動態(tài)拉伸試驗(yàn)的案例
高應(yīng)變速率和準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)拉伸性能有什么不同？如何準(zhǔn)確選擇測試設(shè)備？
基于高速液壓伺服試驗(yàn)機(jī)的材料動態(tài)拉伸試驗(yàn)是獲得中低應(yīng)變率力學(xué)性能的主要手段，但如何獲得材料的動態(tài)拉伸載荷、動態(tài)應(yīng)變，以及失效過程的熱耗散數(shù)據(jù)是試驗(yàn)測試的關(guān)鍵。就像飛機(jī)在服役過程中結(jié)構(gòu)可能會遭受鳥撞、應(yīng)急墜撞等沖擊載荷的作用，如飛機(jī)機(jī)頭和機(jī)翼結(jié)構(gòu)是飛鳥、冰雹等外來物沖擊的密切關(guān)注部位，飛機(jī)機(jī)體下部結(jié)構(gòu)則需進(jìn)行抗墜撞設(shè)計(jì)以提高其適墜性。飛機(jī)結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下，材料的力學(xué)行為相較準(zhǔn)靜態(tài)加載需考慮應(yīng)變率效應(yīng)的影響，即隨著加載應(yīng)變率的提高，材料往往呈現(xiàn)出一定的應(yīng)變率敏感性。以往研究表明，高強(qiáng)度材料的強(qiáng)度極限和失效應(yīng)變等參數(shù)隨著應(yīng)變率的提高會發(fā)生顯著變化，因此，為準(zhǔn)確進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)的抗沖擊設(shè)計(jì)和分析，需通過試驗(yàn)手段獲得材料的動態(tài)力學(xué)性能參數(shù)。
一般而言，應(yīng)變率范圍10-1s-1～103s-1為中低應(yīng)變率狀態(tài)，處于該范圍左右兩端之外的則分別為準(zhǔn)靜態(tài)和高應(yīng)變率狀態(tài)。需要說明的是在不同的應(yīng)變率范圍，需匹配不同的試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行力學(xué)性能測試，如圖1所示，如準(zhǔn)靜態(tài)范圍一般通過常規(guī)的靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)，中低應(yīng)變率范圍則一般通過高速液壓伺服試驗(yàn)機(jī)，而高應(yīng)變率范圍則一般采用霍普金森桿試驗(yàn)裝置。相較而言，中低應(yīng)變率范圍內(nèi)的材料動態(tài)力學(xué)性能測試方法尚沒有準(zhǔn)靜態(tài)和高應(yīng)變率下的測試方法成熟，主要體現(xiàn)為基于高速液壓伺服試驗(yàn)機(jī)的材料中低應(yīng)變率動態(tài)拉伸試驗(yàn)相對較少，在關(guān)鍵試驗(yàn)參數(shù)測試、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等方面有待進(jìn)一步形成共識。
圖1 典型材料在不同應(yīng)變率范圍的試驗(yàn)裝置
高速拉伸試驗(yàn)機(jī)
霍普金森桿
材料的動態(tài)應(yīng)變測試
材料力學(xué)性能試驗(yàn)中應(yīng)變測試的常規(guī)方法包括應(yīng)變電測法和引伸計(jì)測量方法。但受限于常規(guī)應(yīng)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(tài)拉伸試驗(yàn)為瞬態(tài)破壞過程，傳統(tǒng)機(jī)械引伸計(jì)易發(fā)生損壞也不適用。
展開 拉伸試驗(yàn)CAE分析對比（涉及殘余應(yīng)力映射、動態(tài)松弛） ￥15
本文主要講述：
1、拉伸試驗(yàn)的CAE建模及分析，涉及樣片拉伸試驗(yàn)仿真的約束和加載等；
2、通過關(guān)鍵字輸出拉伸試驗(yàn)后樣片的殘余應(yīng)力應(yīng)變厚度變化等信息；
3、通過映射和動態(tài)松弛，將殘余應(yīng)力應(yīng)變引入試片拉伸分析，驗(yàn)證加工硬化的影響。
拉伸試驗(yàn)樣片基礎(chǔ)尺寸如下：
拉伸試驗(yàn)CAE建模：
1、網(wǎng)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(jié)點(diǎn)進(jìn)行全約束（*BOUNDARY_SPC_option），右端對兩排單元的節(jié)點(diǎn)施加強(qiáng)迫運(yùn)動（*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID）。
3、在試片中間建立彈簧單元來模擬標(biāo)距，可以通過彈簧的變化量來計(jì)算應(yīng)變。
工況一：加載端強(qiáng)迫位移15mm。
工況二：加載端強(qiáng)迫位移3mm，輸出dynain文件（包含殘余應(yīng)力應(yīng)變等）。
工況三：對拉伸試片映射工況二的殘余應(yīng)力應(yīng)變后，采用動態(tài)松弛，最后加載端強(qiáng)迫位移15mm。
以上僅作為學(xué)習(xí)研究的方法，涉及具體拉伸試驗(yàn)對標(biāo)等工作，需要做一定的調(diào)整。
展開 技術(shù)研究 | 霍普金森桿在高分子復(fù)合材料動態(tài)力學(xué)性能中的應(yīng)用
SHPB實(shí)驗(yàn)原理圖
自1949年世以來，SHPB經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為動態(tài)力學(xué)測量的主要設(shè)備，它具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、測量方法精巧、加載波形易控制等優(yōu)點(diǎn)，其所測量的應(yīng)變率范圍也是人們所關(guān)心的一般工程材料應(yīng)變率敏感性變化比較劇烈的范圍。但是過去的Hopkinson 技術(shù)主要應(yīng)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(fù)合材料由于其結(jié)構(gòu)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(fā)展。
動態(tài)壓縮試驗(yàn)
一般認(rèn)為復(fù)合材料是粘彈性材料，為了保證加載時材料內(nèi)應(yīng)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(yīng)力均勻。一般來說，當(dāng)試樣兩端面的軸向應(yīng)力差小于5％時，就可以認(rèn)為試樣中的軸向應(yīng)力已達(dá)到均勻。
典型的沖擊壓縮應(yīng)力脈沖信號
動態(tài)拉伸試驗(yàn)
與動態(tài)壓縮試驗(yàn)相比較，動態(tài)拉伸試驗(yàn)比較復(fù)雜，需要對壓桿進(jìn)行改裝。目前主要采用的是反射式SHPB裝置，通過應(yīng)變片記錄反射波、入射波、透射波，從而得到其應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
普金森拉桿原理圖
動態(tài)剪切試驗(yàn)
復(fù)合材料的動態(tài)剪切試驗(yàn)一般是通過對試樣的合理設(shè)計(jì)，利用霍普金森桿壓桿實(shí)現(xiàn)剪切變形，這種裝置與壓桿裝置相似，通過壓縮間接地實(shí)現(xiàn)對復(fù)合材料的剪切變形，得到復(fù)合材料的剪切應(yīng)變率、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。
用于動態(tài)剪切測試的霍普金森桿
總結(jié)
利用霍普金森桿裝置可對各種復(fù)合材料的動態(tài)壓縮、拉伸、剪切等性能作全面詳細(xì)的測試，依據(jù)測試結(jié)果分析復(fù)合材料的應(yīng)變率行為。
展開 一文搞懂：金屬材料的拉伸試驗(yàn) 附《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》下載
下載地址：GB／T228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》
鑄鐵拉伸試驗(yàn)ABAQUS模擬
鑄鐵拉伸試驗(yàn)ABAQUS模擬
為什么材料拉伸試驗(yàn)要用“引伸計(jì)”
試驗(yàn)時，傳感器與試件測量段（亦稱“測量標(biāo)距”）的兩端點(diǎn)“固定”，傳感器測得標(biāo)距間的變形（伸長或縮短）并將其轉(zhuǎn)化為其他信號（如電信號、光信號），經(jīng)放大器放大并由記錄器采集，從而獲得數(shù)據(jù)。
引伸計(jì)包括機(jī)械式引伸計(jì)、光學(xué)引伸計(jì)、電子引伸計(jì)（圖1）等。目前土木工程試驗(yàn)中較常用電子引伸計(jì)，如各類材料的拉伸試驗(yàn)。而電子引伸計(jì)又可分為軸向引伸計(jì)、橫向引伸計(jì)和夾式引伸計(jì)。本文主要談?wù)剬? 軸向電子引伸計(jì)（測量試件沿加載方向的線變形）的一些理解，如圖1，其包括
刀刃、
標(biāo)距桿、
標(biāo)距桿墊片、
力臂等部件。
圖1 軸向電子引伸計(jì)
2. Why it ?| 為什么需要用引伸計(jì)？
目前多數(shù)試驗(yàn)機(jī)都能記錄加載頭的位移，利用位移計(jì)也能測量試件的變形，這兩者相對于引伸計(jì)的安裝和使用都方便太多，所以剛開始做材料拉伸試驗(yàn)時，我對試件上額外添加一個引伸計(jì)是疑惑的。
那么使用引伸計(jì)的意義是什么？
結(jié)合試驗(yàn)來談一談會一點(diǎn)。
當(dāng)進(jìn)行材料拉伸試驗(yàn)時，試件所受荷載可以直接從試驗(yàn)機(jī)獲得，記為
F；試件的“受拉伸長量”也可以直接從試驗(yàn)機(jī)獲得，記加載頭位移為
d；那拉伸試驗(yàn)的荷載-位移曲線不就已經(jīng)可以繪制了么？如果試件的截面積為
A，原長為
l，那
σ=
F/
A、
ε=
d/
l后拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線也能得到。
圖2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線
好像有道理哈？
展開 淺談金屬拉伸試驗(yàn)的必要性
在金屬的制造過程中，一個很重的力學(xué)性能就是金屬的拉伸能力。金屬拉伸試驗(yàn)在金屬材料力學(xué)性能試驗(yàn)中是最常見、最重要的試驗(yàn)方法之一，它關(guān)乎到金屬的韌性、強(qiáng)度等，拉伸性能是通過拉伸試驗(yàn)判定的。
金屬拉伸試驗(yàn)所得到的材料強(qiáng)度和塑性性能數(shù)據(jù)，對于設(shè)計(jì)和選材、新材料的研制、材料的采購和驗(yàn)收、產(chǎn)品的質(zhì)量控制、設(shè)備的安全和評估，都有很重要的應(yīng)用價值和參考價值。
金屬拉伸試驗(yàn)一般分為四個階段：
1、彈性階段: 隨著荷載的增加，應(yīng)變隨應(yīng)力成正比增加。如卸去荷載，試件將恢復(fù)原狀，表現(xiàn)為彈性變形，此階段內(nèi)可以測定材料的彈性模量。
2、屈服階段: 普碳鋼：超過彈性階段后，載荷幾乎不變，只是在某一小范圍內(nèi)上下波動，試樣的伸長量急劇地增加，這種現(xiàn)象稱為屈服。
3、強(qiáng)化階段：試樣經(jīng)過屈服階段后，若要使其繼續(xù)伸長，由于材料在塑性變形過程中不斷強(qiáng)化，故試樣中抗力不斷增長。應(yīng)變增加應(yīng)力也增加，力量最大值就是金屬材料抗拉強(qiáng)度的極限值。
4、頸縮階段：當(dāng)應(yīng)變增加應(yīng)力下降，金屬材料就會產(chǎn)生“頸縮”狀態(tài)，直至斷裂。
我們通過金屬拉伸實(shí)驗(yàn)可以測試出材料的強(qiáng)度、硬度、疲勞等等一系列的機(jī)械性能。作為沖壓件加工廠只有充分了解了材料的性能之后才能安全的制定材料的應(yīng)用環(huán)境，才能放心投產(chǎn)，加工生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)、合格的沖壓件。
展開 Ansys案例研究 | 單軸拉伸試驗(yàn)應(yīng)變測量
概述：
單軸拉伸試驗(yàn)是了解大多數(shù)材料并獲取應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的主要方法。可靠的拉伸數(shù)據(jù)對于組件設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本案例展示了如何進(jìn)行拉伸試驗(yàn)并獲取應(yīng)變圖。
目標(biāo)：
觀察在施加漸進(jìn)式位移載荷的單軸拉伸試樣中的應(yīng)變。
步驟：
1、打開Ansys Workbench，創(chuàng)建一個“靜態(tài)結(jié)構(gòu)”系統(tǒng)。
2、定義拉伸試驗(yàn)樣品的材料屬性。本例中使用的是結(jié)構(gòu)鋼。
3、導(dǎo)入模型，其外觀類似于圖 1 所示。
圖1 單軸拉伸試驗(yàn)試樣
4、將材料分配給幾何體。
5、按照圖2所示，在試件上施加適當(dāng)?shù)募s束條件。
圖2 樣品的邊界條件
6、按照圖2所示施加位移。
7、對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分并運(yùn)行仿真。繪制等效彈性應(yīng)變(圖3)。
圖3 等效彈性應(yīng)變圖
總結(jié)：
本案例說明了單軸拉伸試驗(yàn)樣品中應(yīng)變的測量方法。
如有疑問歡迎留言或私信！
展開 基于ABAQUS的低碳鋼拉伸試驗(yàn)模擬
我們在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課學(xué)習(xí)過，近距離觀察過低碳鋼鋼桿拉伸實(shí)驗(yàn)，得到了如下圖1所示的應(yīng)力應(yīng)變曲線，對應(yīng)力應(yīng)變曲線的深刻理解有助于我們在有限元分析中得到正確的結(jié)果，對分析做出正確的判斷，那么如何在Abaqus中模擬這一過程呢？
圖1 低碳鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線
1. 問題描述
對一半徑為5mm，長度為50mm的軸做軸向拉伸，位移載荷為10mm，積分方式單元階次為C3D8R；設(shè)置參考點(diǎn)RP1，以此點(diǎn)做一個集合ss，并與右端面剛性耦合，用來施加位移載荷和輸出變量。模型示意如圖2所示。
圖2 模型示意
2. 應(yīng)力應(yīng)變曲線的模擬
2.1 彈性階段模擬
2.1.1 材料參數(shù)設(shè)置
軸的彈性模量為200000Mpa，泊松比為0.3。材料設(shè)置如圖3所示。
圖3材料設(shè)置示意 圖4增量步設(shè)置示意
2.1.2 分析步設(shè)置
僅設(shè)置一個靜態(tài)學(xué)分析步，將非線性打開（為后續(xù)分析做準(zhǔn)備），初始和最大時間增量均為0.1，設(shè)置如圖4所示。設(shè)置歷程輸出變量為RP1點(diǎn)所在集合的反力RF3和位移U3，設(shè)置如圖5所示。
圖4歷程輸出變量設(shè)置示意
2.1.3 邊界條件設(shè)置
軸的一段設(shè)置為全約束，軸的另一端施加10mm的位移載荷，并約束其余5個自由度，邊界設(shè)置如圖5所示。
圖5邊界條件設(shè)置示意
2.1.4 結(jié)果分析
輸出反力RF3，從圖6中可以看到，力隨著時間呈線性變化，這是典型的彈性變形。
展開 ABAQUS單軸拉伸仿真分析與試驗(yàn)對比
單軸拉伸試驗(yàn)與仿真
概述
單軸拉伸試驗(yàn)是基本的材料力學(xué)性能測試試驗(yàn)，本文采用ABAQUS軟件模擬其試驗(yàn)過程。
模型設(shè)置
模型難點(diǎn)在材料設(shè)置上，采用韌性損傷準(zhǔn)則，考慮應(yīng)力三軸度，損傷演化等。
應(yīng)在場變量輸出中勾選剛度退化、損傷起始準(zhǔn)則及單元刪除。
3. 結(jié)果對比
頸縮
斷裂
XM-12 不銹鋼試樣高溫拉伸試驗(yàn)解析
XM-12 材料鍛造過程中的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以為鍛造工藝編制提供有效的數(shù)據(jù)支持，然而高溫檢測過程中，試樣有效加熱部分隨試樣延長率變化而變化，且拉伸過程以頸縮變形為主，為真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的測試帶來很大難度，且通過伸長率計(jì)算的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實(shí)際存在較大的偏離。因此，真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的準(zhǔn)確修正在XM-12 不銹鋼鍛造工藝優(yōu)化過程中非常重要。
XM-12 銅沉淀硬化型馬氏體不銹鋼，廣泛應(yīng)用于石油開采機(jī)械制造，執(zhí)行ASTM A705-2017《Standard Specification for Age-Harding Stainless Forging》標(biāo)準(zhǔn)(含)。通過合金元素Cr、Ni、Cu、Nb 等合金元素的加入，XM-12 不銹鋼擁有良好的耐腐蝕性和良好的機(jī)械性能，低溫斷裂韌度非常好，其化學(xué)成分要求如表1 所示。
表1 XM-12 化學(xué)成分要求(wt%)
XM-12 不銹鋼材料，因其合金含量較高，鍛造過程中存在熱態(tài)變形抗力大，鍛造溫度區(qū)間窄，表面易開裂等特點(diǎn)。因此材料在高溫過程中的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的測試在其鍛造工藝優(yōu)化過程中非常重要。
XM-12 材料高溫拉伸試驗(yàn)檢測溫度范圍：900 ～1200℃。普通的試驗(yàn)機(jī)無法滿足，因此此次試驗(yàn)選擇Gleeble-3500 熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行光滑圓棒試樣的拉伸試驗(yàn)。拉伸試樣圖如圖1 所示。
圖1 拉伸試樣尺寸
高溫拉伸測試
本文以1050℃拉伸結(jié)果為分析對象，對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正分析，試樣實(shí)測直徑
φ9.98mm。
試驗(yàn)時，先將試樣以10℃/s 的加熱速度加熱至1180℃，保溫120s；以5℃/s 的冷卻速度將試樣降溫至1050℃，以3mm/s 的速度進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。為確保試樣拉斷，夾塊位移選擇15mm(試樣有效加熱區(qū)20mm)。
展開 
07:36 ABAQUS拉伸試驗(yàn)仿真案例講解
07:36 ABAQUS拉伸試驗(yàn)仿真案例講解
超薄電子產(chǎn)品外殼用復(fù)合材料動態(tài)拉伸力學(xué)行為特征及其失效機(jī)理研究
本文使用注塑成型工藝制備玻璃纖維增強(qiáng) PC 復(fù)合材料，在 0.001～ 1000 s-1應(yīng)變率范圍內(nèi)開展纖維方向不同的玻璃纖維增強(qiáng)PC復(fù)合材料的拉伸力學(xué)行為實(shí)驗(yàn)研究，并結(jié)合掃描電鏡對材料的失效機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)分析。
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樣品制備
實(shí)驗(yàn)采用與商業(yè)化電子產(chǎn)品外殼相同的制備工藝——注塑成型，確保材料微觀結(jié)構(gòu)與實(shí)際產(chǎn)品一致。材料體系為短玻璃纖維增強(qiáng)PC復(fù)合材料，玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(biāo)準(zhǔn)測試試樣，模擬外殼注塑成型后不同位置的纖維取向狀態(tài)。
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(shè)計(jì)
不同應(yīng)變率下的拉伸實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。
準(zhǔn)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)在電子萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上（圖3）開展，試件標(biāo)距段長度為 7 mm，因此，設(shè)置拉伸速率為 0.007 mm/s。
圖3 25t電子萬能試驗(yàn)機(jī)
中應(yīng)變率拉伸實(shí)驗(yàn)設(shè)備為高速拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)（圖4），設(shè)置拉伸速率為 7 mm/s。
圖4 高速拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)
動態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)在分離式霍普金森桿裝置（見圖 5）上開展。動態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)中，采用高強(qiáng)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(nèi)圓環(huán)管，圓環(huán)管撞擊入射桿端部的法蘭盤，在入射桿內(nèi)部產(chǎn)生拉伸應(yīng)力波。當(dāng)應(yīng)力波傳遞到試件時，部分應(yīng)力波通過試件標(biāo)距段后向透射桿傳遞，另一部分應(yīng)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(yīng)變片記錄入射波、反射波和透射波的應(yīng)變信號。
展開 Abaqus纖維復(fù)合材料單面貼補(bǔ)修復(fù)拉伸試驗(yàn) ￥99
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Abaqus纖維復(fù)合材料單面貼補(bǔ)修復(fù)拉伸試驗(yàn)，已實(shí)現(xiàn)層合板斷裂，且已解決網(wǎng)格畸變問題，層間內(nèi)插cohesive單元，補(bǔ)片與母體間采用cohesive膠接，模型采用puck失效準(zhǔn)則
</div><div contenteditable="false" width="100%">
內(nèi)附有inp，puck Vumat 子程序
</div><p><br></p><p><br></p><p><br></p><figure style="text-align: center;" class="ql-align-center">
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展開 Abaqus纖維復(fù)合材料雙面貼補(bǔ)修復(fù)拉伸試驗(yàn) ￥89
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Abaqus纖維復(fù)合材料雙面貼補(bǔ)修復(fù)拉伸試驗(yàn)，已實(shí)現(xiàn)層合板斷裂，且已解決網(wǎng)格畸變問題，層間內(nèi)插cohesive單元，補(bǔ)片與母體間采用cohesive膠接，模型采用puck失效準(zhǔn)則
</div><p><br></p><p><br></p><p><br></p><p><br></p><figure style="text-align: center;" class="ql-align-center">
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