高應變率測試的案例
技術分享 | 樣條類型對汽車用PP高應變率測試的影響
國高材分析測試中心高應變率測試系統
系統參數
拉伸速度：0.01~12 m/s
最大載荷：25 KN
采集頻率：~5MHz
作動器總行程：250 mm
驅動裝置：液壓伺服式驅動
測試溫度：-40～150℃
應變測量：非接觸式引伸計
（線掃相機、高速相機橫梁位移傳感器）
可輸出結果
0.01～100/s應變速率測試
-40 ℃ ～150℃范圍測試
工程應力-應變曲線
屈服應力
斷裂伸長率
斷裂強度……
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 《Science》子刊重磅：首次定量描述材料高應變率下的失效過程！
利用布拉格衍射法同時確定了彈性應變狀態。實驗的時間尺度直接可與MD模擬中實現的時間尺度進行比較。飛秒分辨率原位超細-SAXS定量表征了高應變速率的散裂破壞，彌補了WAXS的缺陷，具有重要的應用價值。這項工作展示了，可以在XFEL源上進行的科學范圍的擴展，并提供了對動態高應變率破壞過程中第一個定量測定。（文：水生）
基于Abaqus的高純鋁不同應變率下單晶塑性變形的取向依賴性研究
文章題目：《Strain rate effect of high purity aluminum single
crystals: Experiments and simulations》
文章doi：10.1016/j.ijplas.2014.10.002
推薦理由：作者研究了高純鋁不同應變率下單晶塑性變形的取向依賴性，不同應變率下的流動應力情況通過Laue Back-Reflection 技術測量，并提出了兩類單晶本構模型用于預測單晶不同應變率的應力響應的能力，研究表明，相較于傳統的單晶冪律流動模型，所提出的另外的唯象和位錯密度模型很好捕捉了應變率效應，提出的唯象模型參數少，便于擬合，物理模型參數更多，但物理意義更明確，這在捕捉單晶多滑移系開動時提供了更準確的預測（更接近實驗結果）。
展開 
東華大學葉長懷/廖耀祖ACS AMI：基于生物可再生原料制備高電導率水性導電油墨用于電磁屏蔽、焦耳加熱和應變傳感
然而，傳統導電油墨往往存在與基底結合力弱、導電粒子分散需要使用大量有機溶劑、電導率不夠高等問題，限制了其在很多領域的進一步應用。
近日，東華大學朱美芳院士團隊葉長懷、廖耀祖研究員基于生物可再生原料殼聚糖（chitosan）與二元酸在水中形成生物基有機鹽溶液，與銀納米線復合制備了一系列超高電導率的水性導電墨水（圖1），為綠色制備高電導率、高耐久性導電復合涂層提供了一種通用方法。
圖 1 SA-chitosan生物基有機鹽、導電墨水、導電涂層的制備流程圖
水性的生物基SA-chitosan有機鹽涂層在簡單的加熱后形成高度交聯的網絡結構，賦予導電復合涂層良好的耐熱和耐溶劑性，使其有望在惡劣環境中使用。導電粒子AgNW 嵌入高度交聯的SA-chitosan聚合物基體中，該聚合物基體一方面隔絕導電粒子與外界環境的接觸減緩AgNW的氧化（圖2），另一方面可增強與基底材料的粘附力，如在反復剝離試驗后仍保持優異的電導率（圖3）。
圖 2. 導電復合涂層的電導率及耐高溫、耐有機溶劑特性
圖 3. 導電涂層抗反復彎曲、折疊、剝離特性
由于導電復合涂層超高的電導率，厚度僅為 10 μm 的 SA-chitosan/AgNWs 涂層具有 高達73.3 dB 電磁屏蔽 (EMI) 效能（圖4）。他們將這種導電油墨用來制備功能性導電織物，這種織物表現出優異的電磁屏蔽（圖5）、焦耳加熱（圖6）和應變傳感性能（圖7）。
展開 設計仿真 | Digimat用于碰撞、沖擊模擬熱塑性塑料材料解決方案
摘 要
為了準確預測零件強度和吸收能量，Envalior通過高應變率拉伸實驗創建了Digimat材料卡片。Digimat材料卡片能夠模擬各向異性粘彈性/粘塑性材料行為。此外，材料卡片中包含失效指標，使用戶能夠通過有限元分析（FEA）結果的后處理快速輕松地識別關鍵位置。
Part.01
引 言
在設計承重部件時，可預測性是關鍵。可預測性縮短了開發時間，實現了首次正確的設計，并確保了零件在使用中的性能。雖然大多數拉伸桿實驗都是在低應變率下進行的，并且用于靜載荷情況，但本用例側重于模擬注塑玻璃纖維增強塑料的高應變率各向異性應力-應變行為。這些類型的測量是準確評估碰撞和跌落測試性能所必需的。在有限元模擬中使用材料性能建模的結果，并將模擬結果與實驗驗證進行比較。
Part.02
基礎材料屬性建模
正確的建模能夠引導設計，同時減少設計迭代次數。纖維增強塑料通常具有高度各向異性，對性能有顯著影響。因此需要考慮局部纖維取向和由此產生的性能影響。
先進的建模工具可以成功預測：
? 纖維取向
? 纖維取向對材料力學行為的影響
? 零件性能：例如剛度、強度、碰撞、噪聲、振動和聲振粗糙度（NVH）、尺寸穩定性、蠕變、疲勞等
大多數拉伸試驗是在約0.001 s-1的應變率下進行的。在較高的應變率下，熱塑性材料的應力-應變行為會發生顯著變化，表現出剛度和強度的增加。因此，使用從不同取向（0°、45°和90°）的注塑板銑削而成的拉伸桿試件，在0.001至100 s-1的范圍內進行了應力-應變試驗。
在高應變率測試中進行精確的應變評估并非易事。目前最先進的技術是使用數字圖像相關方法。這是一種非接觸式的基于圖像的技術，需要用高分辨率、高幀率的相機記錄試樣表面變形。圖像分析軟件用于從這些圖像中評估應變場。
展開 基于Digimat的玻纖增強PA66油底殼振動異響仿真與試驗對標研究
</span></p><p>因此，為了準確預測此類纖維增強復合材料零部件（如油底殼）在復雜載荷下的性能，尤其是涉及高應變率場景（如碰撞、跌落測試）的性能評估，亟需開發并應用能夠模擬其各向異性應力-應變行為的材料模型。這些模型需要精確反映材料在高應變率下的響應特性，并將模擬結果與實驗驗證進行比較。</p><p><br></p><p><br></p><p><strong>Part.02</strong></p><p><strong>材料模型構建</strong></p><p><br></p><p>纖維增強塑料通常具有高度各向異性，對性能有很大影響。因此需要考慮局部纖維取向和由此產生的性能影響。</p><p><strong>先進的建模工具可以成功預測：</strong></p><p>? 纖維取向</p><p>? 纖維取向對材料力學行為的影響</p><p>? 零件性能：例如剛度、強度、碰撞、噪聲、振動和聲振粗糙度（NVH）、尺寸穩定性、蠕變、疲勞等</p><p>大多數拉伸試驗是在約0.001 s<sup>-1</sup>的應變率下進行的。在較高的應變率下，熱塑性材料的應力-應變行為會發生很大變化，表現出剛度和強度的增加。因此，使用從不同取向（0°、45°和90°）的注塑板銑削而成的拉伸桿試件，在0.001至100 s<sup>-1</sup>的范圍內進行了應力-應變試驗。</p><p><br></p><p>在高應變率測試中進行準確的應變評估并非易事。目前先進的技術是使用數字圖像相關方法。這是一種非接觸式的基于圖像的技術，需要用高分辨率、高幀率的相機記錄試樣表面變形。圖像分析軟件用于從這些圖像中評估應變場。為了獲得準確的結果，需要一個具有明顯特征的圖案的試樣表面。這是通過使用噴散斑的方式創建的（見下圖2）。
展開 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 汽車碰撞安全與輕量化研發中的若干挑戰性課題
圖 10 高精度材料模型在汽車輕量化結構上的開發應用
2.8 材料大變形沖擊測試技術
中高應變率材料沖擊試驗中的載荷測量失真一直是材料沖擊力學性能測試中的難題，在102 /s應變率量級的材料力學性能測試中，載荷傳感器獲得的沖擊載荷信號耦合了傳遞路徑的系統響應，呈現明顯的振蕩，難以從中提取正確的材料自身力學響應，無法滿足車身結構耐撞性及輕量化的設計仿真分析需求。
針對主流沖擊測試系統的核心組件載荷傳遞路徑，通過分析中高應變率沖擊力學性能測試中載荷信號振蕩失真的根源（圖11），我們發現，載荷信號與測試過程中的載荷輸入、試樣形式、夾持方式和測量裝置密切相關，進而揭示了夾具和測量組件的質量、剛度和阻尼對系統振蕩的影響規律，提出了通過調整載荷測量環節固有頻率消除系統振蕩的關鍵思路，將被測對象（材料試件）納入到沖擊測試力學系統中，提出了集成載荷傳感器的輕型夾具工裝設計方法，用于中高應變率的材料動態試驗，有效消除了力測量信號中的振蕩[46-48]。
圖11 有效消除材料動態試驗中沖擊力測量信號振蕩的技術
除了測試系統參數外，被測材料的力學屬性也會對動態載荷測量信號質量產生影響。對于具有明顯屈服平臺的材料（例如HSLA340），當目標應變率達到200s-1的時候，使用了前述的集成載荷傳感器輕型夾具也不能有效抑制載荷信號振蕩，這對材料硬化行為的表征帶來很大困難。研究發現，引起載荷信號振蕩的原因是，材料的切線模量在彈性與塑性過渡區發生較急劇的變化，從而引起測試系統的諧振。對此，我們提出了對材料進行預加載，使材料越過屈服平臺，卸載之后進行動態沖擊測試的試驗方案。試驗與仿真結果表明該方法可顯著減小載荷信號振蕩，提高材料在中高應變率下塑性行為表征的精度[49]。
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