. Pulire la superficie del campione con isopropanolo per rimuovere eventuali contaminazioni e installare l'estensimetro nella posizione corretta. Installare la scheda sezione estensimetro a uguale o maggiore della larghezza della sezione scheda dalla sezione avvincente e la sezione di calibro per garantire un flusso uniforme dello stress del valore nominale (cioè nessuna concentrazione di sforzo), altrimenti l'analisi numerica è necessaria per stimare il valore di sforzo nella posizione dell'estensimetro.
   3. Collegare i cavi di strain-gauge alla casella ponte di Wheatstone. Utilizzare una scheda di connessione filo se necessario per montare le connessioni per i cavi esterni.
   4. Verificare l'estensimetro lettura con un semplice caricamento e condizioni al contorno. Applicare un carico noto al provino (es. appendere una massa nota dall'esemplare) e controllare le letture del ceppo.
3. Preparare il campione per DIC come segue:
   1. Preparare la superficie del campione con caratteristiche di contrasto elevato. Ad esempio, dipingere il campione bianco e della macchiolina con puntini neri bene. Attraverso tentativi ed errori corrisponde al modello di speckle alle dimensioni del sensore di immagine della fotocamera tale che ogni macchiolina è composto da circa 3 pixel o superiore.
      Nota: Evitare di eseguire DIC sul lato che gli estensimetri sono installati per evitare che le caratteristiche della superficie indesiderabili.
   2. Lasciare la vernice si asciughi prima della prova. L'esemplare della prova, preferibilmente, nello stesso giorno è stato dipinto.
      Nota: A seconda del tipo e la consistenza della vernice, questo può richiedere fino a poche ore. Non lasciare gli esemplari macchiati per un periodo prolungato (ad esempio, diversi giorni) prima del test come questo si tradurrà nel croccante diventante di vernice e sfaldamento durante la prova.

2. procedura di avviamento

1. Attivare l'alimentazione alla Console di comando utilizzando il pulsante sull'UPS (Uninterruptable Power Supply). Controllare che la valvola di isolamento dalla pompa al telaio alto tasso è aperta e quindi accendere il computer.
2. Fin dall'inizio desktop l'applicazione del Controller, selezionare la configurazione di Alto tasso di calcolare Displacement.cfg , quindi scegliere Reimposta per deselezionare interblocco 1 (sotto Stazione controlli).
   Nota: Gli altri due indicatori (programma 1 e Gate 1) sarà rossi poiché l'alta pressione idraulica non viene ancora applicata.
3. Verifica Controllo esclusivo quindi il telaio può essere controllato solo dal software (e non dal portatile).
4. Ora, avviare la pompa idraulica (HPU) e aprire manometrico (HSM 1), uno da uno (3 in totale). Per ogni caso attendere che l'indicatore smette di lampeggiare prima di premere l'indicatore alta. Se la pompa è stato spento per un lungo tempo, attendere per 30 s prima di selezionare l'alta per dare il tempo di pompa di alimentazione per la fornitura di olio per la pompa ad alta pressione.
5. Ancora una volta, dal desktop, avviare il software di progettazione di Test. Da una barra degli strumenti, assicurarsi che le HPU e HSM 1 sono ON (verde). Dal menu superiore File > New > Test dal modello selezionare Modelli personalizzatie quindi selezionare la tensione di prova.

3. installazione degli estensimetri

1. Passare il controllo di traversa del telaio di carico (accanto la cornetta) e girare l'interruttore per il basso tasso (icona di tartaruga).
2. All'interno della camera di prova è necessario collegare i fili del strain gauge(s) esemplare alla casella strain-gauge utilizzando il codice di colore (rosso, bianco e nero). Se c'è un solo strain-gauge, utilizzare la serie SG 1.
   Nota: Il cavo rosso è il terminale separato (eccitazione + o -) e il bianco e il nero sono il senso e segnale conduce.
3. Nell'applicazione Controller e sotto Ingressi ausiliari andare al ceppo 1 (o 2) per selezionare la portata massima dei ceppi (cioè il 2%, 5% o 10%). Ad esempio, se viene scelto il 5%, il software mappe questa da 50.000 µε all'uscita di 10 volt e non è possibile misurare tensioni oltre il 5%.
4. Eseguire il condizionatore Utility software per configurare gli estensimetri e bilanciare il ponte di Wheatstone attenendosi alla procedura seguente:
   1. Calcolare la tensione di uscita utilizzando la formula per il ponte di Wheatstone:
      
      Qui, V_O è la tensione di uscita, è V_E la tensione di eccitazione, GF è il fattore di scala, ε₁ è 50.000 (5%), mentre ε₂, ε₃e ε₄ sono zero (ponte di completamento).
5. Calcolare il guadagno usando la seguente equazione:
   
6. Del software di utilità di condizionatore, ci sono opzioni di 1, 8, 64 e 512 per il guadagno del preamplificatore, mentre il valore di guadagno amplificatore Post è limitato a 9. 9976. calcolare l'amplificatore Post che guadagno basato sulle diverse opzioni di 1, 8, 64 e 512 per il guadagno del preamplificatore utilizzando la seguente equazione:
   
7. Selezionare il guadagno del preamplificatore più basso che dà fuori un amp Post guadagno inferiore 9.9976 e questi valori di input nel software di utilità di condizionatore.
8. Eseguire il software di configurazione di acquisizione dati tasso elevato. Sotto lo sforzo canali (canali 3 e 4), inserire l'intervallo su vasta scala di estensimetri (ad es. 50.000).
   Nota: Canale 1 e 2 sono dedicati alla cilindrata e forza, rispettivamente.
9. Compensare gli estensimetri a zero attenendosi alla procedura seguente:
   1. In primo luogo nel software, è possibile rimuovere qualsiasi valori di offset per i canali di ceppo (portare i valori di offset a zero).
      Nota: Questo processo deve essere fatto quando il provino è a riposo (ad es. sul tavolo) e non è sotto carico.
   2. Quindi, regolare il parametro di equilibrio del ponticello per portare lo sforzo di lettura quasi a zero. Questo è il passo di regolazione grossolana.
   3. Quindi regolare il parametro Zero Feedback , per portare il valore di deformazione del software di gestione di ceppo completamente a zero. Questo passaggio è la regolazione fine.
   4. Per garantire che i parametri di input sono state corretti, fare clic sull'opzione Shunt abilitare .
      Nota: Il valore di sforzo nel software dell'applicazione Controller dovrebbe essere µε 1640 (sia con + o - segno). Ricordatevi di spegnere lo shunt per rimuovere il resistore di shunt fuori il ponte di Wheatstone. Il valore di Strain tornerà a zero.
10. Se ci sono due estensimetri sull'esemplare, del software di utilità di condizionatore, fare clic sul ceppo 2 e ripetere tutti i passaggi di installazione di estensimetri.

4. l'esemplare della prova di montaggio

1. Nell'applicazione Controller attivare il Controllo manuale e inserire la posizione della testa alla sua piena estensione a-125 mm.
2. Quindi fare clic per disattivare la casella di controllo Attivare comando manuale e deselezionare la casella di Controllo esclusivo .
3. Utilizzare la staffa di fissaggio per allineare il coupon all'interno i grip. Un cordino elastico può essere utilizzato per tenere l'adattatore slack in posizione retratta dando spazio per installare il coupon. Stringere il coupon in preda a fondo prima.
4. Sul portatile premere l'icona chiave nell'angolo superiore destro per attivare il ricevitore. Assicurarsi che la casella di Controllo esclusivo sul software è deselezionata. Assicurarsi che la presa superiore è sciolto per evitare l'applicazione indesiderabile del carico al provino.
   1. Rimuovere la corda elastica e spingere l'icona ruota sotto la rotella sul controller per attivarlo. Lentamente la rotellina per portare la testa verso il basso fino a quando il braccio inferiore della scheda di allentamento è quasi completamente retratto e la traversa è quasi a-125 mm.
      Nota: la posizione della testa può essere letto sul portatile.
5. Sul portatile premere l'icona chiave ancora una volta per disattivare il ricevitore. Tornare al computer e sul controllo dell'applicazione Controller la casella di Controllo esclusivo e utilizzare il Controllo manuale per portare la testa a esattamente-125 mm. L'impugnatura superiore è sciolto quindi non c'è nessun carico applicato per il coupon.
6. Ora, stringere le manopole superiore con una chiave e una chiave ruotando l'adattatore slack. Non torcere il coupon mentre si stringe il grip.
7. Controllare le rondelle a spirale tra l'adattatore slack e la traversa intermedia e assicurarsi che siano ben stretti e non c'è nessun gioco assiale lungo il treno di carico.
8. Ancora una volta, utilizzando la casella di controllo traversa restituire il frame per l'alto tasso (icona del coniglio) e assicurarsi che le porte del recinto sono ben chiuso.
9. Torna sul computer, per cancellare gli interblocchi scegliere Reset (sul lato destro dell'applicazione Controller).
   Nota: Gli interruttori di sicurezza includono "Interlock 1" (una catena di interblocco che attraversa tutti i fotogrammi e la pompa idraulica), "programma 1" (software per computer controllato, ad esempio, alta/bassa velocità), "Gate 1" (recinto e interruttore Rate), e "C-Stop 1" (arresto controllato) .
10. Quando non c'è alcuna intenzione di spostare la testina manualmente, deselezionare la casella di Attivare comando manuale nel menu di Comando manuale per evitare accidentalmente inserendo un numero nel software e muovendo la testa.

5. Preparazione installazione DIC

1. Collegare la fotocamera ad alta velocità al computer utilizzando un cavo LAN Gigabit.
2. Collegare la casella dei / o digitali per la macchina fotografica ad alta velocità e MTC telaio controller.
3. Collegare il computer alla centralina del telaio MTS tramite la casella di DAQ. Segnali di forza e spostamento sono trasferiti dal controller MTS al computer tramite questa casella.
4. Collegare la fotocamera ad alta velocità alla casella DAQ per il segnale di trigger e il segnale di sincronizzazione.
5. Montare la videocamera sulla base del telaio di carico per evitare il movimento relativo tra la fotocamera e il campione durante la prova, come il telaio scuote a causa dell'impatto.
6. Posizionare la videocamera con cura per garantire che il suo sensore di immagine è parallela alla provetta. Utilizzare un obiettivo telecentrico (ad es., Opto-ingegneria 23-64with un campo visivo di 64 × 48 mm e una distanza di lavoro di 182 mm) per ridurre la possibilità di distorsione della prospettiva dal movimento fuori del piano.
7. Durante l'installazione della telecamera, considera la deformazione finale del provino e assicurarsi di campo della telecamera copre l'esemplare tutta la durata del test.
8. Per impostare le connessioni di software nel computer, selezionare rete e centro condivisione dal Pannello di controllodi Windows. Successivamente fare clic su connessione alla rete locale.
9. Selezionare protocollo Internet versione 4 (TCP/IPv6) nelle proprietà della Connessione alla rete locale e impostare l'indirizzo IP.
10. Aprire il software del Visualizzatore di Imaging ad alta velocità e fare clic su rileva e quindi salvare il programma di installazione.
11. Fare clic sul pulsante di Opzione fotocamera e selezionare la scheda dei / o per impostare i segnali esterni.
12. Per impostare il frame rate e risoluzione frame, fare clic sul pulsante variabile . Impostare la frequenza di fotocamera e la velocità di acquisizione dati (DAQ) di acquisizione casella per lo stesso numero come il sistema di acquisizione dati ad alta velocità nel telaio di carico per facilitare il passaggio di analisi dei dati
13. Aperto l'alta velocità DAQ nel Visualizzatore Imaging ad alta velocità e selezionare i canali necessari e i campioni per fotogramma.
14. Dopo l'installazione di fotocamera, catturare diverse immagini statiche e calcolare il campo di deformazione utilizzando la routine di correlazione di immagine.
    Nota: La deformazione massima e spostamenti misurati da questo rumore di fondo sono notati e forniscono una misura qualitativa della qualità dell'immagine.

6. esecuzione del test

1. Nel software di progettazione di test, dal menu superiore seguire File > New > Test > Test dal modello. Quindi in Modelli Custom aprire Prova di trazione.
2. Selezionare Nuovo Test eseguito e immettere un nome di file valido (solitamente il nome del coupon senza spazi). Modificare i campi come necessario; fare clic su OK.
   1. Se estensimetri sono inclusi, ricordarsi di Numero di canali di input come 4.
   2. Il punto di partenza è di solito-125 mm. Questo è importante perché se questo non è corretto la testa si muoverà a questo valore prima dell'inizio della prova eventualmente danneggiare il coupon.
   3. I valori predefiniti per Alta velocità di acquisizione di velocità e Dimensioni del Buffer sono 50.000 e 20.000, rispettivamente. A seconda della durata della prova e della risoluzione di tempo richiesto (intervallo di tempo tra i punti dati), è necessario modificare questi numeri se necessario.
      Nota: I parametri di default result in salvataggio dei dati per la durata di 0.4 s.
   4. Per Velocità di rampa selezionare il valore nominale desiderato testa velocità (ad esempio, 8.000 mm/s), quindi fare clic su OK.
3. Verrà visualizzata una serie di istruzioni, ricordando di controllare gli orari chiave hardware, dopo che il test sarà avviato facendo clic sull'icona Esegui .
4. Sulla consolle dei comandi passare alla Modalità selezionare ad Alto tasso. Questo attiva la grande valvola per applicazione di carichi ad alta frequenza. Valvola 1 è selezionata l'impostazione predefinita (la spia è accesa).
5. Sullo schermo del computer, vengono visualizzati una serie di passaggi. Seguire i passaggi.
6. Sulla consolle dei comandi, premere e tenere premuto interruttore Braccio/carica dell'accumulatore . Il sistema è ora pronto.
7. Premi il tasto fuoco per completare il test.
8. Tornare alla Modalità selezionare Standard e premere il ritornare all'inizio (tasto verde) sulla console per restituire la testa indietro dalla mazzetta (125 mm).
9. Passare il controllo della traversa e tornare al tasso basso (icona di tartaruga).
10. Aprire il contenitore e togliere il campione. Trovare i file di dati memorizzati nel computer
    C:\Datafiles\High tasso di dati (per dati ad alta velocità) e a C:\Datafiles\Low tasso di dati (per dati a tariffa ridotta).

7. procedura di spegnimento

1. Il software di applicazione Controller girare HSM 1 a basso (giallo) e poi a Off (rosso). Questo chiuderà il collettore e spegnere la pompa.
2. Nel software di progettazione di test, salvare il test eseguito, se necessario, di seguito dal menu in alto File > salvare come e scegli il test. Chiudere il software di progettazione di test.
3. Chiudere l'applicazione del Controller. Salvare i parametri prima di chiudere il software, se necessario. Arrestare il computer.
4. Chiudere la valvola idraulica (leva di grandi dimensioni) e spegnere la Console di controllo nuovamente utilizzando il pulsante di accensione dell'UPS.

8. analisi dei dati

1. Esportare i dati grezzi dal computer telaio di carico nel software di post-elaborazione di scelta.
2. Calcolare il carico effettivo da letture di estensimetri montati sulla sezione calibro e confrontarlo con i dati di carico crudo dall'alta velocità DAQ. Se il ronzio nell'alta velocità dati DAQ è grave, è possibile utilizzare il carico calcolato dall'estensimetro nei prossimi passi⁴.
3. Calcolare la sollecitazione nella sezione calibro, σ_{di gauge}, basato sul carico calcolato, Pe la sezione trasversale dei campioni presso la sezione di calibro, un_{x - sezione}:
   
4. Ottenere lo sforzo sulla sezione calibro da uno dei seguenti metodi:
   1. Ceppo medio nella sezione calibro:
      1. Calcolare l'allungamento di sezione scheda conoscendo il carico, la scheda sezione lunghezza, modulo elastico del provino e area della sezione trasversale.
         Nota: Se il modulo elastico è funzione della velocità di deformazione, una procedura iterativa (i dettagli sono spiegati in riferimento⁷) è necessaria.
      2. Sottrarre l'allungamento di sezione scheda dall'allungamento del provino intero (ossia carico telaio testa spostamento) per ottenere l'allungamento di sezione di calibro.
      3. Calcolare lo sforzo medio nella sezione calibro basato sull'allungamento di sezione di calibro e la lunghezza iniziale.
   2. Ceppo locale dal DIC:
      1. Determinare la posizione sulla sezione calibro dove l'esemplare non riuscita (cioè diviso in due) e limitare il campo di deformazione di una zona nelle vicinanze della sezione guasto.
      2. Misurare e registrare il ceppo in ambito locale, utilizzando il software della scelta di post-elaborazione di DIC.
5. Disegnare la curva sforzo-deformazione ottenuta dai passaggi precedenti.

Risultati

La durata di un test dinamico è in genere paragonabile al tempo necessario per le onde lo stress di viaggiare un round trip sopra la lunghezza del treno carico (cioè grip, esemplare e caricamento) sistema¹. Un test dinamico è valido se il numero e l'ampiezza delle onde di stress durante un test dinamico è controllato in modo che si ottiene un equilibrio dinamico, e l'esemplare si verifica una deformazione omogenea ad un tasso quasi costante tensione. Il progett...

Discussione

I dati grezzi ottenuti dall'esperimento sono influenzati dalla posizione esemplare geometria ed estensimetri sull'esemplare. I dati del carico in test dinamici di ceppo basso tasso acquisito da una rondella di piezo-elettrico carico incorporato nel telaio di carico ad alta velocità di deformazione (Bruce et al. ³ suggerito > 10/s, mentre per Wang et al. ⁹ segnalato questo limite a 100/s) in genere soffrono di oscillazioni di grande ampiezza a causa delle ...

Materiali

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