材料動態力學性能測試的案例
科技前沿 | 材料動態力學測試——霍普金森桿實驗
在航空、航天、汽車、運輸、包裝及其它軍事和民用領域中，工程材料可能會遇到像高速碰撞、爆炸這樣的沖擊加載情況，了解材料在沖擊加載下的力學響應，有助于各類材料的工程應用和工程設計。
對于材料來說，其在動載下的力學性能和在靜載下的力學性能是不同的。與準靜態實驗相比，進行高應變率下的動態實驗，依然是一個不小的挑戰。霍普金森拉伸實驗，對于有效并精確地獲取材料的應變率相關的應力-應變曲線，是非常好的動態實驗方式。
霍普金森桿（Hopkinson bar）是1993年公布的力學名詞。
是一種用于力學、工程與技術科學基礎學科、材料科學、機械工程領域的物理性能測試儀器。
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 原位納米力學測試系統——材料微觀力學性能
材料微觀力學性能原位測試儀器具有：微觀、原位、復合載荷、多物理場耦合四大特點，其中復合載荷、多物理場耦合特點在傳統宏觀力學測試儀中有應用，微觀、原位是不同于傳統宏觀力學測試試的特點。微觀測試：宏觀測試 傳統力學測試，（原位納米力學測試系統）針對的都是宏材尺度試件；微觀測試 微納米級；納米尺度下對試件材料進行力學性能測試；微納米力學測試相比于傳統的力學測試在測試精度上有著本質的提升，（原位納米力學測試系統）使得人類可以從更為微觀的理解材料的力學性能與微觀未知世界。原位：對材料進行力學性能測試中，通過掃描電子顯微鏡等儀器對載荷作用下材料變形損傷進行全程動態監測的一種力學測試新技術。（原位納米力學測試系統）原位測試儀器：在顯微成像設備的腔體內進行試驗材料拉伸/壓縮力學性能測試的系統；（原位納米力學測試系統）獲得彈性模量、屈服極限及破壞極限等重要力學參數；并結合顯微成像設備的圖像記錄功能材料的損傷變形、裂紋產生等力學行為分析。 （原位納米力學測試系統）離位測試：試驗機對材料試作進行拉伸試樣；由試驗機繪出載荷-伸長曲線，進而得到載荷作用下應力應變曲線圖；拿經過拉伸試驗的試件去掃描電鏡進行放大觀察分析，（原位納米力學測試系統）電鏡將試件放大到5000倍觀察即是微觀級別，放大到10000倍是納米級別。
納米力學主要研究納米尺度物質的力學性質和動力學問題，有非常廣泛和重要的科研和應用價值。傳統的力學系統通常由牛頓力學描述，（原位納米力學測試系統）而納米力學可以實現傳統力學體系無法實現的功能和動力學特性，近年來受到了廣泛的關注。產生超強非線性效應和非對稱的振動傳播，（原位納米力學測試系統）對未來該領域的基礎和應用研究起到了重要推動作用。 眾所周知，胡克定律是支配力學系統的重要規律，其可以表述為對于微小的形變，力學系統的響應是線性的。
展開 直播回顧 | 《材料準靜態力學性能測試及在材料分析中的應用》
高分子基復合材料作為一種新型材料，以其輕量、耐腐蝕及良好的力學性能等而倍受青睞。由于其優良的特性，復合材料的研究和應用得到了極大關注，目前已被廣泛應用于航空航天、電子、汽車及建筑等領域。作為表征材料性能和安全可靠性保證的手段，力學性能試驗方法及其標準化是關系到推進復合材料應用，如新產品開發設計階段通過模流分析進行材料結構設計、模具設計、原料選型等。
模流分析是注塑產品前期分析、模具設計和注塑成型常用的專業分析方法，廣泛應用于汽車、家電、通訊電子、軍工等模具注塑產品領域。
材料在常溫、靜載作用下的宏觀力學性能，是進行模流分析是必須要確定的力學參數。這些力學性能均需用標準試樣在材料試驗機上按照規定的試驗方法和程序測定，進而獲取材料的彈性模量、泊松比等材料性能結果。
上周四的國高材直播間繼續上周的“智能注塑之模流分析系列培訓課程”的第二節培訓課《材料準靜態力學性能測試及在材料分析中的應用》，龐老師向大家從實驗室設備硬件、軟件和實驗室人員技能精進的方法路徑三方面來展開準靜態力學性能培訓。
（部分直播PPT，完整版請至課程回看）
本周四的國高材直播間繼續上周的“智能注塑之模流分析系列培訓課程”的第三節培訓課《材料流變性能測試及在材料分析中的應用》，龐老師將向大家從實驗室設備硬件、軟件和實驗室人員技能精進的方法路徑三方面來展開材料流變性能培訓。
培訓時間：7月8日 17:00
培訓大綱：
1. 流變儀的種類及應用范圍
2. 設備選型及管理方法
3. 測試標準及操作介紹
4. 測試影響因素
5.
展開 
復合材料扭力測試力學性能研究
在材料科學與工程領域，復合材料憑借其優異的比強度、比剛度以及可設計性等特點，被廣泛應用于航空航天、汽車制造、新能源等諸多關鍵行業。而在這些應用場景中，復合材料部件往往需要承受不同程度的扭矩作用，其抗扭力學性能直接關系到整個結構的安全性與可靠性。因此，開展復合材料扭力測試力學性能研究具有至關重要的現實意義。
復合材料扭力測試力學性能研究涵蓋多個方面的關鍵內容。首先是測試方法的選擇與優化。由于復合材料具有各向異性、層間性能差異大等特性，傳統的金屬材料扭力測試方法并不完全適用。研究人員需要針對復合材料的特點，設計合適的試樣形狀與尺寸，比如考慮采用管狀試樣以減少應力集中，同時確定合理的加載速率和測試環境條件，確保測試結果能夠真實反映復合材料在實際工作狀態下的抗扭性能。
力學性能參數的獲取與分析
通過扭力測試，可以獲取復合材料的剪切強度、剪切模量、扭轉屈服強度等關鍵力學參數。這些參數是評估復合材料抗扭能力的重要依據，也是進行結構設計和強度校核的基礎。在測試過程中，需要精確測量扭矩與扭轉角之間的關系，繪制扭矩 - 扭轉角曲線，進而分析復合材料在不同扭矩作用下的變形規律、破壞模式以及能量吸收特性等。例如，觀察復合材料是發生層間剪切破壞、纖維斷裂還是基體開裂等，從而深入了解其抗扭失效機制。
復合材料扭力性能的因素研究
復合材料的扭力性能受到多種因素的影響，包括纖維種類、纖維含量與取向、基體材料性能、鋪層方式以及界面結合強度等。通過系統地改變這些因素，進行對比性扭力測試，可以明確各因素對復合材料抗扭性能的影響程度和規律。比如，研究發現纖維取向與扭矩方向一致時，復合材料的抗扭強度會顯著提高；而界面結合強度不足則容易導致層間剝離，降低其整體抗扭性能。
展開 連續纖維增強復合材料力學性能測試方法
基于ABAQUS對連續纖維增強復合材料進行仿真時，我們需要獲得纖維板的基礎力學性能參數，一般通過兩種途徑：（1）當不具備實驗測試條件時，可以查閱相關文獻資料，但是常常不能匹配我們使用的特定材料。（2）具備實驗測試條件，一般高校實驗室是配備相關儀器的，這時我們根據相關標準，制作標準樣條，測試纖維板的力學性能。
在ABAQUS中我們常用下圖中所示的面板設置纖維復合材料的彈性參數和強度參數。
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
目前工程材料的工作環境往往涉及到爆炸、高速沖擊、切削、高溫、高應變率等極端條件，此時材料的動態力學性能是人們非常關心的一個重要問題。這類載荷作用時間一般較短(微秒乃至納秒)、沖擊強度高,足以引起大變形乃至破壞，所以研究材料在沖擊載荷作用下的力學性能具有重要的工程意義。
一般情況下材料的準靜態的應變率在10-5~10-2 s-1之間，其動態沖擊的高應變率往往在102 ~104 s-1之間，甚至會達到106 s-1(應變率即應變變化的速率，指單位時間產生的應變)。一般材料在準靜態和沖擊載荷下的力學性能存在著較大的差異，即應變率相關性，隨著應變率的增加，慣性效應與研究對象的物理性能（應變率效應）分離開來。下表為各種加載方式所能滿足的加載應變率范圍以及對應力波的影響。
目前，在高應變率沖擊測試中，人們普遍使用的是Hopkinson(霍普金森)桿，霍普金森裝置，英文簡稱 SHP(T)B，應變率范圍 102～104。
SHPB實驗裝置圖
SHPB 實驗的基本原理建立在二個基本假定的基礎上，即一維假定(又稱平面假定)和應力均勻假定。一維假定認為應力波在細長桿的傳播過程中，彈性桿中的每個橫截面始終保持為平面狀態；應力均勻假定認為應力波在試件中反復 2～3個來回，試件中的應力處處相等。由此可利用一維應力式中 C0、A、E、A0、L 分別為彈性桿的波速、橫截面積、彈性模量、試件的橫截面積及原始長度．由此得到試件的動態應力、應變、應變率隨時間變化趨勢，進而在時間尺度上得出三者之間的對應關系。
展開 關于舉辦第七期全國復合材料成型工藝及力學性能 標準化測試培訓班的通知
第七期成型工藝培訓通知.docx
慧通測控汽車門鎖測試系統：力學性能測試系統解決方案
汽車門鎖作為汽車被動安全體系的核心部件，其性能可靠性直接關乎駕乘人員的生命安全，而極端溫度環境下的力學性能表現，更是衡量門鎖品質的關鍵指標。在汽車產業對零部件測試要求日益嚴苛的當下，北京沃華慧通測控技術有限公司推出的汽車門鎖測試系統（高低溫環境），以專業的測試方案、精準的技術參數和貼合國標要求的設計，為汽車門鎖的力學性能檢測提供了智能化解決方案，成為汽車零部件檢測領域的重要利器。
設備整體設計：適配極端環境，布局科學便捷
這款測試系統專為汽車門鎖力學性能測試打造，核心由測試軸及夾具調整臺構成，測試工位采用獨立模組設計，常溫狀態下測試模組置于控制柜上方，布局緊湊且操作便捷。
為應對不同氣候工況下的門鎖性能檢測需求，設備可靈活配置高低溫箱，能精準控制被測樣品處于 - 40℃至 85℃的極端溫度環境中完成測試，完美模擬北方極寒、南方高溫等不同地域的實際使用場景，有效驗證門鎖在溫度劇烈變化下的性能穩定性。
測試標準與工作原理：貼合國標，數據精準可視化
遵循國標檢測，結果權威合規
系統嚴格遵循GB 15086-2013《汽車門鎖及車門保持件的性能要求和試驗方法》，該標準為汽車門鎖檢測核心依據，確保測試結果的權威性和合規性，為汽車零部件企業產品研發、質量把控提供符合行業規范的檢測支撐。
核心驅動原理，全維度檢測性能
系統核心測試軸由伺服電機驅動，通過電缸帶動鋼絲繩拉動鎖芯開關，設備末端搭載高低溫測力傳感器，測試過程中，傳感器捕捉的力與位移數據配合軟件運算，可自動繪制力與位移曲線圖，實現測試數據可視化、直觀化。
展開 船用隔振器動態性能測試方法研究
由此可見，在進行橢圓法動態性能試驗時，激振頻率、激振位移幅值的選值，對測試結果有著較大的影響。這將為隔振器動態性能試驗的準確性評估提供參考依據。
引用本文：
周煥陽，姚明格，張望，劉浩，孫航.船用隔振器動態性能測試方法研究[J].環境技術,2022,40(04):151-156.
文章來源：環境技術核心期刊
【iSolver案例分享28】吸力桶(Suction caisson)的力學性能測試
【iSolver案例分享28】吸力桶(Suction caisson)的力學性能測試
1. 模型背景
該模型為3維模型，為海洋巖土工程中吸力桶的力學性能測試。吸力桶在海洋巖土工程中應用廣泛，例如用于支撐海上風機，用以船舶系停，用以安裝平板錨等。
吸力桶(Suction caisson)材料為鋼材，密度為7.85,彈性模量為215GPa,泊松比為0.28。桶的尺寸為一般海洋巖土工程中的尺寸，直徑為10m,桶長為6m,桶厚與頂蓋厚皆為0.1m。
2. 建模
模型網格劃分C3D8單元
邊界條件：底部固定，桶的外側施加50kPa的壓強
分成10個增量步，每個增量步0.1s，后臺采用iSolver求解器計算
3.
展開 
汽車物理按鍵按壓力測試：力學性能與操作便捷性的權衡
在汽車智能化與電動化的發展浪潮中，物理按鍵作為汽車人機交互系統的重要組成部分，其性能直接關系到用戶操作的便捷性與駕駛安全性。盡管車載觸控屏逐漸普及，但物理按鍵在駕駛過程中具有盲操作準確、反饋直接等不可替代的優勢。因此，對汽車物理按鍵進行全面、科學的測試，確保其在各種工況下的穩定性能，成為提升汽車整體品質的關鍵環節。
一、功能測試
（一）基礎功能驗證
汽車物理按鍵的基礎功能驗證是測試的首要環節。需逐一確認每個按鍵的功能是否與設計預期一致，例如音量調節按鍵能否實現音量的增減，空調控制按鍵能否準確啟動相應的制冷、制熱或風量調節功能，換擋按鍵能否順暢地在不同擋位間切換等。同時，要嚴格檢測按鍵的觸發延遲，理想狀態下延遲應≤50ms，以避免因延遲過長影響用戶操作體驗。此外，在暗光環境下，需檢查按鍵背光是否均勻亮起，背光顏色是否符合設計標準，通常要求 RGB 色溫偏差≤5%，并且按鍵按下時背光應具備合理的動態反饋，如亮度漸變效果，以增強用戶的操作感知。
（二）交互邏輯測試
交互邏輯測試旨在確保按鍵在不同操作方式下的準確性。明確區分長按和短按的功能差異，一般來說，長按閾值設定為 2-3 秒，例如長按電源鍵應觸發系統關機，短按則實現鎖屏功能。同時，要模擬駕駛過程中駕駛員手臂無意觸碰按鍵的場景，檢測按鍵是否具備有效的防誤觸機制。這可以通過優化按鍵的凸起角度、合理調節按壓阻力等方式來實現，從而減少誤觸情況的發生，保障駕駛過程中的操作安全性。
二、耐用性與可靠性測試
（一）機械壽命測試
機械壽命是衡量物理按鍵耐用性的核心指標。通過自動化測試設備以 50-60 次 / 分鐘的頻率對按鍵進行按壓測試，普通車型的按鍵目標壽命需達到 10 萬次以上，而豪華車型的按鍵壽命要求更高，需≥20 萬次。
展開 【iSolver案例分享44】多螺片螺旋樁的抗拔力學性能測試
【iSolver案例分享44】多螺片螺旋樁的抗拔力學性能測試
1. 模型背景
該模型為3維模型，為海洋巖土工程中螺旋錨(或螺旋樁)的抗拔力學性能測試。螺旋錨在海洋巖土工程中的應用具有極大的前景，例如用于錨固海上風機等。
螺旋錨(Helical Pile)材料為鋼材，彈性模量為215GPa,泊松比為0.28。錨的尺寸為一般海洋巖土工程中的尺寸，桿的長度為7m,桿的直徑為0.5m,螺的直徑為1m,厚度為0.05m。
2. 建模
樁頂部受錨鏈拉拔荷載(100kPa),樁底部和螺片固定
螺旋樁的網格劃分
3. 結果對比
1) 應力
米塞斯應力
iSolver結果：
Abaqus結果：
2) 總應變
iSolver結果：
Abaqus結果：
3) 位移
iSolver結果：
Abaqus結果：
4） 支座反力
iSolver結果：
Abaqus結果：
4. iSolver免費下載
iSolver為免費軟件，且無license限制，最新版免費下載地址如下：
https://www.yqgqt.org.cn/content/post/337351
5.
展開 材料力學性能
一本很不錯的材料力學基本概念的書，請到資料庫下載：
材料力學性能.rar
金屬材料力學性能檢測
對于脆性材料彎曲試驗一般只產生少量的塑性變形即可破壞，而對于塑性材料則不能測出彎曲斷裂強度，但可檢驗其延展性和均勻性展性和均勻性。塑性材料的彎曲試驗稱為冷彎試驗。試驗時將試樣加載，使其彎曲到一定程度，觀察試樣表面有無裂縫。
彎曲試驗應用：1、可以測定灰鑄鐵的抗彎強度。灰鑄鐵的抗彎性能優于抗拉性能，其抗彎強度是灰鑄鐵的重要力學性能指標。2、可以測定硬質合金的抗彎強度。這些材料加工困難，難易制成拉伸試樣。而彎曲試樣形狀簡單，故利用彎曲試驗評價其性能和質量。3、可以測量陶瓷材料、工具鋼的抗彎強度。這些脆性材料測定抗拉強度很困難，且試樣加工也比較困難，因而采用彎曲試驗。4可以用來檢測和比較表面熱處理層的質量和性能。因彎曲試驗對材料表面缺陷敏感。5、可以用來檢測材料在受彎曲載荷下作用下的性能,因為許多機械零件(如脆性材料制作的刀具等)是在彎曲狀態下工作的,需要對這些零件進行彎曲試驗。
3、沖擊試驗一種動態力學性能試驗，主要用來測定沖斷一定形狀的試樣所消耗的功，又叫沖擊韌性試驗。
根據試樣形狀和破斷方式，沖擊試驗分為彎曲沖擊試驗、扭轉沖擊試驗和拉伸沖擊試驗三種。橫梁式彎曲沖擊試驗法操作簡單，應用廣。按試驗溫度常分為常溫沖擊試驗、低溫沖擊試驗。韌性是材料承受載荷作用導致發生斷裂的過程中吸收能量的特性。沖擊吸收功的測量原理為沖擊前以擺錘位能形式存在的能量中的一部分被試樣在受沖擊后發生斷裂的過程中所吸收。擺錘的起始高度與它沖斷試樣后達到的大高度之間的差值可以直接轉換成試樣在沖斷過程中所消耗的能量，試樣吸收的功稱為沖擊功（Ak）。采用系列沖擊試驗，即測定材料在不同溫度下的沖擊吸收功，可以確定其韌脆轉變溫度，即當溫度下降時，由韌性轉變成脆性行為的溫度范圍，在Ak-T曲線上表現為Ak值顯著降低的溫度。
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