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目前汽車在我國(guó)的產(chǎn)銷量逐年增長(zhǎng)，伴隨市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，車型投放得越來越多，與此同時(shí)車輛開發(fā)的速度也要求越來越快。在前期車輛研發(fā)過程中，計(jì)算機(jī)輔助分析(CAE)越來越重要，準(zhǔn)確的材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)也成為各個(gè)研發(fā)單位的迫切需求。
目前靜態(tài)測(cè)試從試驗(yàn)設(shè)備到試驗(yàn)規(guī)范都比較完善和成熟，試驗(yàn)室間的比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果差異很小。但高速拉伸試驗(yàn)無論從試驗(yàn)設(shè)備還是試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方面，都還有相當(dāng)大的改善空間，試驗(yàn)室間的比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果也不理想。
造成這種差異的原因主要有以下幾點(diǎn)：
其一為試驗(yàn)設(shè)備沒有規(guī)范，目前的試驗(yàn)設(shè)備從軟件到硬件，從夾具到傳感器等都沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；
其二沒有詳盡的試驗(yàn)規(guī)范可以參考，試驗(yàn)室間也還沒有依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范進(jìn)行充分的對(duì)比測(cè)試；
其三為試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，由于動(dòng)態(tài)測(cè)試的特殊性，導(dǎo)致了得到的材料曲線具有別于靜態(tài)曲線的特征，例如最為明顯的震蕩特征。
金屬材料在不同應(yīng)變速率下，力學(xué)性能表現(xiàn)不同，因此統(tǒng)一的高速拉伸測(cè)試就顯得尤為重要。本文將就以上幾方面，結(jié)合日常試驗(yàn)實(shí)際情況進(jìn)行詳盡的介紹。
試驗(yàn)設(shè)備
高速拉伸試驗(yàn)機(jī)的廠家國(guó)內(nèi)目前還沒有，僅有少數(shù)幾家研發(fā)單位自主開發(fā)了桿式或其他類型的高速拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)，其應(yīng)用范圍也僅限于內(nèi)部。國(guó)外大的試驗(yàn)設(shè)備供應(yīng)商有提供此類設(shè)備，例如:英斯特朗，茲韋克等。
1、試驗(yàn)速度加載
金屬材料的高速拉伸試驗(yàn)機(jī)與靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)的不同之處有兩點(diǎn):其一此類高速拉伸不能采用應(yīng)變或應(yīng)力控制，只能采用位移控制;其二高速拉伸試驗(yàn)機(jī)一般在1m·s－1以內(nèi)是閉環(huán)控制，大于1m·s－1的時(shí)候只能是開環(huán)控制，所以在試樣夾緊的瞬間，速度會(huì)下降，導(dǎo)致其拉伸速度的控制精度遠(yuǎn)沒有靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)的那么高。
為了解決這一問題，設(shè)備供應(yīng)商在控制軟件方面增加了迭代計(jì)算功能，在首次試驗(yàn)之后，軟件會(huì)識(shí)別液壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)與速度目標(biāo)值之間的差距，然后進(jìn)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)的分段修正，下次試驗(yàn)過程中使用新的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，如此反復(fù)迭代計(jì)算直至達(dá)到滿意的精度為止，如圖1所示。
具體的迭代算法為不同供應(yīng)商的軟件機(jī)密，但原理基本都是一樣，依據(jù)速度的降低時(shí)間及幅度判斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)的補(bǔ)償時(shí)間及幅度。所以如果使用迭代的方法，加載在試樣上的速度控制精度就會(huì)隨著試驗(yàn)次數(shù)的提高而增加，與此同時(shí)帶來了試驗(yàn)次數(shù)的增加及試驗(yàn)重復(fù)性的問題。
除了迭代的方法外，還可以考慮預(yù)先輸入材料參數(shù)的方法，在初期就進(jìn)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)的優(yōu)化，這樣可以減少試驗(yàn)次數(shù)，并且能夠快速地達(dá)到優(yōu)化的效果。
圖1 迭代計(jì)算示意圖
2、試驗(yàn)夾具及所需試樣尺寸
由于試驗(yàn)速度快，所以在試驗(yàn)時(shí)需要加載裝置先空載達(dá)到預(yù)設(shè)的速度，因而高應(yīng)變測(cè)試的試樣長(zhǎng)度往往都是大于靜態(tài)測(cè)試的。對(duì)于不能取很長(zhǎng)試樣的零件，可以采用延長(zhǎng)桿的方式對(duì)試樣進(jìn)行人為的加長(zhǎng)。同時(shí)，不同的加載方式，導(dǎo)致了試樣的形狀也各有差異，如圖2所示。
圖2 不同類型的試樣夾具示意圖
3、位移傳感器
目前高速拉伸試驗(yàn)機(jī)配備的傳感器均為線性可變差動(dòng)變壓器(LVDT)傳感器，并據(jù)此進(jìn)行速度的控制。在獲取位移曲線之后，可以根據(jù)曲線的時(shí)間范圍判斷拉伸時(shí)的平均速度，如圖3所示。
圖3 橫梁速度曲線
依據(jù)位移數(shù)據(jù)可以得到整個(gè)夾具間距離的應(yīng)變，但并不是試樣平行段的應(yīng)變。所以位移傳感器的主要用途在于判斷試樣變形階段的試驗(yàn)速度是否滿足設(shè)定要求。不同廠家的高速拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸速度的精度也各不相同，且精度的范圍目前標(biāo)準(zhǔn)中并沒有明確規(guī)定。
4、力值傳感器
高速拉伸試驗(yàn)機(jī)使用的均為壓電式傳感器，不便之處在于需要進(jìn)行不同力值范圍的標(biāo)定。然而，盡管采用了高響應(yīng)的力值傳感器，在高應(yīng)變的情況下，力值信號(hào)震蕩仍然會(huì)逐漸加劇。試驗(yàn)者往往采用貼應(yīng)變片的方法來消除這一現(xiàn)象，如圖4所示，這樣做可以大幅度地減小震蕩。
圖4 平板試樣貼應(yīng)變片的示意圖
但這樣每進(jìn)行一個(gè)試驗(yàn)就要使用兩片應(yīng)變片，而較為經(jīng)濟(jì)的做法是貼在固定端的夾具上，越靠近試樣越好。對(duì)于不方便貼應(yīng)變片的圓柱試樣也可以采用這樣的處理方法。
5、應(yīng)變測(cè)量設(shè)備及附件
由于位移的精度及測(cè)量的區(qū)間問題，位移數(shù)據(jù)不能用作應(yīng)變數(shù)據(jù)，同時(shí)由于高應(yīng)變的要求導(dǎo)致了傳統(tǒng)的機(jī)械式引伸計(jì)已經(jīng)不能滿足要求，因此有的設(shè)備供應(yīng)商開發(fā)了多普勒激光引伸計(jì)等非接觸類設(shè)備。
另外，隨著數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)測(cè)量類設(shè)備逐漸應(yīng)用到高速應(yīng)變測(cè)試上。有的DIC軟件供應(yīng)商已經(jīng)開發(fā)出了一體化的軟件，直接在軟件系統(tǒng)里計(jì)算應(yīng)力和應(yīng)變，除此之外，該類軟件還可以具有無接觸、隨意定義標(biāo)距、輸出云圖、隨時(shí)處理等傳統(tǒng)引伸計(jì)不能提供的功能，如圖5所示。
圖5 DIC技術(shù)應(yīng)用示例
但對(duì)環(huán)境溫度有要求的試驗(yàn)，該類設(shè)備由于需要透過玻璃拍攝照片，會(huì)存在像素畸變等問題。
6、軟件
對(duì)于高速拉伸試驗(yàn)機(jī)的軟件，一般分為三部分:其一為控制軟件，主要用來控制設(shè)備的運(yùn)行；其二為校準(zhǔn)軟件，用來對(duì)輸出試驗(yàn)文件進(jìn)行校準(zhǔn)，例如壓電式傳感器的分段標(biāo)定文件，速度的標(biāo)定文件等；其三為處理軟件，主要用來處理試驗(yàn)結(jié)果。
對(duì)于控制軟件，主要是試驗(yàn)速度的控制，由于各個(gè)廠家采用的迭代算法不同，導(dǎo)致了速度控制上的差異;對(duì)于處理軟件，目前僅停留在濾波處理，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，輸出等基本功能上，對(duì)于力學(xué)曲線最為重要的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率等特征參數(shù)的計(jì)算機(jī)識(shí)別，該類軟件都沒有實(shí)現(xiàn)這些功能。這是由于高速拉伸應(yīng)變曲線形狀有震蕩，需要額外的曲線優(yōu)化導(dǎo)致的。對(duì)于這一部分，可以先優(yōu)化曲線的形狀，再進(jìn)一步得到曲線的特征參數(shù)。
和DIC技術(shù)相關(guān)的軟件是圖像處理軟件，目前該類軟件已經(jīng)具備了計(jì)算靜態(tài)和高速拉伸的能力。但無論哪種軟件都存在原始數(shù)據(jù)的丟失和不同處理方法得到的結(jié)果不相同的問題，甚至?xí)休^大差異，如圖6所示。
圖6 不同算法得到的擬合結(jié)果
選自：《理化檢驗(yàn)—物理分冊(cè)》 Vol.54 2018.9
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