CN108593429A - 材料高速拉伸应力应变测试设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种材料高速拉伸应力应变测试设备，其包括试样、高速拉伸试验机、应变片、光源、高速摄像机和控制器；试样呈哑铃状，其中部为平行段，其下部为弹性段，在平行段喷涂有散斑；高速拉伸试验机用于对试样进行拉伸；应变片粘贴在试样的弹性段上；应变仪用于接收应变片传来的数据；光源用于对准试样测试部位，使得试样表面喷涂的散斑清晰可见；高速摄像机用于对准试样平行段；控制器用于接收高速拉伸试验机、高速摄像机、应变仪传来的数据，并绘制出试样的应力‑应变曲线。本发明还提供一种材料高速拉伸应力应变测试方法。本发明能有效解决高应变速率下的材料应力‑应变曲线的震荡问题，使测试结果变得准确。

Description

材料高速拉伸应力应变测试设备及方法

技术领域

本发明属于材料力学行为测试领域，具体涉及一种材料高速拉伸应力应变测试设备及方法,主要针对汽车用薄规格钢板、铝合金、塑料、复合材料等的测试。

背景技术

汽车的安全性可通过在车身撞击过程中吸收撞击能量的能力及对乘员的保护程度体现，而在撞击过程中，材料的变形是一个高应变速率的动态响应，所以研究汽车车身用钢板在高速下的动态力学行为，对汽车轻量化发展进程中优化结构设计、合理选择材料、提高车身安全性具有指导作用。

在材料力学行为表征中，由于拉伸测试可以得到拉伸强度、伸长率、弹性模量、泊松比等指标，因此材料高速拉伸应力应变测试是表征动态力学行为的重要手段。应用于金属材料高速拉伸测试的试验设备有液压伺服高速拉伸试验机、Hopkinson杆等。材料高速拉伸应力应变测试是汽车碰撞模拟CAE分析的重要数据来源，通常，软件模拟需要输入大量的数据参数，如弹性模量、拉伸强度、断裂伸长率、应力-应变曲线等。应用的应力-应变曲线需要横跨多个数量级，从0.001/s-1000/s不等。由此可见，测试数据的可靠性是极其重要的。

高速拉伸试验机由液压伺服驱动，当应变速率低于100/s的情况下，测试得到的应力-应变非常平顺，能够准确的反应材料在不同速率下的动态力学行为。当应变速率大于100/s时，试样在高速应变率下，应力波会出现来回反射，试验机的力传感器测得的信号波动非常大，应力应变曲线出现明显地抖动，数据的准确性大大降低，难以准确地描述材料动态下的本构关系，无法有效地进行汽车碰撞模拟分析。公开号为CN105651598A，公开日为2016.06.08的专利申请公开了一种基于线阵相机的高速应变测试装置及方法，该装置和方法使用线阵相机达到了在高速下准确测量应变的需求，但是，该装置和方法没有考虑在高速下力传感器信号的震荡，因而测试结果也不准确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种材料高速拉伸应力应变测试设备及方法,该设备和方法能有效解决高应变速率下的材料应力-应变曲线的震荡问题，使测试结果变得准确。

本发明所采用的技术方案是：

一种材料高速拉伸应力应变测试设备，其包括

试样，其中部为平行段，其下部为弹性段，在平行段喷涂有散斑；

高速拉伸试验机，用于对试样进行拉伸，并使试样在高速下产生拉伸变形；

应变片，粘贴在试样的弹性段上，通过记录弹性应变，计算获取拉力值；

应变仪，用于接收应变片传来的数据；

光源，用于对准试样测试部位，使得试样表面喷涂的散斑清晰可见；

高速摄像机，用于对准试样平行段，记录试样在拉伸变形时的应变；

控制器，用于接收高速拉伸试验机、高速摄像机、应变仪传来的数据，并绘制出试样的高速拉伸应力-应变曲线。

按上述方案，高速拉伸试验机为HTM5020，其最大载荷为50KN，最大试验速率为20m/s，采样频率为10MHz，典型应变速率为0.1-1000/s，以获得应变速率大于100/s的准确的应力-应变曲线。测试对象为汽车用薄规格钢板，也可以对铝合金、塑料、复合材料。

按上述方案，所述散斑的制作方法为：以白色作为底漆，在底漆表面喷涂黑色的散斑，以便高速摄像机准确采集试样的形变。

本发明还提供一种材料高速拉伸应力应变测试方法，其包括以下步骤：

1)、制作呈哑铃状的试样，试样的中部为平行段，下部为弹性段；在试样的平行段均匀喷涂一层白色底漆，底漆干后均匀喷涂黑色散斑；

2)、通过高速拉伸试验机的上夹具和下夹具将试样固定，将应变片粘贴在试样的下部；

3)、通过高速拉伸试验机向试样加载远低于试样屈服强度的拉伸力，对试样进行拉伸，记录应变片在拉伸试验过程中的应变信号，计算试样拉伸试验过程中力信号与应变信号的换算系数；

调节高速摄像机机的镜头，使其对准试样的平行段，同时调节光源的位置和强度，使其能够照射试样断裂前后的平行段所有区域；

4)、进入高速测试阶段，设置测试速度、数据采集频率、测试时间；进行高速拉伸之后，高速摄像机采集试样从拉伸直至断裂的视频图像，记录整个过程中试样平行段的应变，应变仪记录弹性区域的应变，通过计算得到整个过程的应力，经过时间同步处理之后，生成应力-应变曲线。

本发明的有益效果在于：

为了使拉伸变形、断裂部位发生在试样中部，便于高速摄像机记录应变，因此采用呈哑铃状的试样；

根据平行段散斑的位移计算该区域的形变，以及根据弹性段的应变，得到拉伸过程的应力，能有效的解决高应变速率下的材料应力-应变曲线的震荡问题，使测量数据变得准确；

粘贴在弹性区域的应变片取代力传感器采集高速拉伸试验机的力信号，有效的避免了高应变速率下的力信号的波动，使测量数据更加准确；

采用了高速拉伸试验机对试样进行拉伸，使用高速摄像机对试样进行全过程的全场应变记录，数据真实、时效性强；

结构简单，操作方便，适应材料种类繁多，可以广泛应用于材料的应变测试；

本发明喷涂的散斑是不影响试样本身性能的物质，使待测试样的平行段在接受高速摄像机拍照时成像明显，提高图像的清晰度，降低后期图像处理的难度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明材材料高速拉伸应力应变测试设备的结构图；

图2为试样的结构示意图；

图3为使用本发明测试方法与未采用本发明测试方法的试验结果对比，数据点为o形的实线为通过试验机力传感器采集力信号得到的应力-应变曲线，数据点为*形的实线表示采用本发明得到的结果；

其中，1-试样，1.1-平行段，1.2-弹性段，3-应变片，4-高速拉伸试验机，5-上夹具，6-下夹具，7-光源，8-高速摄像机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1和图2，一种材料高速拉伸应力应变测试设备，其包括试样1、高速拉伸试验机4、应变片3、应变仪、光源7、高速摄像机8、控制器。试样1呈哑铃状，其中部为平行段1.1，其下部为弹性段1.2，在平行段1.1处喷涂有散斑。试样1通过上夹具5、下夹具6固定在高速拉伸试验机4上。高速拉伸试验机4为德国Zwick的HTM5020，最大载荷50KN，最大试验速率为20m/s，采样频率为10MHz，典型应变速率为0.1-1000/s，能对试样1进行拉伸，并使试样1在高速下产生拉伸变形。应变片3粘贴在试样1的弹性段1.2上，并将获得的数据传递给应变仪。光源7正对平行段1.1，用于使得试样1表面喷涂的散斑清晰可见。高速摄像机8用于对准试样平行段1.1，记录试样1在拉伸变形时的应变。控制器用于接收高速拉伸试验机4、高速摄像机8、应变仪传来的数据，并绘制出试样1的应力-应变曲线。

本发明中，散斑的制作方法为：以白色作为底漆，在底漆表面喷涂黑色的散斑。

一种材料高速拉伸应力应变测试方法，其包括以下步骤：

1)、制作呈哑铃状的试样1，试样1的中部为平行段1.1，下部为弹性段1.2；在试样的平行段1.1均匀喷涂一层白色底漆，待底漆干后均匀喷涂黑色散斑；平行段1.1为应变测量段，使该区域在接受高速摄像机8拍照时成像明显，提高图像的清晰度，降低后期图像处理的难度；制样后置于阴凉干燥处晾干，注意试样表面避免粘上异物；

2)、将高速拉伸试验机4开机、预热，待油温升高到40°之后，准备进行试验，按照高速拉伸试验机4相关操作标准或操作规范，将试样1装入上夹具5和下夹具6之间，将应变片3粘贴在试样1的下部，该区域在拉伸过程中为弹性变形区域；

3)、在进行高速拉伸试验前，通过高速拉伸试验机4向试样1加载5kN拉伸力，该5kN拉伸力远低于试样屈服强度的拉伸力，对试样1进行拉伸，记录应变片3在拉伸试验过程中的应变信号，此时，试样1处于弹性变形阶段，应变与应力呈线性关系；根据公式(1)、(2)，计算该试样拉伸试验过程中力信号与应变信号的换算系数；

E＝s/ε (1)

s＝F/A (2)

其中，E为换算系数(弹性模量)，单位为GPa，s为应力，单位为MPa，ε为应变片记录的应变，F为预加载的拉伸力5KN，A为弹性段的横截面积，单位为mm²；

由于高速拉伸试验中，试样的弹性区的横截面积变化很小，因此该换算系数在高速拉伸试验中依然适用；

调节高速摄像机机的镜头，使其对准试样的平行段，同时调节光源的位置和强度，使其能够照射试样断1裂前后的所有区域，实现图像对焦清晰的同时对图像进行实时监视；

4)、进入高速测试阶段，设置测试速度、数据采集频率、测试时间等参数；进行高速拉伸之后，高速摄像机8采集试样1从拉伸直至断裂的视频图像，记录整个过程中试样1平行段1.1的形变，应变仪记录整个过程的应力，经过控制器的时间同步处理之后，生成准确的应力-应变曲线。

如图3所示，数据点为o形的实线为通过试验机力传感器采集力信号得到的应力-应变曲线，数据点为*形的实线表示采用本发明得到的结果，数据准确地描述材料动态下的本构关系，可以应用到汽车碰撞模拟CAE分析中，大大提高了模拟分析的精度。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种材料高速拉伸应力应变测试设备，其特征在于：包括

试样，呈哑铃状，其中部为平行段，其下部为弹性段，在平行段喷涂有散斑；

高速拉伸试验机，用于对试样进行拉伸，并使试样在高速下产生拉伸变形；

应变片，粘贴在试样的弹性段上，用于获取拉力值；

应变仪，用于接收应变片传来的数据；

光源，用于对准试样测试部位，使得试样表面喷涂的散斑清晰可见；

高速摄像机，用于对准试样平行段，记录试样在拉伸变形时的应变；

控制器，用于接收高速拉伸试验机、应变仪、高速摄像机传来的数据，并绘制出试样的应力-应变曲线。

2.根据权利要求1所述的材料高速拉伸应力应变测试设备，其特征在于：高速拉伸试验机的最大载荷为50KN，最大试验速率为20m/s，采样频率为10MHz，典型应变速率为0.1-1000/s。

3.根据权利要求1所述的材料高速拉伸应力应变测试设备，其特征在于：所述散斑的制作方法为：以白色作为底漆，在底漆表面喷涂黑色的散斑。

4.一种材料高速拉伸应力应变测试方法，其特征在于包括以下步骤：

1）、制作呈哑铃状的试样，试样的中部为平行段，下部为弹性段；在试样的平行段均匀喷涂一层白色底漆，底漆干后均匀喷涂黑色散斑；

2）、通过高速拉伸试验机的上夹具和下夹具将试样固定，将应变片粘贴在试样的下部；

3）、通过高速拉伸试验机向试样加载远低于试样屈服强度的拉伸力，对试样进行拉伸，记录应变片在拉伸试验过程中的应变信号，计算试样拉伸试验过程中力信号与应变信号的换算系数；

调节高速摄像机机的镜头，使其对准试样的平行段，同时调节光源的位置和强度，使其能够照射试样断裂前后的所有区域；

4）、进入高速测试阶段，设置测试速度、数据采集频率、测试时间；进行高速拉伸之后，高速摄像机采集试样从拉伸直至断裂的视频图像，记录整个过程中试样平行段的应变，应变仪记录整个过程的应力，经过时间同步处理之后，生成应力-应变曲线。