動態拉伸的案例
超薄電子產品外殼用復合材料動態拉伸力學行為特征及其失效機理研究
本文使用注塑成型工藝制備玻璃纖維增強 PC 復合材料，在 0.001～ 1000 s-1應變率范圍內開展纖維方向不同的玻璃纖維增強PC復合材料的拉伸力學行為實驗研究，并結合掃描電鏡對材料的失效機理進行系統分析。
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樣品制備
實驗采用與商業化電子產品外殼相同的制備工藝——注塑成型，確保材料微觀結構與實際產品一致。材料體系為短玻璃纖維增強PC復合材料，玻璃纖維質量分數為20%，纖維長度控制在0.1-0.2mm。
制備的平板試樣厚度控制在2.0mm，隨后按0°（流動方向）、45°和90°（垂直流動方向）三個方向切割成標準測試試樣，模擬外殼注塑成型后不同位置的纖維取向狀態。
圖2 拉伸試件的加工及試件尺寸（單位：mm）
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評價方法設計
不同應變率下的拉伸實驗均在室溫下進行。
準靜態拉伸實驗在電子萬能材料實驗機上（圖3）開展，試件標距段長度為 7 mm，因此，設置拉伸速率為 0.007 mm/s。
圖3 25t電子萬能試驗機
中應變率拉伸實驗設備為高速拉伸實驗機（圖4），設置拉伸速率為 7 mm/s。
圖4 高速拉伸實驗機
動態拉伸實驗在分離式霍普金森桿裝置（見圖 5）上開展。動態拉伸實驗中，采用高強度粘膠將試件粘貼于入射桿和透射桿之間，氣室中的壓縮氣體推動炮管內圓環管，圓環管撞擊入射桿端部的法蘭盤，在入射桿內部產生拉伸應力波。當應力波傳遞到試件時，部分應力波通過試件標距段后向透射桿傳遞，另一部分應力波則以反射波形式沿入射桿傳回。通過粘貼于入射桿和透射桿上的電阻應變片記錄入射波、反射波和透射波的應變信號。
展開 高應變速率和準靜態力學拉伸性能有什么不同？如何準確選擇測試設備？
基于高速液壓伺服試驗機的材料動態拉伸試驗是獲得中低應變率力學性能的主要手段，但如何獲得材料的動態拉伸載荷、動態應變，以及失效過程的熱耗散數據是試驗測試的關鍵。就像飛機在服役過程中結構可能會遭受鳥撞、應急墜撞等沖擊載荷的作用，如飛機機頭和機翼結構是飛鳥、冰雹等外來物沖擊的密切關注部位，飛機機體下部結構則需進行抗墜撞設計以提高其適墜性。飛機結構在沖擊載荷作用下，材料的力學行為相較準靜態加載需考慮應變率效應的影響，即隨著加載應變率的提高，材料往往呈現出一定的應變率敏感性。以往研究表明，高強度材料的強度極限和失效應變等參數隨著應變率的提高會發生顯著變化，因此，為準確進行飛機結構的抗沖擊設計和分析，需通過試驗手段獲得材料的動態力學性能參數。
一般而言，應變率范圍10-1s-1～103s-1為中低應變率狀態，處于該范圍左右兩端之外的則分別為準靜態和高應變率狀態。需要說明的是在不同的應變率范圍，需匹配不同的試驗設備進行力學性能測試，如圖1所示，如準靜態范圍一般通過常規的靜態試驗機，中低應變率范圍則一般通過高速液壓伺服試驗機，而高應變率范圍則一般采用霍普金森桿試驗裝置。相較而言，中低應變率范圍內的材料動態力學性能測試方法尚沒有準靜態和高應變率下的測試方法成熟，主要體現為基于高速液壓伺服試驗機的材料中低應變率動態拉伸試驗相對較少，在關鍵試驗參數測試、試驗數據處理等方面有待進一步形成共識。
圖1 典型材料在不同應變率范圍的試驗裝置
高速拉伸試驗機
霍普金森桿
材料的動態應變測試
材料力學性能試驗中應變測試的常規方法包括應變電測法和引伸計測量方法。但受限于常規應變片使用量程的限制，無法測量材料的塑性變形全過程。而材料動態拉伸試驗為瞬態破壞過程，傳統機械引伸計易發生損壞也不適用。
展開 動力電池殼用鋁合金高應變高速率拉伸行為及斷裂特性研究
3、動態拉伸斷裂試樣的側面金相組織和顯微硬度分析表明：斷口側面晶粒形狀相較于未變形金屬的更加細長，硬度隨應變速率的增大而提高。
服務介紹
國高材分析測試中心依據GB/T 33227-2016標準，配備高速拉伸試驗機和DIC技術系統，可精準測定鋁及鋁合金板帶材在高應變速率下的動態力學性能，包括抗拉強度、延伸率、彈性模量等關鍵參數。試驗涵蓋車身覆蓋件、結構件及軌道交通用鋁材，支持電池殼、高鐵型材等特種材料的應變速率敏感性分析。通過數字化分析，中心可提供高精度應力-應變曲線，為汽車安全仿真、輕量化設計等提供可靠數據支撐。
技術研究 | 霍普金森桿在高分子復合材料動態力學性能中的應用
SHPB實驗原理圖
自1949年世以來，SHPB經過幾十年的發展，已經成為動態力學測量的主要設備，它具有結構簡單、操作方便、測量方法精巧、加載波形易控制等優點，其所測量的應變率范圍也是人們所關心的一般工程材料應變率敏感性變化比較劇烈的范圍。但是過去的Hopkinson 技術主要應用在金屬及其合金材料上，這類材料拉壓特性基本對稱而且塑性變形能力較大，而復合材料由于其結構的多變性，其阻抗、延展性等與金屬相差較大，故此裝置仍需要不斷的發展。
動態壓縮試驗
一般認為復合材料是粘彈性材料，為了保證加載時材料內應力均勻性，可以在輸入桿的頭端粘貼銅片作為波形整形器，波形整形器的作用是延長入射波的上升沿，增加試樣有效的加載時間，保證試樣中的軸向應力均勻。一般來說，當試樣兩端面的軸向應力差小于5％時，就可以認為試樣中的軸向應力已達到均勻。
典型的沖擊壓縮應力脈沖信號
動態拉伸試驗
與動態壓縮試驗相比較，動態拉伸試驗比較復雜，需要對壓桿進行改裝。目前主要采用的是反射式SHPB裝置，通過應變片記錄反射波、入射波、透射波，從而得到其應力-應變曲線。
普金森拉桿原理圖
動態剪切試驗
復合材料的動態剪切試驗一般是通過對試樣的合理設計，利用霍普金森桿壓桿實現剪切變形，這種裝置與壓桿裝置相似，通過壓縮間接地實現對復合材料的剪切變形，得到復合材料的剪切應變率、應力-應變關系。
用于動態剪切測試的霍普金森桿
總結
利用霍普金森桿裝置可對各種復合材料的動態壓縮、拉伸、剪切等性能作全面詳細的測試，依據測試結果分析復合材料的應變率行為。
展開 
拉伸試驗CAE分析對比（涉及殘余應力映射、動態松弛） ￥15
本文主要講述：
1、拉伸試驗的CAE建模及分析，涉及樣片拉伸試驗仿真的約束和加載等；
2、通過關鍵字輸出拉伸試驗后樣片的殘余應力應變厚度變化等信息；
3、通過映射和動態松弛，將殘余應力應變引入試片拉伸分析，驗證加工硬化的影響。
拉伸試驗樣片基礎尺寸如下：
拉伸試驗CAE建模：
1、網格基本尺寸2mm，試片厚度1.2mm，材料B250P1。
2、左端對兩排單元的節點進行全約束（*BOUNDARY_SPC_option），右端對兩排單元的節點施加強迫運動（*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID）。
3、在試片中間建立彈簧單元來模擬標距，可以通過彈簧的變化量來計算應變。
工況一：加載端強迫位移15mm。
工況二：加載端強迫位移3mm，輸出dynain文件（包含殘余應力應變等）。
工況三：對拉伸試片映射工況二的殘余應力應變后，采用動態松弛，最后加載端強迫位移15mm。
以上僅作為學習研究的方法，涉及具體拉伸試驗對標等工作，需要做一定的調整。
展開 ：基于單寧酸介導動態相互作用構建超拉伸性、高黏附性和自修復水凝膠
即使擁有如此利器，設計一種同時具備高拉伸性（> 3000%）和強粘附性（在皮膚表面的粘附強度> 30 kPa）的水凝膠仍面臨居多挑戰。首先，貽貝啟發的水凝膠的形成大都無法擺脫對共價交聯劑的依賴，這不僅導致本體聚合物網絡變得死板，難以在遭遇形變時實現有效的能量耗散，并且也限制了水凝膠與周圍界面的相互作用。其次，水凝膠在本體和界面內的動態相互作用位點往往不足，制約了水凝膠拉伸性和粘附性的同步提升。
針對這些難題，香港城市大學王鉆開教授團隊報道了一種完全基于單寧酸介導的相互作用（TEDI）而實現超強拉伸性、高粘附性和自修復性的離子水凝膠（如圖1）。其中單寧酸介導的動態相互作用發揮了兩個重要作用：一方面提供足夠的非共價交聯，完全取代了常規共價交聯在凝膠化中的作用，另一方面充當調控平臺，實現對水凝膠的本體/界面性質的精確控制。相較于傳統的貽貝水凝膠，TEDI水凝膠展現出優越的拉伸性（可被拉伸至原始長度的73倍），卓越的自愈能力和強大的粘附性（在豬皮表面的粘附強度可達50 kPa）。這些優異的性能使TEDI水凝膠能夠作為自粘、柔性的類皮膚傳感器，準確檢測人體運動。此外，TEDI策略為設計下一代離子水凝膠提供了新的機會，對可穿戴電子設備和醫療保健監測的應用很有價值。
圖1. TEDI水凝膠的設計。(a) TEDI水凝膠的制備過程和化學結構。(b) 利用SEM證明成功凝膠化。(c) TEDI水凝膠的強粘附力來源于TA分子與基底間的界面相互作用。
圖2. TEDI水凝膠的機械性能。(a) TEDI水凝膠和化學交聯的P(AAc-co-AAPBA)水凝膠的應力-應變曲線。(b) TEDI水凝膠被拉伸至7000%應變時的實物圖。
展開 技術研究 | 力學仿真分析的材料卡片你知道是怎么來的嗎？
塑性行為：計算不同應力狀態（拉伸、壓縮、剪切等）準靜態下塑性應力應變曲線及動態單向拉伸塑性應力應變曲線，塑性泊松比等。
斷裂行為：通過準靜態下各應力狀態試驗，建立相對應的仿真模型，通過模擬對標的方法確定斷裂點的等效失效應變與應力三軸度的關系，確定準靜態下的失效準則。通過動態單向拉伸試驗（或其他應力狀態動態試驗）確定等效失效應變和應變率的關系，模擬動態下的失效準則。以及其余參數標定。
簡言之，材料卡片開發流程：材料試驗→材料卡片建立→非失效段標定→失效段標定。
圖片來源于網絡
其中材料卡片的建立需求材料的基礎數據，通常包含密度、彈性模量、泊松比、靜態拉伸曲線、動態拉伸曲線、靜態雙向拉伸曲線、靜態壓縮曲線、靜態壓縮曲線。這些材料性能參數的獲取方法，我們之前在公開課中已經講到過——直播回顧 | 內附PPT，《力學仿真所需材料參數獲取及應用分享》
隨著大家希望仿真結果貼近實際工況的需求日益增多，獲取材料的靜態剪切工程應力-應變曲線/真實應力-應變曲線/力-位移曲線、靜態壓縮工程應力-應變曲線/真實應力-應變曲線/力/位移曲線、靜態穿孔力-位移曲線，成為了力學仿真過程中必須使用到的材料性能參數，國高材分析測試中心結合DIC測量技術，擁有完善的力學仿真所需材料參數的全套獲取能力，今天為大家分享材料剪切、壓縮和穿孔性能參數獲取方法。
1、試驗方法
壓縮跟剪切試驗需要結合DIC技術進行應變監測，測試前需在樣品表面制作散斑，穿孔試驗一般無需測試應變。各試驗樣品如圖1~圖3。
2、具體試驗
2.1 剪切測試
剪切條件：試驗速度2mm/min，應力數據采集頻率每秒1個~4個，結合DIC技術進行應變檢測，拍攝幀數最小60fps，視頻儲存是選擇跳幀保存，以確保應力數據與應變數據間隔一致。測試過程中夾具夾持力足夠，試樣無滑脫現象。
展開 直播預告-汽車增強塑料結構多尺度分析及輕量化仿真技術
考慮三種玻纖取向的試驗樣件，即0°、45°、90°，進行準靜態拉伸試驗，結果如圖1所示。
圖1. 準靜態條件下，不同玻纖取向的應力-應變曲線
為了最終預測沖擊響應，還需要考慮材料的應變率效應。為此，測試了三種玻纖取向的3個應變率（1/s，20/s，200/s）動態試驗，其中玻纖取向0°試件各應變率下的測試結果如圖2所示。
圖2. 不同應變率下試樣的應力-應變曲線。
為了考慮熔接線對強度的影響，制備試樣時，在中心位置注塑形成熔接線。樣件尺寸參考ISO 527 1A標準，厚度為4mm。通過拉伸試驗獲得熔接線的強度，結果如圖3所示。
圖3. 含有熔接線的試樣的應力-應變曲線
多尺度復合材料本構建模
Digimat具備復合材料逆向建模功能，提供材料參數自動化擬合工具。本文基于0°, 45°, 90°拉伸試驗結果，通過材料逆向工程得到基體和增強相的彈塑性材料本構參數。
在此基礎上，還進行了復合材料失效參數逆向標定。這里使用基于應變的Tsai-Hill橫觀各向同性失效準則，失效機理定義為FPGF(First Pseudo-Grain Failure)。
圖4. 材料逆向建模結果與測試結果對比：（a）準靜態拉伸；（b）動態拉伸
最后，基于不同應變率條件下的測試結果，利用材料逆向工程得到基體和增強相在不同應變率情況下的彈塑性材料本構。結果如圖4所示，通過逆向工程構建的復合材料本構模型，能夠很好的描述試件中材料的準靜態拉伸、失效以及動態拉伸行為。
尾門內板沖擊性能分析
使用模流仿真分析，可以得到尾門內板的玻纖取向和熔接線分布如圖5所示。結果表明在尾門內板不同位置，玻纖取向存在較大差異，并且結構中存在大量的熔接線，這些都對尾門內板性能有著重要影響。
展開 陳乃錄-呂堅院士團隊重要突破！破解百年難題，實現最高性價比的高強塑性鋼
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927321001730
本研究發現了Q-P-T鋼在拉伸過程中馬氏體中的位錯越過馬氏體/奧氏體界面(DAMAI)運動到奧氏體的現象及其增塑效應，即DAMAI效應有效地提高了馬氏體的形變能力，從而顯著地提高了高強度馬氏體鋼的塑性。DAMAI效應被透射電鏡原位動態拉伸觀察和分子動力學模擬所證實，并賦予熱力學的解釋。
在此基礎上，本研究提出了基于DAMAI效應的增塑策略，即通過碳從馬氏體到殘留奧氏體的分配來平衡殘留奧氏體含量和其穩定性，由此增強DAMAI效應，并盡可能減少應變誘發脆性的孿晶馬氏體。
在該策略的指導下，設計了一種低成本Fe-Mn-Si-Nb的高碳淬火-分配-回火（Q-P-T）鋼，與其他高度評價的鋼相比，展現出目前最高的性/價比（79.45GPa%kg/$）；而且通過碳含量的增加，同時提高了Q-P-T鋼的強度和塑性，實現了百年來研究者的追求。該增塑策略將為開發高強塑性馬氏體鋼提供新路徑。
圖1. DAMAI 效應透射電鏡原位動態拉伸觀察和分子動力學模擬，以及Q-P-T鋼和其他先進高強鋼的比較：（a-d）透射電鏡原位動態拉伸觀察過程TEM圖片；（e-g）DAMAI現象的分子動力學模擬的證明，當應變為0.7%時，BCC相中位錯向界面遷移，并越過界面到FCC相中；（h）Q-P-T鋼的強塑積和性/價比與其他先進高強鋼的比較。
展開 基于ABAQUS的直接式霍普金森拉桿SHTB仿真（附.cae.inp） ￥15
許多實際工況（如碰撞、爆炸）中材料可能承受高速拉伸載荷（如撕裂、韌性斷裂），直接施加動態拉伸載荷能更真實地模擬材料在高速拉伸狀態下的失效行為，彌補壓桿試驗的局限性。
本案例將介紹韌性材料的直接式霍普金森拉桿原理及其Abaqus仿真方法。
2.1 SHTB原理
直接式霍普金森拉桿SHTB（仿真）結構
直接式霍普金森拉桿（SHTB）一種結構形式如上圖所示。相比于常規壓縮試驗裝置結構，SHTB裝置入射桿的加載端通過螺栓連接傳遞法蘭，撞擊桿設計為套筒結構，套裝在入射桿上，套筒撞擊桿以一定速度撞擊傳遞法蘭，在入射桿加載端形成一個拉伸載荷脈沖。試樣與入射桿、透射桿通過連接結構固定，連接方式有螺紋連接、粘膠連接以及卡具連接等。
實際SHTB裝置是套筒撞擊桿以一定速度撞擊傳遞法蘭，在入射桿加載端形成一個拉伸載荷脈沖。仿真時可采用兩種載荷加載方法：撞擊桿法是模擬試驗基于撞擊桿撞擊產生加載載荷，等效載荷法，顧名思義是直接對入射桿加載端面施加等效加載載荷。
以下給出撞擊桿尺寸、速度與等效載荷脈寬、峰值換算關系：
（1）撞擊桿長度 Lst 與載荷脈寬τi：
（2）撞擊桿速度V0與載荷峰值σi：
其中， Lst 為撞擊桿長度， Cb 為桿件波速， ρb桿件密度。
2.2 仿真模型
直接式霍普金森拉桿SHTB仿真模型
根據試樣形狀及連接方式、加載方式設置6個作業模型：
仿真模型各部尺寸和參數如下：
三種試樣尺寸
三種試樣尺寸如圖，片狀試樣厚度2mm。
展開 ANSYS Workbench顯式動力學實例 | PVB玻璃的沖擊仿真
對于PVB，則主要表現為動態拉伸下的大變形。
本次計算未考慮材料非線性影響。
來源：ANSYS學習與應用公眾號，版權歸作者所有。
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汽車材料的高速碰撞材料卡片及其應用方法
3 碰撞斷裂材料卡片及其應用方法
1) 材料試驗
靜態拉伸、動態拉伸(5種不同加載速率)、靜態剪切、動態剪切、靜態壓縮、動態壓縮、靜態穿孔和動態穿孔，共計12個試驗工況，考慮塑料材料的一致性相對較低，每個工況開展3-5次試驗。
2）真應力-應變曲線轉換
壓縮跟剪切試驗需要結合DIC技術進行應變監測，測試前需在樣品表面制作散斑，穿孔試驗一般無需測試應變。各試驗樣品如下圖。
DIC噴斑圖像采集方法可根據待測試件變形前后表面散斑圖像的相關性來確定試件位移及變形的全場測量。通過相關函數對子區周圍進行相關計算后得到各變形圖像下各子區位移，進而可求解得到全場位移場及應變場，即可求得真應變。通過整個變形場的計算，可求得所測位置即時寬度，結合每幅變形圖像對應載荷，即可求得測試位置真應力，進而得到真應力-應變曲線。
3）力學特性修正
為了模擬懸置在整車正面碰撞中的受力狀態，設計懸置拉伸試驗，對比仿真與試驗的力-位移曲線發現，使用基礎材料卡的仿真中獲取的峰值力高于試驗值。
原因分析：通過對懸置進行樣條切割，發現懸置在成型過程中存在縮孔缺陷。縮孔使材料的力學性能有所削弱，為了模擬這種影響，應考慮對原材料卡片進行修正。由于縮孔是成型引起的，不同區域縮孔大小不一致，采用傳統的等比例縮放不能有效地表征該性能，因此需要根據縮孔的分布特征，來對材料力學性能進行針對性的調整。
對懸置不同區域切割同樣尺寸的試驗進行三點彎和單軸拉伸試驗，統計其屈服強度及失效應變的分布。根據分布規律分別對失效應變和屈服強度進行離散性處理。
4）碰撞仿真分析
在碰撞分析軟件中將材料特性力學材料卡片和碰撞斷裂材料卡片，同時帶入碰撞分析中，可以準確預測材料變形及失效特性。
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參考測試條件
以下為PCB、IC 半導體以及相關材料有關于PCT（蒸汽鍋測試）的相關測試條件：
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