中應(yīng)變率下材料動態(tài)拉伸關(guān)鍵參數(shù)測試方法

白春玉，劉小川，周蘇楓，黎偉明，舒 挽

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

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中應(yīng)變率下材料動態(tài)拉伸關(guān)鍵參數(shù)測試方法

白春玉，劉小川，周蘇楓，黎偉明，舒 挽

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

通過高速液壓伺服材料試驗機(jī)進(jìn)行金屬材料的中等應(yīng)變率動態(tài)拉伸力學(xué)性能測試。為獲取精確的動態(tài)拉伸載荷數(shù)據(jù)，提出了一種拉伸載荷的間接測量方法，在不改變試驗機(jī)原有結(jié)構(gòu)的情況下，解決了試驗機(jī)自帶載荷傳感器測試數(shù)據(jù)在塑性段振蕩導(dǎo)致材料真正動力學(xué)行為被掩蓋的問題；通過數(shù)字圖像相關(guān)的非接觸測量方式進(jìn)行動態(tài)拉伸應(yīng)變的測量。實驗驗證表明，提出的載荷和應(yīng)變測試方法可實現(xiàn)金屬材料動態(tài)拉伸試驗中的力學(xué)性能參數(shù)測試。

固體力學(xué)；中應(yīng)變率；液壓伺服試驗機(jī)；動響應(yīng)；圖像處理

材料的力學(xué)性能是材料在外力、溫度、環(huán)境等因素的共同作用下所表現(xiàn)的抵抗變形和破壞的行為。當(dāng)結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊載荷作用時，將承受較高的應(yīng)變率，許多材料特性對應(yīng)變率非常敏感，材料在動態(tài)載荷作用下表現(xiàn)出的力學(xué)性能明顯的不同于靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)情況[1]。因此，采用準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)在中、高應(yīng)變率時無法得到精確的預(yù)測結(jié)果，如果在動態(tài)加載結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計中使用準(zhǔn)靜態(tài)數(shù)據(jù)，將會導(dǎo)致不當(dāng)設(shè)計或早期結(jié)構(gòu)故障[2]。飛機(jī)結(jié)構(gòu)在使用過程中會受到各種動載荷作用，如：飛機(jī)動力裝置產(chǎn)生的振動載荷；著陸、滑行、剎車等地面操作產(chǎn)生的振動、沖擊載荷；鳥、外來物等引起的離散源撞擊和飛機(jī)墜撞產(chǎn)生的撞擊載荷等。因此，得到相關(guān)材料的動態(tài)力學(xué)性能是開展飛機(jī)結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計的必要條件。

由于在不同的應(yīng)變率范圍內(nèi)，決定材料力學(xué)行為的主要因素往往是不一樣的，這就要求對不同應(yīng)變率范圍采用不同的測試方式來獲得材料的力學(xué)性能。基于一維應(yīng)力波理論的分離式Hopkinson桿實驗裝置(SHPB)普遍適用于材料在103～105s-1應(yīng)變率范圍內(nèi)的力學(xué)性能測試[3]。高速液壓伺服材料試驗機(jī)是獲得材料中應(yīng)變率(10-1～103s-1)力學(xué)性能的一種有效實驗裝置。應(yīng)用INSTRON高速液壓伺服材料試驗機(jī)，在進(jìn)行典型元件的動態(tài)拉伸試驗過程中，當(dāng)拉伸速度超過1 m/s或應(yīng)變率大于20 s-1時，試驗機(jī)自帶的載荷傳感器所測得的拉伸載荷在塑性段出現(xiàn)劇烈振蕩，將掩蓋材料動態(tài)拉伸過程的真正力學(xué)行為，以至于無法得到屈服極限、強(qiáng)度極限等關(guān)鍵材料參數(shù)。

M.LeBlace等[4]在進(jìn)行材料動態(tài)壓縮試驗過程中同樣遇到了測試載荷出現(xiàn)振蕩的問題，受SHPB測試方法的啟發(fā)，通過測量壓縮桿的彈性應(yīng)變信號，發(fā)展了一種“混合技術(shù)”的壓縮載荷測量方法，但由于壓縮桿和試件之間波阻抗不同，使得該方法測得的載荷出現(xiàn)不連貫。O.Ramzi[5]通過對液壓伺服材料試驗機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，將試驗機(jī)作動缸上的載荷傳感器替換成長0.82 m的均勻桿，通過對均勻桿3個固定位置的應(yīng)變信號進(jìn)行離散傅里葉變換，應(yīng)用波分離技術(shù)[6-7]在頻域內(nèi)對測試信號進(jìn)行處理，發(fā)展了一種實現(xiàn)拉伸載荷間接測量的BCGO方法，有效地解決了拉伸載荷振蕩的問題，并通過對加載鏈慣性效應(yīng)的修正，得到了較為真實的拉伸載荷。

相比材料的靜態(tài)力學(xué)性能試驗以及高應(yīng)變率動態(tài)力學(xué)性能試驗，中應(yīng)變率下的材料動態(tài)力學(xué)性能實驗是最難實現(xiàn)的，且實驗成本也較高，主要體現(xiàn)為中應(yīng)變率材料試驗機(jī)遠(yuǎn)沒有常規(guī)的材料試驗機(jī)普及，且該速率范圍的加載往往會引起加載鏈的慣性效應(yīng)，使得試驗過程的關(guān)鍵參數(shù)采集不易實現(xiàn)；其次，就目前的測試數(shù)據(jù)結(jié)果來看，尚沒有通用的測試數(shù)據(jù)處理原則和方法，可見，中應(yīng)變率下的材料動態(tài)力學(xué)性能測試方法及試驗數(shù)據(jù)處理方法還有待繼續(xù)開展深入的研究工作。本文中通過非接觸測量方式實現(xiàn)試件標(biāo)矩段拉伸應(yīng)變的直接測量，通過合理設(shè)計拉伸元件的尺寸，認(rèn)為在試件高速拉伸過程中，非標(biāo)矩段始終處于彈性變形范圍，通過測量非標(biāo)矩段的彈性應(yīng)變，應(yīng)用胡克定律求得拉伸載荷，實現(xiàn)對拉伸載荷的間接測量，并給出實驗數(shù)據(jù)處理的基本原則。

1 實驗測試

1.1 高速液壓伺服材料試驗機(jī)

材料動態(tài)力學(xué)行為測試平臺為高速液壓伺服材料試驗機(jī)，由液壓源系統(tǒng)、水冷機(jī)組、機(jī)架和數(shù)字化控制系統(tǒng)4部分組成，見圖1。動態(tài)拉伸實驗的主要原理是作動缸達(dá)到預(yù)定加載速度后，動夾具夾持住試驗件，實現(xiàn)恒應(yīng)變率拉伸破壞。該試驗機(jī)可承受的最大沖擊動載為100 kN，最大拉伸/壓縮速度為20 m/s。通過合理的設(shè)計試驗件尺寸，可實現(xiàn)金屬材料、復(fù)合材料等應(yīng)變率范圍在0.1 s-1～103s-1范圍內(nèi)的動態(tài)力學(xué)性能測試。

本次實驗所用試驗件為某航空鋁材，見圖2，試件一端通過特制夾具和試驗機(jī)基座固持。

圖1 高速液壓伺服材料試驗機(jī)Fig.1 High-speed servo-hydraulic machine

圖2 高速拉伸試件Fig.2 The especimen used for high-speed tensile

1.2 載荷測試方案

試驗機(jī)自帶載荷傳感器和位移傳感器安裝位置如圖3所示。圖4是拉伸速度為6 m/s時載荷傳感器所測得的載荷(F)數(shù)據(jù)。由圖4可見，在該速度下載荷數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大幅度的振蕩，這主要是由于動態(tài)加載過程加應(yīng)力波引起下夾持端(試件、載荷傳感器、靜夾具組成)共振，使得載荷傳感器所測載荷數(shù)據(jù)出現(xiàn)振蕩，且振蕩的幅度與初始沖擊載荷的大小相關(guān)[8]。因此，當(dāng)試驗機(jī)作動缸拉伸速度超過一定的量值后，必須考慮加載鏈中應(yīng)力波的效應(yīng)，載荷傳感器測試的數(shù)據(jù)已不是試件拉伸過程的真實載荷，需要探尋出能表征真實拉伸載荷的測量方法。

圖3 試驗機(jī)自帶傳感器安裝位置圖示Fig.3 Transducer set-up in servo-hydraulic machine

圖4 6 m/s拉伸速度下載荷傳感器測試數(shù)據(jù)Fig.4 Dynamic load data cell at the stretching speed of 6 m/s

典型的拉伸試件由標(biāo)矩段、圓弧過渡段以及非標(biāo)矩段組成(見圖2)，在拉伸過程中，認(rèn)為非標(biāo)矩段沒有塑性變形產(chǎn)生，即始終處于彈性變形范圍內(nèi)，這可通過合理的設(shè)計試件尺寸得到。對于金屬而言，彈性波速約為5 000 m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般的加載速度，固體中的彈性變形以介質(zhì)中的聲速傳播，一般工程技術(shù)中的加載速率不會影響金屬的彈性性能[9-10]，因此，用應(yīng)變片測得動態(tài)拉伸過程中試件的彈性應(yīng)變值(ε)，再用胡克定律求得結(jié)構(gòu)所受的動應(yīng)力(σ)是合理的。具體實施方法為在試件非標(biāo)矩段兩側(cè)的對等位置沿拉伸方向貼應(yīng)變片R1、R3，以消除拉伸過程中可能存在的微小彎曲應(yīng)變的影響，應(yīng)變片R2、R4貼在非進(jìn)行試驗的試件上進(jìn)行補(bǔ)償，組成惠斯頓全橋電路，4個應(yīng)變片的電阻值均為120 Ω，如圖5所示。測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，應(yīng)變信號經(jīng)放大后以電壓形式輸出，電壓信號滿足：

(1)

式中：U為放大后輸出電壓；N為放大倍數(shù)；K為應(yīng)變片靈敏度系數(shù)；V為電源電壓；ε1,ε2,ε3,ε4為各應(yīng)變片測試應(yīng)變。

圖5 應(yīng)變片連接及粘貼示意圖Fig.5 Circle connection and paste position of the strain gauges

圖6 測試系統(tǒng)示意圖Fig.6 Sketch of testing system

通過試件非標(biāo)矩段拉伸應(yīng)變反推拉伸載荷的過程中，需知道該試件的彈性模量。在低速拉伸情形下(v<1 m/s)，載荷傳感器測試載荷數(shù)據(jù)(DLC數(shù)據(jù))振蕩幅度很小，此狀態(tài)下可認(rèn)為其測試結(jié)果是準(zhǔn)確的。因此，可在低速拉伸情形下對DLC數(shù)據(jù)和應(yīng)變片測試載荷數(shù)據(jù)(SGL數(shù)據(jù))進(jìn)行標(biāo)定，得到試件的彈性模量，并作為該批次試件的統(tǒng)一彈性模量。圖7所示為0.6 m/s拉伸速度下的DLC數(shù)據(jù)及反推得到的SGL數(shù)據(jù)，據(jù)此得到該批次試件的彈性模量為65.5 GPa。

圖8為6 m/s拉伸速度下由應(yīng)變片間接測量拉伸載荷和載荷傳感器所測載荷對比，從圖中可看出，DLC載荷在SGL載荷數(shù)據(jù)附近上下振蕩，SGL數(shù)據(jù)在塑性段相對則十分光滑，且試件非標(biāo)矩段的最大應(yīng)變在0.3%以內(nèi)。由此可見，在試件的高速拉伸過程中，非標(biāo)矩段始終處于彈性變形范圍的假設(shè)合理的，通過此種改進(jìn)方法可得到有效的拉伸載荷。

圖7 0.6 m/s拉伸速度下測試載荷數(shù)據(jù)Fig.7 Force measurement data at the stretching speed of 0.6 m/s

圖8 6 m/s拉伸速度下測試載荷數(shù)據(jù)對比Fig.8 Force measurement data at the stretching speed of 6 m/s

1.3 應(yīng)變測試方案

圖9 非接觸測量應(yīng)變數(shù)據(jù)Fig.9 Local strain measurement data by digital speckle photographs

在試件拉伸過程中，僅關(guān)心試件標(biāo)矩段的拉伸應(yīng)變，而試驗機(jī)自帶的位移傳感器(LVDT)測量拉伸應(yīng)變的過程中，無法避免非標(biāo)矩段及圓弧過渡段彈性變形的影響，因此試驗機(jī)自帶位移傳感器對拉伸應(yīng)變的測量是不準(zhǔn)確的，所測數(shù)據(jù)不能用作擬合材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[11]。本文中采用非接觸測量的方式實現(xiàn)對試件標(biāo)矩段變形信號的采集，試驗前對試件標(biāo)距段區(qū)域噴涂散斑，用高速攝像機(jī)實時采集目標(biāo)區(qū)域變形階段的散斑圖像，利用數(shù)字圖像相關(guān)算法經(jīng)后處理實現(xiàn)試件表面變形點的匹配。根據(jù)各點的視差數(shù)據(jù)和預(yù)先標(biāo)定得到的相機(jī)參數(shù)重建物面計算點的三維坐標(biāo)，并通過比較每一變形狀態(tài)測量區(qū)域內(nèi)各點的三維坐標(biāo)的變化得到物面的位移場，進(jìn)一步計算得到物面應(yīng)變場。經(jīng)后處理分析可得到4組長度一致的點對應(yīng)變(ε)信息(見圖9)，取其平均值作為標(biāo)距段的動態(tài)拉伸應(yīng)變數(shù)據(jù)。試驗過程中，高速攝像機(jī)和試驗機(jī)采集系統(tǒng)同步觸發(fā)，高速攝像機(jī)拍攝參數(shù)：采樣幀頻為2×105Hz，分辨率為256×168。

2 實驗數(shù)據(jù)處理

在試件拉伸過程中，認(rèn)為標(biāo)矩段的應(yīng)力(σs(t))是均勻的，可表達(dá)為：

(2)

其中：Eb為試件的彈性模量，εb(t)為應(yīng)變片測量應(yīng)變值，Ab為試件非標(biāo)矩段橫截面積，As為試件標(biāo)矩段橫截面積。

在試驗測試過程中，不可避免的會混雜一些電噪聲，這些噪聲可能來源于電磁干擾、光源信號的干擾、不同測試通道間的干擾等，還有可能混雜有測試設(shè)備動特性的高頻成分等干擾信號[12]，需對載荷及應(yīng)變信號進(jìn)行數(shù)字濾波處理。濾波方法為低通4階Butterworth濾波，濾波參數(shù)的選取原則如下：

(1) 濾波后的試驗數(shù)據(jù)不能偏離原始數(shù)據(jù)，且應(yīng)在原始數(shù)據(jù)的振蕩包線以內(nèi)；

圖10 4 m/s拉伸速度下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.10 Stress versus strain at the stretching speed of 4 m/s

(2) 對于載荷數(shù)據(jù)，高速拉伸試驗的有效信號集中在低頻段，濾波截止頻率的選擇范圍在需分析的最高頻率和試驗機(jī)采樣率的一半之間 。

隨著拉伸速度的提高，試驗機(jī)的采樣率也隨之提高，在不同拉伸速度下，需將試驗機(jī)的采樣率和高速攝像的采樣率進(jìn)行統(tǒng)一，本文中均將采樣率統(tǒng)一為2×105Hz。圖10～12分別為4、6、10 m/s拉伸速度下兩種載荷測量方法得到應(yīng)力(σ)-應(yīng)變(ε)關(guān)系。從圖中可看出，試件動態(tài)破壞過程可近似為恒應(yīng)變率拉伸，且隨著拉伸速度的增加，應(yīng)變率明顯增加，材料的應(yīng)力屈服平臺增加則不明顯，說明此航空鋁合金為應(yīng)變率不敏感材料。

圖11 6 m/s拉伸速度下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.11 Stress versus strain at the stretching speed of 6 m/s

圖12 10 m/s拉伸速度下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.12 Stress versus strain at the stretching speed of 10 m/s

3 結(jié) 論

高速液壓伺服材料試驗機(jī)可實現(xiàn)中應(yīng)變率下材料的動態(tài)力學(xué)行為測試。應(yīng)用非接觸測量方式實現(xiàn)試件標(biāo)矩段拉伸應(yīng)變的測量。就試驗機(jī)作動缸加載速度超過1 m/s時，試驗機(jī)自帶載荷傳感器測試數(shù)據(jù)在塑性段出現(xiàn)劇烈振蕩的問題，提出了一種間接實現(xiàn)拉伸載荷測試的解決方法，并給出了試驗數(shù)據(jù)處理的基本原則。結(jié)果表明，本文提出的載荷測試方法和應(yīng)變測試方法可實現(xiàn)高速拉伸下的材料關(guān)鍵性能參數(shù)測試，試驗數(shù)據(jù)處理方法可靠有效，且本文測試方法未改變試驗機(jī)原有結(jié)構(gòu)，可操作性強(qiáng)，可應(yīng)用于類似試驗過程的參數(shù)測試。

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(責(zé)任編輯 王小飛)

Material key parameters measurement method in the dynamic tensile testing at intermediate strain rates

Bai Chun-yu, Liu Xiao-chuan, Zhou Su-feng, Li Wei-ming, Shu Wan

(AircraftStrengthResearchInstituteofChina,Xi’an710065,Shaanxi,China)

In order to obtain dynamic tensile mechanical properties of metal materials under intermediate strain rate with servo-hydraulic machine, an indirect measurement method without changing the original structure of the testing maching is proposed to achieve accurate dynamic tensile load. The authentic dynamic behaviors are acquired at the plastic stage due to the oscillations of test data measured by the load cell integrated to the machine. In addition, the measurement of strain is solved in a non-contact mode relating to the digital image correlation method. The testing results indicate that both solutions developed in this paper can successfully test the mechanical properties in the dynamic tensile tests of metal materials.

solid mechanics; intermediate strain rate; servo-hydraulic machine; dynamic response; image processing

10.11883/1001-1455(2015)04-0507-06

2013-11-29；

2015-01-20

中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所創(chuàng)新基金項目

白春玉(1984- )，男，工程師，baichunyu2006@163.com。

O347 國標(biāo)學(xué)科代碼： 13015

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