Cepa intermediária taxa Material caracterização com correlação de imagem Digital

Resumo

Aqui apresentamos uma metodologia para a caracterização dinâmica de tração espécimes em taxas de tensão intermediária usando um referencial de carga servo-hidráulicos de alta velocidade. Procedimentos para Extensômetro instrumentação e análise, bem como para medições de tensão de correlação de imagem digital em espécimes, também são definidos.

Resumo

A resposta mecânica de um material sob carga dinâmica é normalmente diferente de seu comportamento em condições estáticas; Portanto, o equipamento quasistatic comuns e procedimentos utilizados para a caracterização do material não são aplicáveis para materiais sob cargas dinâmicas. A resposta dinâmica de um material depende de sua taxa de deformação e é amplamente classificada em alta (ou seja, maior que 200/s), intermediário (i.e., 10−200/s) e baixa tensão taxa regimes (ou seja, inferior a 10/s). Cada um destes regimes chama para instalações específicas e protocolos de testes garantir a confiabilidade dos dados adquiridos. Devido ao limitado acesso às instalações de servo-hidráulicos de alta velocidade e protocolos de testes validados, há uma diferença perceptível nos resultados na taxa de tensão intermediária. O manuscrito atual apresenta um Protocolo validado para a caracterização de materiais diferentes a estas taxas de tensão intermediária. Instrumentação do calibre de tensão e protocolos de correlação da imagem digital também estão incluídos como módulos gratuitos para extrair o máximo nível de dados detalhados de cada teste único. Exemplos de dados brutos, obtidos de uma variedade de materiais e instalações de teste (por exemplo,, à tração e cisalhamento) é apresentado e é descrito o procedimento de análise utilizado para processar os dados de saída. Finalmente, os desafios da caracterização dinâmica usando o protocolo atual, juntamente com métodos de superação de problemas potenciais e as limitações da instalação são discutidos.

Introdução

A maioria dos materiais demonstram algum grau de dependência de taxa de tensão em seu comportamento mecânico¹ e, portanto, teste mecânico realizado somente em taxas de estirpe quasistatic não é adequado para determinar as propriedades de material para dinâmica aplicações. A dependência de taxa de deformação de materiais normalmente é investigada usando cinco tipos de sistemas de ensaios mecânicos: quadros de carga de unidade de parafuso convencional, sistemas servo-hidráulicos, sistemas servo-hidráulicos de alta taxa, testadores de impacto e sistemas de barra Hopkinson ¹. barras de Split Hopkinson tem sido uma instalação comum para a caracterização dinâmica de materiais durante os últimos 50 anos². Também tem havido esforços para modificar barras de Hopkinson para testar a taxas de esforço intermediário e inferior. No entanto, estas facilidades são tipicamente mais adequadas para as caracterizações de taxa de alta tensão do material (ou seja, geralmente maior que 200/s). Existe uma lacuna na literatura sobre a caracterização de taxa de estirpe de propriedades do material em taxas de pressão intermediária no intervalo de 10−200/s (ou seja, entre os resultados de taxa quasistatic e alta tensão obtidos de split Hopkinson barras³), que é devido a o limitado acesso às instalações e a falta de procedimentos confiáveis de pressão intermediária taxa material testes.

Um quadro de carga servo-hidráulicos de alta velocidade aplica-se a carga para a amostra a uma velocidade constante e predefinida. Estas carregar quadros benefício de um adaptador de frouxo, que, em ensaios de tracção, permite a cruzeta atingir a velocidade desejada antes do início do carregamento. O adaptador de folga permite que a cabeça de viajar a uma certa distância (por exemplo, 0,1 m) para atingir a velocidade do alvo e então inicia a aplicação da carga para a amostra. Quadros de carga servo-hidráulicos de alta velocidade, normalmente, realizar testes sob a modalidade de controle de deslocamento e mantem uma velocidade constante do atuador para produzir constante tensão engenharia taxas³.

Técnicas para medição do alongamento do espécime geralmente são classificadas como contacto ou sem contacto técnicas⁴. Técnicas de contacto incluem o uso de instrumentos como clip-on de ângulo, enquanto o ângulo do laser é empregados para medições sem contato. Desde que o ângulo de contato é propensos a influências de inércia, não são apropriados para ensaios dinâmicos; ângulo de contacto não sofrem esse problema.

Correlação de imagem digital (DIC) é uma técnica de medição de tensão óptica, sem contato, campo integral, que é uma abordagem alternativa à estirpe de aferição para medir a tensão de carga e superar alguns dos desafios (por exemplo, o fenômeno de toque) associado com caracterização dinâmica de material⁵. Resistência extensómetros pode sofrer de limitações como uma área limitada de medição, uma gama limitada de alongamento e métodos de montagem limitada, Considerando que a DIC é sempre capaz de fornecer uma medição de tensão de campo integral da superfície da amostra durante o experimento.

O procedimento apresentado descreve o uso de um quadro de carga servo-hidráulicos de alta velocidade juntamente com DIC e pode ser usado como um documento complementar para o recentemente desenvolvido diretrizes padrão⁶ , para esclarecer os detalhes do procedimento experimental. A seção sobre o quadro de servo-hidráulicos de carga pode ser seguida por uma variedade de configurações de teste (por exemplo, tração, compressão e cisalhamento) e mesmo com carga quasistatic comum quadros também e, portanto, abrange um vasto leque de comodidades. Além disso, a seção DIC pode ser aplicada separadamente a qualquer tipo de testes mecânicos ou térmicos, com pequenas modificações.

Protocolo

1. preparação das amostras

1. Prepare o osso de cão em forma de tração espécimes de acordo com o padrão de ISO⁶ antecipadamente.
   Nota: Espécimes semelhantes são também usadas⁴.
2. Instale extensómetros na seção guia (obrigatória para medição de carga) e na seção bitola (opcional para medição de tensão) da amostra à tração.
   1. Selecione o modelo adequado do calibre de tensão baseado no tamanho, extensão máxima, teste a temperatura, resistência elétrica, etc.⁴.
   2. Limpe a superfície da amostra com isopropanol para remover qualquer contaminação e instalar o calibre de tensão no local adequado. Instalar o guia seção Extensômetro em igual ou maior que a largura da seção guia de seção emocionante e a seção de calibre para assegurar um fluxo uniforme de stress do valor nominal (ou seja, não há concentração de esforço), caso contrário, a análise numérica é necessário para prever o valor de stress no local do calibre de tensão.
   3. Ligue os fios do calibre de tensão para a caixa de ponte de Wheatstone. Use uma guia de conexão do fio se necessário para montar as conexões para os fios externos.
   4. Verifique se o calibre de tensão lendo com um simples carregamento e condições de contorno. Aplicar uma carga conhecida para a amostra (por exemplo, pendurar uma massa conhecida do provete) e verificar as leituras de tensão.
3. Prepare a amostra para DIC como segue:
   1. Prepare a superfície da amostra com características de alto contraste. Por exemplo, pintar de branco a amostra e marcam com pontos pretos bem. Por tentativa e erro correspondem ao padrão de speckle para o tamanho de sensor de imagem de câmera, tal que cada salpico é composto por cerca de 3 pixels ou mais.
      Nota: Evite executar DIC no lado que os extensómetros são instalados para evitar as características indesejáveis da superfície.
   2. Deixe a tinta secar antes do teste. A amostra de teste, de preferência, no mesmo dia foi pintado.
      Nota: Dependendo do tipo e da consistência da tinta, isso pode demorar até algumas horas. Não deixe os espécimes manchados por um período prolongado (por exemplo, vários dias) antes do teste, pois isso resultará na frágil tornando-se tinta e descamação durante o teste.

2. processo de arranque

1. Liga a alimentação para o Console de controle usando o botão na UPS (fonte de alimentação ininterrupta). Verifique se a válvula da bomba para o quadro de taxa elevada é aberta e em seguida, ligue o computador.
2. Desde o início da área de trabalho o aplicativo do controlador, selecionando a configuração de Alta taxa de calcular Displacement.cfg , clique em Reset para limpar o bloqueio 1 (sob Controles de estação).
   Nota: Os outros dois indicadores (programa 1 e portão 1) será vermelhos porque a alta pressão hidráulica ainda não é aplicado.
3. Verifique Controle exclusivo para que o quadro só pode ser controlado a partir do software (e não do aparelho).
4. Agora, inicie a bomba hidráulica (HPU) e abra o colector de serviço (1 de HSM), um por um (3 total). Para cada caso Espere até que o indicador baixo para de piscar antes de pressionar o indicador de alto. Se a bomba foi desligado por um longo tempo, esperar por 30 s antes de selecionar o alto para dar tempo de bomba ao alimentador para fornecer o óleo para a bomba de alta pressão.
5. Novamente, na área de trabalho, inicie o software de projeto de teste. De certeza a barra de ferramentas a HPU e HSM 1 estão ON (verde). Menu superior arquivo > Novo > teste de modelo selecione Modelos Custome em seguida, selecione testar a tensão.

3. instalação dos extensómetros

1. Vai para o controle de cruzeta do quadro de carga (ao lado do aparelho) e gire o interruptor para a baixa taxa (ícone de tartaruga).
2. Dentro da câmara de teste Conecte os fios de strain gauge(s) a amostra à caixa de calibre de tensão usando o código de cores (vermelho, branco e preto). Se houver apenas um calibre de tensão, use a série SG-1.
   Nota: O fio vermelho é o terminal separado (excitação + ou -) e o branco e preto são o sentido e leva o sinal.
3. No aplicativo do controlador e sob Entradas auxiliares vão à estirpe 1 (ou 2) para selecionar o intervalo máximo das cepas (ou seja, 2%, 5% ou 10%). Por exemplo, se 5% for escolhido, o software mapas isto de 50.000 µε de saída de 10 Volts e não se pode medir tensões para além de 5%.
4. Execute o software utilitário de condicionador para configurar os extensómetros e equilibrar a ponte de Wheatstone, de acordo com as seguintes etapas:
   1. Calcule a tensão de saída usando a fórmula para a ponte de Wheatstone:
      
      Aqui, n_O V é a tensão de saída, V,_E é a tensão de excitação, GF é o fator do medidor, ε₁ é 50.000 (5%), enquanto que ε₂, ε₃e ε₄ são zero (ponte de conclusão).
5. Calcule o ganho através da seguinte equação:
   
6. No software utilitário condicionador, há opções de 1, 8, 64 e 512 para ganhar o Preamp, enquanto o valor de ganho do amp de Post é limitado a 9. 9976. calcule o amp Post que ganho com base nas opções diferentes de 1, 8, 64 e 512 para o ganho do Preamp utilizando a seguinte equação:
   
7. Selecione o ganho Preamp menores que dá para fora um amp Post ganho inferior 9.9976 e esses valores de entrada no software utilitário de condicionador.
8. Execute o software de configuração de aquisição de dados de taxa alta. Sob a pressão canais (canais 3 e 4), digite o intervalo em grande escala do calibre de tensão (por exemplo, 50.000).
   Nota: Canal 1 e 2 são dedicados para deslocamento e força, respectivamente.
9. Compensar os extensómetros a zero de acordo com as seguintes etapas:
   1. Primeiro no software, remova quaisquer valores de deslocamento para os canais de tensão (trazer valores de deslocamento de zero).
      Nota: Este processo tem de ser feito quando a amostra está descansando (por exemplo, na tabela) e não estiver sob carga.
   2. Em seguida, ajuste o parâmetro de equilíbrio de ponte para trazer a estirpe de leitura quase a zero. Este é o passo de ajuste aproximado.
   3. Em seguida, ajuste o parâmetro de Retorno Zero , para trazer o software gerenciador de tensão completamente a zero o valor de tensão. Este passo é o ajuste fino.
   4. Para garantir que os parâmetros de entrada estavam corretos, clique na opção de Shunt habilitar .
      Nota: O valor de tensão no software aplicativo controlador deve ler µε de 1640 (com qualquer + ou - sinal). Lembre-se de desligar o shunt para remover o resistor de derivação fora da ponte de Wheatstone. O valor de tensão vai voltar para zero.
10. Se houver dois extensómetros na amostra, no software utilitário condicionador, clique na estirpe 2 e repetir todos os passos da instalação do calibre de tensão.

4. a amostra de teste de montagem

1. No aplicativo do controlador ativar o Controle Manual e inserir a posição da cabeça para extensão completa-125 mm.
2. Em seguida, clique para desativar a caixa de seleção Habilitar Manual de comando e desmarque a caixa de Controle exclusivo .
3. Use o acessório de montagem para alinhar o cupom dentro os apertos. Um cabo elástico pode ser utilizado para manter o adaptador de folga na posição retraída, dando espaço para instalar o cupom. Aperte o cupom no aperto fundo primeiro.
4. No comando do empurre o ícone de chave no canto superior direito para ativar o aparelho. Verifique se a caixa de Controle exclusivo sobre o software está desmarcada. Certifique-se que a aderência superior é solta para impedir que o aplicativo indesejável da carga para a amostra.
   1. Remova o cabo elástico e pressionar o ícone de roda abaixo a roda de ajuste no controlador para ativá-lo. Lentamente girar a roleta para trazer a cabeça para baixo, até que o braço inferior do adaptador de folga é quase totalmente retraído e crosshead é quase no-125 mm.
      Nota: a posição da cabeça pode ser lido no aparelho.
5. No comando do empurre o ícone de chave mais uma vez para desactivar o aparelho. Retornar para o computador e checar a aplicação de controlador da caixa de Controle exclusivo e use o Controle Manual para trazer a cabeça exatamente-125 mm. A alça superior está solta, então não há nenhuma carga aplicada para o cupom.
6. Agora, aperte as alças superiores com uma chave e uma chave rodando o adaptador frouxo. Não torça o cupom enquanto aperta o punho.
7. Verifique as anilhas espiral entre o adaptador de folga e o intermediário do crosshead e verifique se estão bem apertados e não há nenhuma folga axial ao longo do trem de carga.
8. Novamente, usando a caixa de controle do crosshead retornar o quadro para a taxa alta (ícone de coelho) e certifique-se de que as portas do recinto estão bem fechadas.
9. Volta no computador, para limpar os bloqueios clique em Reset (no lado direito do aplicativo controlador).
   Nota: Os dispositivos de bloqueio incluem "Interlock 1" (uma cadeia de bloqueio atravessa todos os quadros e a bomba hidráulica), "1" (software de computador controlado, por exemplo, alta/baixa velocidade), do programa "Gate 1" (recinto e interruptor de taxa), e "C-Stop 1" (paragem controlada) .
10. Quando não há nenhuma intenção de passar a cabeça manualmente, desmarque a caixa Habilitar Manual de comando no menu de Comando Manual para evitar acidentalmente inserindo um número no software e movendo a cabeça.

5. preparação de instalação DIC

1. Conecte a câmera de alta velocidade para o computador usando um cabo de LAN de Gigabit.
2. Conecte a caixa de e/s Digital para a câmera de alta velocidade e controlador de quadro MTC.
3. Conecte o computador para o controlador de quadro MTS através da caixa DAQ. Sinais de força e deslocamento são transferidos do controlador MTS para o computador através dessa caixa.
4. Conecte a câmera de alta velocidade à caixa DAQ para o sinal do gatilho e o sinal de sincronização.
5. Monte a câmera até a base do quadro de carga, para evitar o movimento relativo entre a câmera e a amostra durante o ensaio, como o quadro treme devido ao impacto.
6. Posicione a câmera cuidadosamente para garantir que seu sensor de imagem é paralelo ao modelo. Use uma lente de telecêntrico (por exemplo, Opto-engenharia 23-64with um campo de visão de 64 × 48 mm e uma distância de trabalho de 182 mm) para reduzir a possibilidade de distorção de perspectiva de movimento fora-de-avião.
7. Durante a instalação de câmera, considerar a deformação final do espécime e certifique-se de que campo de vista a câmera cobre a amostra durante o ensaio todo.
8. Para configurar as conexões de software no computador, selecione rede e centro de compartilhamento Windows Painel de controle. Em seguida, clique em Conexão de área Local.
9. Selecione Internet Protocol versão 4 (TCP/IPv6) nas propriedades da Conexão de área Local e definir o endereço IP.
10. Abra o software visualizador de imagens de alta velocidade e clique em detectar e salve a configuração.
11. Clique no botão de Opção da câmera e selecione a guia I/O para definir os sinais externos.
12. Para definir a taxa de quadros e resolução do quadro, clique no botão variável . Definir a frequência de câmera e a taxa de aquisição de caixa de aquisição (DAQ) de dados para o mesmo número que o sistema de aquisição de dados em alta velocidade no quadro de carga para facilitar a etapa de análise de dados
13. Aberta a alta velocidade DAQ no Visualizador de imagens de alta velocidade e selecionar os canais necessários e as amostras por quadro.
14. Após a instalação da câmera, capturar várias imagens estáticas e calcular o campo de tensão usando a rotina de correlação de imagem.
    Nota: A tensão máxima e deslocamentos medidos deste piso de ruído são anotados e fornecem uma medida qualitativa da qualidade da imagem.

6. executando o teste

1. No teste de software design, no menu superior siga arquivo > Novo > teste > teste do modelo. Em seguida, em Modelos personalizados , abra Teste de tensão.
2. Selecione Novo teste executar e digite um nome de arquivo válido (geralmente o nome do cupom sem espaços). Modificar os campos conforme necessário; clique em Okey.
   1. Se extensómetros são incluídos, lembre-se de Contagem de canal de entrada como 4.
   2. O ponto de partida é geralmente-125 mm. Isto é importante porque se isso não é correto a cabeça moverá para esse valor antes do teste começa possivelmente danificando o cupom.
   3. Os valores padrão para Alta taxa de aquisição de velocidade e Tamanho do Buffer são 50.000 e 20.000, respectivamente. Dependendo da duração do teste e resolução de tempo exigido (intervalo de tempo entre pontos de dados), modifique estes números se necessário.
      Nota: Os parâmetros padrão resultam em salvar os dados para a duração de 0.4 s.
   4. Para Taxa de rampa selecionam o nominal desejada cabeça velocidade (por exemplo, de 8.000 mm/s), clique em Okey.
3. Aparecerá uma série de prompts, lembrando para verificar os tempos de chave de hardware, após o qual o teste será iniciado clicando no ícone de executar .
4. No Console do controle Alterne o Modo de selecionar a Taxa elevada. Isso ativa a válvula grande para aplicação de carga de alta taxa. O padrão da válvula 1 é selecionado (a luz está acesa).
5. Na tela do computador, uma série de etapas são mostradas. Siga os passos.
6. No Console do controle, pressione e segure o Braço/carga acumulador interruptor. O sistema está pronto.
7. Pressione Fire para completar o teste.
8. O Modo de selecionar volte ao padrão e pressione a retornar para iniciar (botão verde) no console para retornar a cabeça atrás do endcap (125 mm).
9. Vai para o controle do crosshead e mudar novamente para a baixa taxa (ícone de tartaruga).
10. Abrir o compartimento e retire o espécime. Encontrar os arquivos de dados armazenados no computador da
    C:\Datafiles\High taxa de dados (para dados de alta frequência) e os dados de taxa de C:\Datafiles\Low (para dados de baixa frequência).

7. procedimento de desligamento

1. Sobre o software de aplicativo controlador rode o HSM 1 para baixo (amarelo) e depois para fora (vermelho). Isto irá fechar o colector e desligar a bomba.
2. O software de projeto de teste, salvar o teste, se necessário, seguindo o menu superior arquivo > salvar como e, em seguida, escolher o teste. Feche o software de projeto de teste.
3. Feche o aplicativo do controlador. Salve os parâmetros antes de fechar o software, se necessário. Desligue o computador.
4. Feche a válvula hidráulica (grande alavanca) e desligue a alimentação para o Console de controle novamente, usando o botão de energia no-break.

8. análise de dados

1. Exporte os dados em bruto a partir do computador do quadro de carga no software de pós-processamento de escolha.
2. Calcular a carga real das leituras do Extensômetro montado na seção bitola e compará-lo com os dados de carga cru de alta velocidade DAQ. Se o zumbido a alta velocidade de dados DAQ é grave, use a carga calculada do calibre de tensão nos próximos passos⁴.
3. Calcule a tensão na seção bitola, σ_gauge, com base na carga calculada, Pe a seção transversal amostra na seção de calibre, um_{x - seção}:
   
4. Obter a pressão sobre a seção do calibre de um dos seguintes métodos:
   1. Tensão média na seção de calibre:
      1. Calcule o alongamento da seção guia conhecendo a carga, comprimento de seção do guia, módulo de elasticidade do espécime e área de seção transversal.
         Nota: Se o módulo de elasticidade é uma função da taxa de deformação, um procedimento iterativo (detalhes são explicados em referência⁷) é necessário.
      2. Subtrai o alongamento de seção guia de alongamento o espécime inteiro (ou seja, carga quadro substituição de cabeça) para obter o alongamento de seção de calibre.
      3. Calcule a tensão média na seção bitola baseada o alongamento de seção de bitola e o comprimento inicial.
   2. Tensão local de DIC:
      1. Determinar o local na seção bitola onde falhou a amostra (ou seja, dividido em dois) e restringir o campo de tensão a uma área local nos arredores da seção da falha.
      2. Medir e registrar a tensão na área local, usando o software da escolha de pós-processamento de DIC.
5. Traçar a curva de tensão-deformação obtida a partir das etapas anteriores.

Resultados

A duração de um teste dinâmico é tipicamente comparável para o tempo necessário para as ondas de estresse para uma ida e volta de viagem ao longo do comprimento do trem de carga (ou seja, apertos, espécime e carregamento) sistema¹. Um ensaio dinâmico é válido se o número e a amplitude das ondas de estresse durante um ensaio dinâmico é controlada para que um equilíbrio dinâmico é alcançado, e o espécime experimenta uma deformação homogênea a uma...

Discussão

Os dados brutos obtidos a partir da experiência são influenciados pela localização geometria e extensómetros espécime na amostra. Os dados de carga em ensaios dinâmicos de taxa de baixa tensão adquiridos por uma máquina de lavar carga piezo-elétrico incorporaram o quadro de carga a taxas mais elevadas de estirpe (Bruce et al. ³ sugerido > 10/s, enquanto que para Wang et al. ⁹ relatou este limite ser 100/s) normalmente sofrem oscilações de grand...

Materiais

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