デジタル画像相関法と中間ひずみ率材料解析

要約

ここで高速サーボ油圧負荷フレームを使用して中間のひずみ速度引張試験片の動的キャラクタリゼーションの方法論を提案する.歪みゲージ計測・解析だけでなく、標本のデジタル画像相関ひずみ測定のための手順も定義されています。

要約

動的荷重を受ける材料の力学応答は通常静的条件下での動作とは異なるしたがって、一般的な準静的機器と材料解析に使用するプロシージャは動的荷重を受ける材料の適用されません。材料の動的応答の変形速度に依存し、高に大別されるが (すなわち、200/s より大きい)、中間 (すなわち、10−200/秒) と低ひずみ率 (すなわち、以下 10/s) 政体。集録したデータの信頼性を確保するため、特定施設およびテスト プロトコルの各これらの政権を呼び出します。高速サーボ油圧設備および検証テスト プロトコルへのアクセスを制限、中ひずみ速度で結果の差が大きくあります。現在の原稿は、これらの中間のひずみ速度でさまざまな材料の特性評価のための検証済みプロトコルを提示します。歪みゲージ計測およびデジタル画像相関プロトコルは、すべての単一のテストから最大限のレベルの詳細データを抽出する無料のモジュールとして含まれています。さまざまな資料・ テストのセットアップから得られる生データの例 (例えば,引張・せん断) される出力データを処理するために使用分析の手順については。最後に、機能の制限や潜在的な問題を克服するための方法に沿って、現在のプロトコルを使用して動的キャラクタリゼーションの課題を説明します。

概要

ほとんどの材料の力学的挙動¹のひずみ速度依存性の程度を示すし、したがって、準静的ひずみ速度でのみ機械試験の動的材料特性を決定するために適してではありません。アプリケーション。5 種類の機械のテスト システムを使用して調べた通常材料のひずみ速度依存性: 従来のスクリュー ドライブのロード フレーム、サーボ油圧システム、高速サーボ油圧システム、衝撃試験機、ホプキンソン バー システム¹。 分割ホプキンソン棒は過去の材料の動的特性の一般的な施設をされている 50 年²。また中間および低ひずみ速度をテストするホプキンソン バーを変更する努力がずっとあります。ただし、これらの施設は通常材料の高批ずみ速度特性に適している (すなわち、通常 200/秒以上)。中間のひずみ速度 10−200/秒の範囲内での材料特性のひずみ率特性に関する文献でギャップがある (すなわちの間の準静的および高批ずみ速度結果分割から得られるホプキンソン棒³)、ためにであります。設備、中ひずみ速度材料試験の信頼性の高いプロシージャの欠如へのアクセスを制限します。

高速サーボ油圧負荷フレームは、定数と定義済みの速度で試験片に荷重を適用します。これらは引張試験で、読み込みが始まる前に目的の速度に到達するクロスヘッドができる余裕のアダプターからフレームの利点をロードします。余裕のアダプターは、により、目標速度に到達するある特定の距離 (例えば 0.1 m) に向かうと、供試体に荷重を適用するを起動します。高速サーボ油圧負荷フレームは通常変位制御モードの下でテストを実行し、一定工学ひずみ率³を生成する定数アクチュエータ速度を維持します。

試験片の伸びの測定方法は、接触や非接触技術⁴に分類されています。連絡先技術は、レーザー伸縮計は非接触測定の使用にクリップオン伸縮計などの計測器の使用を含んでいます。動的テストに適していますない連絡先伸縮慣性の影響を受けやすいので、非接触伸縮この問題に苦しむしません。

デジタル画像相関法 (DIC) は、光, 非接触, 全視野ひずみ計測、ひずみ測定歪み/負荷を測定し、関連付けられている (例えば、鳴る現象) の課題のいくつかを克服する方法であると動的材料特性評価⁵。抵抗ストレン ゲージは測定、伸長、および限られた実装方法の限られた範囲の限られた地域など制限苦しむことができる DIC が常に中に試料表面から全視野ひずみ計測を提供できるに対し、実験。

提示された手順 DIC と共に高速サーボ油圧負荷フレームの使用をについて説明し、実験の手順の詳細を明らかにする最近開発された標準的なガイドライン⁶に補完的なドキュメントとして使用できます。サーボ油圧負荷フレームについてさまざまなテストのセットアップのために続くことができる (例えば、引張、圧縮、せん断と)、一般的な準静的負荷ともフレーム同様、したがって、カバー設備の広大な範囲。さらに、DIC セクションはマイナーな修正と、機械的あるいは熱的テストの任意の種類に個別に適用する可能性があります。

プロトコル

1. 試料の準備

1. 事前に ISO 標準⁶によると引張試験片の形をした犬の骨を準備します。
   注: 類似した標本使用⁴も。
2. タブ セクション (負荷測定のため必須) とゲージ (ひずみ計測用オプション) のセクション引張試験片のひずみゲージをインストールします。
   1. ひずみゲージの最大延長は、試験温度、電気抵抗、等⁴のサイズに基づいての適切なモデルを選択します。
   2. 任意の汚染を削除し、適切な場所にひずみゲージをインストールにイソプロパノールを試験片の表面をきれいにします。グリップ セクションと公称値 (すなわち、応力集中) の均一応力の流れを確保するため、ゲージ タブ セクションの幅以上のタブ セクションひずみゲージをインストール、それ以外の場合は、数値解析ひずみゲージの位置の応力値を予測するために必要な。
   3. ホイートス トーン ブリッジ ボックスにひずみゲージのワイヤを接続します。必要な場合マウント外部配線を接続するワイヤの接続] タブを使用します。
   4. 単純な荷重と境界条件を読んでひずみゲージを確認します。知られている荷重を供試体に適用 (例えばハングアップ試料から知られていた大容量) ひずみ読み出しを確認し、。
3. DIC の供試体を次のとおり準備します。
   1. ハイ コントラスト機能をもつ試料の表面を準備します。供試体を白く塗るなど、細かい黒いドットとスペックルします。試行錯誤しながらカメラのイメージ センサーのサイズにスペックル パターンが一致して、各スペックルは約 3 ピクセル以上で構成されます。
      注: は、ひずみゲージが望ましくない表面機能を防ぐためにインストールされている側に DIC を実行しないでください。
   2. テスト前に乾燥する塗料を残します。試料をテストは、好ましくは、同じ日に、それが描かれました。
      注: タイプ、ペンキの一貫性によってこのかかることがあります、数時間。この結果、塗料になる脆性とテスト中に剥離がテスト前に長期間 (数日など) まだらの標本を放置しないでください。

2. 起動手順

1. UPS (無停電電源装置) のボタンを使用してコントロール コンソールの電源を入れます。率が高いフレームにポンプからの隔離弁が開いているを確認し、コンピューターの電源を入れます。
2. デスクトップのスタートからコント ローラー アプリケーションでは、高率の計算の Displacement.cfg構成を選択するをクリックをリセットインター ロック 1 ([ステーションのコントロール) をクリアします。
   注: 高圧油圧がまだ適用されないため他の 2 つの指標 (プログラム 1とゲート 1) に赤いなります。
3. 排他制御ソフトウェアから (、携帯電話からではなく)、フレームを制御のみことができますのでチェックしてください。
4. 今、油圧ポンプ (HPU) を起動し、1 つ (合計 3) によってサービス マニホールド (HSM 1) の 1 つを開きます。低インジケーターまで各ケースの待ち時間のための高いインジケーターを押す前に点滅が止まります。ポンプは長い時間をされている場合を待つ 30 s 高圧ポンプに油を供給するフィーダー ポンプ時間を与えるため高を選択する前に。
5. 再度、デスクトップからテスト設計ソフトウェアを開始します。ツールバーを確認から HPU と HSM 1 をON (緑) にして。トップ メニューからファイル > 新しい > テンプレートからテストカスタム テンプレートを選択し、引張試験を選択します。

3 ひずみゲージのセットアップ

1. (携帯電話) の横にあるロード フレーム クロスヘッド コントロールに移動し、低レート (亀のアイコン) にスイッチします。
2. 試験室内色コード (赤、白と黒) を使用して、ひずみゲージ ボックスに試料 strain gauge(s) のワイヤを接続します。のみ 1 つの歪みゲージがある場合は、SG 1 シリーズを使用します。
   注: 赤リードは別のターミナル (励起 + または -)、白と黒が意味と信号をリードします。
3. コント ローラー アプリケーションと補助入力行くひずみ (2%、5% または 10%) の系統の最大範囲を選択する、1 (または 2)。たとえば、5% を選択した場合、ソフトウェアは 50,000 µε 10 v 出力をこのマップし、5% を超えて株を測定できません。
4. ひずみゲージを構成し、次の手順に従ってホイートス トーン ブリッジのバランス コンディショナー ユーティリティ ソフトウェアを実行します。
   1. ホイートス トーン ブリッジの式を使用して出力電圧を計算します。
      
      ここでは、V_Oは出力電圧、V_Eは励起電圧、GF はゲージ率、ε₁は 50,000 (5%)、ε₂ε₃および ε₄がゼロ (完成橋)。
5. 次の方程式を使用してゲインを計算します。
   
6. ポスト アンプのゲイン値が 9 に制限されますが、コンディショナー ・ ユーティリ ティー ・ ソフトウェアで、プリアンプを得るため 1、8、64、512 のオプションがあります。9976。 ポスト アンプ利得は次の式を使用してを得るためプリアンプの 1、8、64、512 のさまざまなオプションに基づいて計算します。
   
7. ポスト アンプが 9.9976 より低い利得を与える最も低いプリアンプ ゲインを選択し、コンディショナー ユーティリティ ソフトウェアにこれらの値を入力します。
8. 高レートのデータ集録の構成ソフトウェアを実行します。ひずみの下は、チャンネル (チャンネル 3 と 4) は、ひずみゲージ (例: 50,000) の本格的な範囲を入力します。
   注: チャネル 1 と 2 それぞれ変位、力に専念しています。
9. 次の手順に従ってゼロにひずみゲージをオフセットします。
   1. まず、ソフトウェアで (オフセット値をゼロにさせる) 歪みチャンネルの任意のオフセットの値を削除します。
      注: このプロセスは試験片 (例えばテーブル) 上に置かれて、負荷がないときに行う必要があります。
   2. その後、ゼロにほとんど読み出しひずみをもたらすブリッジ ・ バランスのパラメーターを調整します。これは粗調整のステップです。
   3. その後、ゼロに完全に歪みマネージャー ソフトウェアのひずみ値を持って、フィードバック 0パラメーターを調整します。この手順は、微調整です。
   4. 入力パラメーターが正しいことを保証、シャントを有効にするオプションをクリックします。
      注: コント ローラー アプリケーション ソフトウェアのひずみ値は 1640 µε を読む必要があります (どちらかの + 記号または - 記号)。ホイートストン ブリッジのシャント抵抗を削除するシャントをオフにしてください。ひずみの値は 0 に戻ります。
10. コンディショナー ユーティリティ ソフトウェアの標本に関する 2 つの歪みゲージがある場合ひずみ2 クリックし、ひずみゲージ セットアップのすべての手順を繰り返します。

4. 試験片の取付

1. コント ローラー アプリケーションマニュアル コントロールをアクティブにし、-125 mm で完全な拡張子に頭の位置を入力します。
2. マニュアル コマンドを有効にするチェック ボックスをオフにし、排他制御のチェック ボックスをオフをクリックします。
3. 取付治具を使用して、グリップ内のクーポンを揃えます。ゴムひもは、クーポンをインストールする部屋を与える収納に余裕のアダプターを保持するために使用可能性があります。まず下のグリップでクーポンを締めます。
4. 携帯電話に携帯電話をアクティブにするには、右上隅に鍵のアイコンを押してください。ソフトウェアの排他制御ボックスにチェック マークが付いていないことを確認します。トップのグリップが試験片に負荷の望ましくないアプリケーションを防ぐために緩んでいることを確認します。
   1. 弾性コードを削除し、それをアクティブにするコント ローラーのサムホイール以下ホイールアイコンを押します。ゆっくりと頭を下げる余裕のアダプターの下部アームがほぼ完全に取り消され、クロスヘッドはほぼ-125 mm までにホイールを回します。
      注: 携帯電話で頭の位置を読み取ることができます。
5. 携帯電話でもう一度解除携帯電話をアクティブにするキーアイコンを押してください。コンピューターとコント ローラー アプリケーション チェック専用コントロールボックスを返すし、-125 mm 正確に頭をもたらすためのマニュアル コントロールを使用します。クーポンに作用する荷重はありませんので、トップのグリップが緩んでいます。
6. 今、余裕のアダプターを回転させることにより、レンチとキーの上部のグリップを締めます。グリップを締めながらクーポンをねじれないようにしてください。
7. 余裕のアダプターと中間のクロスヘッド間スパイラル洗濯機を確認し、彼らがタイトな負荷鉄道に沿って軸方向すきまがないことを確認します。
8. 再び、クロスヘッド コントロール ボックスを使用してフレームを高率 (ウサギのアイコン) に戻るし、エンクロージャ ドアがしっかりと閉じていることを確認します。
9. コンピューターの背面をクリアするインター ロック クリックしてリセット(コント ローラー アプリケーションの右側にある) にします。
   注: インター ロックを含む「インター ロック 1」(すべてのフレームと油圧ポンプを実行してのインター ロック チェーン、)」プログラム 1」(コンピューター ソフトウェア制御例えば、高/低速度)、「ゲート 1」(エンクロージャおよび速度スイッチ) と"C 停止 1」(制御停止).
10. 頭を手動で移動する意思がないときは、誤ってソフトウェアに数字を入力して、ヘッドの移動を避けるために手動コマンドメニューでマニュアル コマンドを有効にするチェック ボックスをオフします。

5. DIC セットアップ準備

1. 高速カメラをギガビットの LAN ケーブルを使用してコンピューターに接続します。
2. 高速カメラと MTC フレーム コント ローラーにデジタル I/O ボックスを接続します。
3. MTS フレーム コント ローラーは DAQ ボックス、コンピューターを接続します。力と変位の信号は、このボックスを使用してコンピューターに MTS コント ローラーから転送されます。
4. 高速カメラをトリガー信号と同期信号を DAQ ボックスに接続します。
5. フレームを揺るがす、衝撃テスト、中にカメラと試験片の間の相対的な動きを避けるためにロード フレームのベースの上にカメラをマウントします。
6. 慎重に、イメージ センサーは試料に平行してくださいカメラを位置します。面外運動から遠近の歪みの可能性を低減するテレセン トリック レンズ (例えば、光工学 23-64with 64 × 48 mm の視野と 182 mm の作動距離) を使用します。
7. カメラ設定時に試料の最終的な変形を考慮してカメラの視野をカバーするテスト全体を通して試料を確認してください。
8. コンピューターのソフトウェア接続をセットアップするには、Windows のコントロール パネルからネットワークと共有センターを選択します。次にローカル エリア接続をクリックします。
9. ローカル エリア接続のプロパティのインターネット プロトコル バージョン 4 (TCP と IPv6)を選択し、IP アドレスを設定します。
10. 高速画像ビューアー ・ ソフトウェアを開き、クリックを検出し、セットアップを保存します。
11. カメラのオプションボタンをクリックし、外部信号を設定するのには、[I/O] タブを選択します。
12. フレーム レート、フレーム解像度を設定するには、変数] ボタンをクリックします。カメラ周波数とデータ集録 (DAQ) ボックスの取得率をデータ解析の手順を容易にするためのロード フレームで高速データ集録システムと同じ数に設定します。
13. オープン高速度高速画像ビューアーの DAQ、必要なチャンネルとフレームあたりのサンプルを選択します。
14. カメラ セットアップ後いくつかの静止画像をキャプチャし、画像相関ルーチンを用いた歪場を計算します。
    注: 最大ひずみと変位測定このノイズ ・ フロアから記載されて、画像品質の質的な測定を提供します。

6. テストを実行します。

1. トップ メニューから次のテストの設計ソフトウェアでファイル > 新しい > テスト > テンプレートからテスト。カスタム テンプレートの下張力テストを開きます。
2. 新しいテストの実行を選択し、有効なファイル名 (通常はスペースなしクーポンの名) を入力します。必要に応じてフィールドを変更します。[ok]をクリックします。
   1. ひずみゲージが含まれている場合は、4チャンネル数を入力してください。
   2. 出発点は-125 mm では通常です。テスト クーポンの損傷が始まる前に頭がこの値に移動するこれが正しくない場合、これは重要です。
   3. 高速アクイジション ・ レートおよびバッファー サイズの既定値は、50,000 そして 20,000 人、それぞれ。テストおよび必要な時間分解能 (データ ポイント間の時間間隔) の期間、によって必要な場合これらの数字を変更します。
      注: 既定のパラメーターは 0.4 の間データを保存、s。
   4. 公称がヘッド速度 (たとえば、8,000 mm/s) を必要な勾配を選択、 [ok]をクリックします。
3. 主要なハードウェア倍、その後テストを実行アイコンをクリックして開始されますを確認するに思い出させる一連のプロンプトが表示されます。
4. 制御コンソールに切り替えるモードを選択率が高い。これは、高負荷用大型バルブをアクティブにします。バルブ 1が選択されている既定 (ライトが点灯)。
5. コンピューターの画面上の一連の手順が表示されます。手順に従います。
6. コントロール コンソールを押すし、アーム/電荷蓄積装置のスイッチを押し続けてください。システムの準備が整いました。
7. 火テストを完了するを押します。
8. 標準にモード選択を切り替えるし、エンド キャップ (125 mm) から頭を戻りますコンソールの起動に戻ります(緑のボタン) を押します。
9. クロスヘッド コントロールに移動し、低金利 (亀のアイコン) に戻す。
10. エンクロージャを開き、試料を取り出します。コンピューター上に格納されているデータ ファイルを見つける
    C:\Datafiles\High 率データ (高速)、C:\Datafiles\Low 率データ (低率について)。

7. シャット ダウン手順

1. コント ローラー アプリケーション ソフトウェア HSM 1低(黄色)、オフ(赤) を有効にします。マニホールドを閉じ、ポンプをシャット ダウンします。
2. テスト設計ソフトウェア トップ メニューから次のように、必要な場合、テストの実行を保存ファイル > 保存としてし、テストを選択します。テスト設計ソフトウェアを閉じます。
3. コント ローラー アプリケーションを閉じます。必要な場合は、ソフトウェアを終了する前にパラメーターを保存します。コンピューターをシャット ダウンします。
4. 油圧バルブ (大きなレバー) を閉じて、UPS の電源ボタンを使用して再度コントロール コンソールの電源を切ります。

8. データ分析

1. 好みの後処理ソフトウェアにロード フレーム コンピューターから raw データをエクスポートします。
2. ゲージ部にマウントされているひずみゲージ リードアウトから実際の負荷を計算し、高速 DAQ から生の負荷データと比較します。高速 DAQ データ耳鳴りがひどい場合は、ひずみゲージから負荷の計算値を使用して、次の手順⁴を。
3. ゲージ セクション、σ は、_ゲージ、負荷の計算値、 P、に基づいて、ゲージ] セクションで、 _{x - セクション}で試験片の断面の応力を計算します。
   
4. 次の方法のいずれかからゲージ部にひずみを取得します。
   1. 平均化ひずみゲージのセクションで:
      1. 負荷、タブ セクションの長さ、試料の弾性率、および断面積を知ることによってタブ セクションの伸びを計算します。
         注: 弾性ひずみ速度の関数である、(詳細は参照⁷で説明して) 反復的なプロシージャが必要です。
      2. ゲージ セクション伸長を取得する全体の標本伸長 (すなわちフレーム ヘッド排水量) からタブ セクション伸長を減算します。
      3. [ゲージ] セクションでゲージ セクション伸長と初期の長さに基づいて平均ひずみを計算します。
   2. DIC からの局所ひずみ:
      1. (つまり、2 つに分割) 試料が失敗したゲージ部に場所を判断してエラー] セクションの近くで地元エリアへの歪み場を制限します。
      2. 測定し、後処理ソフトウェア選択の DIC をによる局所領域のひずみを記録します。
5. 前の手順から得られた応力-ひずみ曲線を描画します。

結果

動的テストの期間は通常応力波負荷鉄道 (すなわちグリップ、標本、および読み込み) の長さのラウンド トリップを旅行するために必要な時間に匹敵するシステム¹。動的テストは、動的平衡を達成すると、し、試料のほぼ一定のひずみ速度で均一変形経験数と動的テスト中の応力波の振幅が制御されている場合に有効です。自動車エンジニアの社会 ...

ディスカッション

実験から得られた生データは、供試体の供試体ジオメトリとひずみゲージ場所によって影響されます。高批ずみ速度でロード フレームに組み込むピエゾ電気負荷洗濯機が取得した低ひずみ率の動的テストの負荷データ (ブルースら ^。3提案 > 10/s、王らの中。⁹報告 100/s 制限) 通常読み込みに関連付けられている動的波による大振幅振動に苦しみ...

資料

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