高速拉伸試驗機的案例
國高材分享 | 如何準確獲得應變速率0.001/s 至1000/s區(qū)間的應力-應變曲線
為什么準靜態(tài)拉伸試樣總長要比高速拉伸試樣總長要長？這與準靜態(tài)拉伸試驗機的夾持系統有關。相對于高速拉伸試驗機的夾持系統，準靜態(tài)拉伸試驗機的夾持系統要龐大些，小小試樣被夾在里面，要是試樣個子不高些，光學應變測量系統看不見。
（三）力值校準
為了獲得應變速率0.001/s -1000/s之間每個應變速率的測試，需要不同的力值測量設備。準靜態(tài)拉伸試驗機和高速拉伸試驗機工作原理不同，要將此兩套測力設備的測試結果有機的整合，需要對其測試結果進行驗證。
驗證方法是測試試樣規(guī)格相同（試樣平行部長寬一致，夾持端長度不同），測試速率相同，測試材料相同（同一張板料上取樣），應變測量設備相同，就是測力設備不同。試驗后，對標兩套力值測量設備所獲得的應力-應變曲線的一致性。
如何獲得應變速率0.001/s 至1000/s區(qū)間的應力-應變曲線的第四個設計-同步出發(fā)與同步采集，明天繼續(xù)。
(四）數據同步采集
光學應變測量系統負責應變的測量，準靜態(tài)拉伸試驗機或者高速拉伸試驗機負責應力的測量，將應變和應力合在一起，需要解決應變和應力同步采集的問題。
對于準靜態(tài)拉伸試驗，光學應變測量系統與準靜態(tài)拉伸試驗機相互配合，做到數據同步采集不難。由于拉伸速度較慢，即使兩者采集開始時間相差幾微秒，在最后的結果-應力-應變曲線上，也很難看出區(qū)別。但對于高速拉伸試驗，如果光學應變測量系統與高速拉伸試驗機數據采集開始時間相差幾微秒，結果則會被改寫。
展開 技術分享 | 樣條類型對汽車用PP高應變率測試的影響
經過計算，1A,1BA,S3A樣條的高速拉伸測試所得應力－應變曲線中（圖1、圖2、圖3)屈服前近直線段的斜率相應為718.00,3910.00,1262.22。
采用1BA樣條測試時，載荷加載速度最快，S3A樣條次之。因此，當采用高速拉伸試驗機進行車用PP的高速拉伸測試時，優(yōu)選1BA樣條。
2.4樣條類型對斷裂伸長率測試的影響
斷裂伸長率一直是拉伸測試關注的焦點，它可以評價材料的力學性能、反應材料的韌性。采用1A,1BA,S3A樣條進行應變速率為100.00,10.00,1.00,0.10,0.01s^-1的拉伸測試，得出斷裂伸長率如表3所示。
表3 樣條在不同應變速率下的斷裂伸長率
PP是應變敏感性材料，即斷裂伸長率隨著應變速率的增加而降低。采用1A樣條與1BA樣條測試時，得出的應變速率與斷裂伸長率的關系與此規(guī)律相符。而采用S3A樣條測試時得出的應變速率與斷裂伸長率的關系是無規(guī)律的。所以，從測試斷裂伸長率角度出發(fā)，當采用高速拉伸試驗機測試時，優(yōu)選1A與1BA樣條。
結論
Conclusion
當采用高速拉伸試驗機進行車用PP測試時：a)1BA樣條測試效果相對較好，建議在條件允許的情況下，盡量不選擇S3A樣條進行高速拉伸測試；b)3種試樣載何震蕩效果上都存在缺點，高速拉伸的試樣規(guī)格需要進一步優(yōu)化；c)雖然測試的是同一種材料，但是只是改變了樣條的形式，3種樣條測試得出的屈服應力有很大差異，其原因則有待進一步探索。
展開 車用PP高應變速率下的應力-應變曲線獲得方法研究
通常有兩種方法:采用方程擬合法;采用液壓原理的高速拉伸試驗機測試。結果表明，采用方程擬合的方法可以得到比測試得出的最高應變速率高出兩個數量級的曲線及特征值；對于達到峰值應力后應力變化較小的曲線,方程擬合法準確性較好，對于達到峰值應力后應力降低或增加的材料，方程擬合法的準確度稍弱。
關鍵詞：高速拉伸 方程擬合法 直接測試法 非接觸式引伸計 CAE分析
汽車在進行碰撞過程中,整個過程只有0.1～0.2 s,會產生大量的能量吸收與轉移,而這個能量吸收與轉移的能力與材料有關。然而困擾汽車設計的一大難題就是選材。現階段,車用材料制備結構件需要前期進行更多的模擬試驗,CAE動態(tài)分析是不可或缺的。而車用材料CAE分析面臨著動態(tài)拉伸數據獲得難的問題,也就是說高應變速率下(如應變速率大于1 s-1)的應力-應變曲線獲得相當困難。需要材料在高應變速率下的拉伸數據。
目前國際上針對非金屬材料的高速拉伸測試方法主要有兩個:采用ISO 18872:2007《塑料高應變速率下的拉伸性能測試》(由金發(fā)科技股份有限公司聯合其他單位已經將其等效轉化為國家標準發(fā)布,以下簡稱方程擬合法)和采用高速拉伸試驗機直接進行測試——直接測試法。方程擬合法是針對塑料高速拉伸測試的標準,計算出塑料在高速下的力學性能。而直接測試法主要是指使用高速拉伸設備直接測試。
01測試原理
方程擬合法:依據ISO 527-2:2012,拉伸應力-應變曲線在0.1～100 mm/s選定速度下測試獲得。同時,測量泊松比隨應變的變化。由測試結果,可計算出各應變速率下的真實應力和真實塑性應變值。通過數學函數方程可對各應力-塑性應變曲線進行準確模擬。同時,也可以建模分析此函數中的參數隨應變速率的變化,從而外推得出較高應變速率下的參數值。通過計算就可獲得較高應變速率下的應力-應變曲線。
展開 家電的零部件結構強度、跌落性能，如何做仿真分析？
泊松比獲取方法：
根據靜態(tài)拉伸試驗機測得材料的靜態(tài)拉伸工程應力-應變曲線、材料的彈性模型；配合橫向引伸計和縱向引伸計計算得出材料的泊松比；或者用高速相機計算橫向和縱向變形計算泊松比。
應力-應變曲線：
用高速拉伸試驗機測得材料在不同應變率下的工程應力應變數據，然后計算出真實應力應變數據，再減去彈性變形，得到仿真分析用到的塑性應變-應力曲線。
2、跌落仿真分析速度慢：
3、跌落仿真分析結果精度偏低：目前帶包裝的跌落仿真的仿真度偏低是整個行業(yè)的弱勢，精度粗估在60%到75%左右吧。在包裝仿真方面，大家提出以下幾個觀點：
1）在配合包裝仿真分析的物理驗證試驗過程中，建議配上高速攝像機，國高材分析測試中心的高速拉伸試驗機，配備高速相機，據說效果杠杠的；
2）包裝仿真一般是指方向，不求精確；
3）跌落仿真中基于材料參數，模型準確性，模型完整性的原因，仿真度很難很高，同時在包裝崗位的仿真分析工作中，可以在產品設計之初對結構進行靜力強度分析，根據分析結果評估包裝方案。
（材料仿真系列課程）
問題二：實際問題分析中如何計算受力大小？
Q：有一個問題咨詢下大家，一個插座通過許多插針固定在PCB板上，假設其可受力50N，如何通過仿真判斷其包裝是否可靠？插座上針都畫成網格很困難，只能虛擬裝配下，如何計算其跌落過程中受力大小？
觀點如下：
1）帶包裝的可靠性的話可以在跌落仿真中設置與實驗條件等同的分析狀態(tài)進行沖擊仿真，根據分析結果查看支座反力；
2） 汽車仿真比較關注網格質量因素，在這方面包裝跌落仿真也可以參考下。
展開 
技術研究 | 為了提高高速拉伸測試結果準確性，我們都長”斑“了
背景描述
在高速拉伸測試過程中，基于一個假設條件：試樣的延伸都發(fā)生在平行段內，可由該公式求得試驗速度v=應變率*平行段長度。但實際測試過程中，試樣的延伸往往不止發(fā)生在平行段內，還會在試樣頸部或肩部區(qū)域，這就導致了實際應變率與設定應變率總有差異。
本研究通過對比不同樣條的測試結果，優(yōu)選出應變率最精確的試樣類型，從而提升測試精度，最終得到準確的應力-應變曲線。實驗利用DIC技術測量試樣的應變，散斑圖作為DIC技術的不可缺少的部分有著重要的意義。散斑圖是指具有一定灰度分布的數字圖像，試驗中如何制作穩(wěn)定有效的散斑圖能提高樣條的應變測試結果。
案例解決過程
（1）試驗材料與儀器與樣條類型
實驗儀器圖：帶高速相機的高速拉伸試驗機
（2）DIC應變測量方法原理
測試前在試樣表面制作散斑，使用高速攝像機拍攝拉伸的全過程，然后用計算機處理所拍到的數字圖像（散斑圖），通過對比試樣表面在變形前后的散斑圖，運用相關算法求出試樣的全場位移與應變。不同應變率試驗高速攝像機需使用不同的拍攝幀數，應變率越高拍攝幀數也要相應地提高。為保證處理數據能得到應力-應變曲線，高速攝像機的拍攝幀數需與高速拉伸試驗機的力值采集頻率相同。原理簡示圖如圖1，計算機通過分析虛擬引伸計的長度變化得出試樣的應變-時間曲線。
圖1試樣的應變-時間曲線
案例結果與分析
（1）樣條的斷裂現象分析
1A、1B、1BA、Type 3試樣均為啞鈴型。啞鈴型設計是為了避免斷裂發(fā)生在標距外的情況，標距外的斷裂會導致測試結果出現偏離。試驗結果表明啞鈴型試樣在標距內斷裂，結果有效，而直條型試樣斷裂在夾鉗位置，結果無效。
圖2試樣斷裂
（2）應變-時間曲線分析
高速相機拍攝拉伸的整個過程，再通過計算機DIC技術得出試樣從拉伸開始到斷裂的應變-時間曲線，如圖10~12。
展開 室溫下金屬圓棒試樣高應變速率拉伸試驗影響因素分析
測試設備為液壓伺服型高速拉伸試驗機和高速相機及數字圖像處理系統。
基于國內外行業(yè)研究現狀，該試驗考察了8個影響因素：夾具材料、相機角度/距離、試驗材料、應變測試、樣條形狀/標距、試樣夾持端長度、應力測試、應變速率。按照DFSS（6西格瑪設計）進行正交試驗，各影響因素的水平設置如表1所示。
表1 圓棒試樣高應變速率拉伸的DISS設計方案
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試驗結果與分析
2.1 夾具材料選擇
拉伸試驗采用螺紋旋緊夾持方式：夾具內螺紋長度大于圓棒試樣螺紋端長度，確保試樣螺紋全部擰入。利用現有高速拉伸設備，加工了 M12 mm 內螺紋的 45 鋼和鈦合金兩種夾具，熱處理后硬度分別為 31 HRC 和 30 HRC。在 500 s?1 應變速率下對 AlSi10Mg 試樣進行拉伸，結果如圖 1 所示：鈦合金夾具測得的曲線振蕩幅值明顯低于 45 鋼夾具，因此后續(xù)試驗均選用鈦合金夾具。
圖1 AlSi10Mg鋁合金在不同材料夾具下的力-位移曲線
2.2 相機角度/距離的調節(jié)
試驗發(fā)現，當試樣的直徑確定后，兩臺相機的距離和角度基本固定，因此只要能夠標定出相機清楚圖像，距離和角度不需做出改變。
2.3 試驗材料對高速拉伸試驗的影響
在應變速率 1 s?1 條件下測得鑄鐵及鑄鋁的應力-應變曲線，如圖 2 所示。通過設備自帶的力傳感器測試應力，使用一臺相機測試應變。可見同組試樣的試驗曲線平滑且重合性好，與靜態(tài)拉伸試驗機測得的應力-應變曲線相近。改變各項測試控制因子并觀察曲線，同組試驗結果仍然相似，因此接下來重點考察應變速率為100 s?1和500 s?1的情況。
展開 金屬圓棒膠粘接頭在高拉伸速率下的抗拉強度評價方法
圖2 膠粘接頭典型失效模式
測試目的
本實驗主要對比相同膠粘對接接頭在不同溫度和不同拉伸速率下的抗拉強度以及失效模式，實驗設計如表1所示，同時結合客戶的關注點（曲線的異常分析，抗拉強度的重復性，失效模式的分析等）對測試結果進行對比分析。
表1 對接高速拉伸測試方案
測試方案
4.1 測試設備
高速拉伸試驗機（上拉式），該設備最高可實現20m/s的拉伸速度。高速相機，拍攝視頻，分析樣品的失效過程。
圖3 國高材分析測試中心高速拉伸試驗機配備高速相機
4.2 測試流程
1）樣品調節(jié)：測試前，樣品在相應測試溫度的環(huán)境箱中放置至少2個小時，使樣品溫度達到測試溫度并均勻分布。
2）夾持樣品：樣品夾持有2種方式可供選擇，圖4（a）為楔形夾具直接夾持，圖4（b）通過基材與夾具上的穿孔用插銷固定，后者可以避免樣品在測試過程中打滑。在夾持時，應保證樣品與夾具的對中，使受力沿軸線位置，夾持間距為80mm。
圖4 對接拉伸樣品夾持方式
3）調整相機：調整相機位置，調整光圈大小與焦距，使其聚焦到對接樣品的膠粘區(qū)域，如圖5所示。根據測試速度選擇合適的圖像采集頻率，本試驗中使用10kHz的采集頻率。
圖5 高速相機拍攝畫面
結果分析
5.1 拉伸載荷-位移曲線及粘接強度
對接樣品在不同溫度以及拉伸速率下的載荷-位移曲線如圖7~9所示，曲線的斜率代表了對接樣品的整體剛度，由膠粘劑的拉伸模量、被粘基板的拉伸剛度、粘接面積等因素決定，可以看到，曲線初始階段力值隨位移緩慢增加，隨后曲線斜率增大，圖7（a）（b）（c），圖8（a）（c）更為明顯，這與如圖10所示高速相機拍攝的拉伸過程對應。
展開 某60Hz汽輪機轉子高速動平衡試驗研究
尤其是計算的第一階臨界轉速與實測的非常接近，而二階和三階臨界轉速與實測值存在一定的誤差，且從圖中兩軸承處紅點的偏離位移可以看出擺架振動對整個轉子系統的二階和三階振型影響較大，因此該高速動平衡機擺架對轉子系統高階臨界轉速影響較大。
由于在建模過程中將該高速動平衡機的擺架簡化為單自由度結構，且其動力特性系數掌握的不是十分準確，因此計算的高階臨界轉速與實測存在一定的誤差。
雖然高階臨界轉速值存在一定誤差，但各階臨界轉速對應的振型可指導轉子平衡時加重平面的合理選擇，再結合常規(guī)的影響系數法對轉子實施動平衡，可以避免依據振型節(jié)點進行加重時由于靈敏度不高而導致加重不合理現象。
3．轉子的高速動平衡試驗
3.1 平衡設備
高速動平衡試驗設備為德國 SCHENCK 公司的DH90 型支撐擺架，此擺架設計平衡轉子最大噸位為50t，最高轉速為 4320r/min，完全能夠滿足此類型轉子的動平衡要求。工藝要求考核標準為瓦振，瓦振要求為: Vc≤2.8mm/s; Vb≤1.2mm/s。
3.2 轉子高速動平衡試驗及分析
按照以往平衡50Hz汽輪機機組高中壓轉子平衡經驗，只需在轉子前后兩個平衡面加重即可達到很高的平衡精度。因此一開始選擇轉子前后兩個平衡面加重，運用影響系數法進行平衡，在進行了大約20次平衡后，平衡效果仍然不理想，振動值一直很大，不能滿足客戶的要求。
展開 高應變速率和準靜態(tài)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(tài)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(tài)拉伸載荷、動態(tài)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(tài)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(fā)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(tài)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(tài)，處于該范圍左右兩端之外的則分別為準靜態(tài)和高應變率狀態(tài)。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(tài)范圍一般通過常規(guī)的靜態(tài)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(tài)力學性能測試方法尚沒有準靜態(tài)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(tài)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(tài)應變測試
材料力學性能試驗中應變測試的常規(guī)方法包括應變電測法和引伸計測量方法。但受限于常規(guī)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(tài)拉伸試驗為瞬態(tài)破壞過程，傳統機械引伸計易發(fā)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
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不同應變速率下斷口側面顯微組織及顯微硬度
拉伸斷口側面的顯微組織。可以看出，拉伸前晶粒大小分布不均，拉伸條件下晶粒發(fā)生了明顯的伸長、變細。隨著應變速率的提高，晶粒變形程度有進一步變大的趨勢。
由圖7a可知，隨著離斷口距離的增加，維氏硬度值顯著下降。應變速率為1s-1和500s-1試樣的硬度值相對于未變形試樣的顯著提高，加工硬化效果顯著。由圖7b可知，隨著應變速率的提高，硬度值有一定程度提高。
02
結論
1、在本實驗研究的3003鋁合金動態(tài)拉伸應力-應變曲線發(fā)現：隨著應變速率從1s-1提高到500s-1，3003鋁合金的抗拉強度從173N/mm2提高到194N/mm2,屈服強度隨著應變速率增加分為兩階段升高；斷裂應變從27.1%提高到38.2%，塑性顯著增強。
2、動態(tài)拉伸應變云圖和拉伸斷口分析表明：斷裂是從試樣中央開始，然后逐步擴展到兩側，縱向、橫向的應變值都隨位置的變化而先增大后減小；斷口形貌隨著應變速率的升高，撕裂棱減少、較大的韌窩直徑增大且數量減少，斷口面積隨應變速率的提高而減小。
3、動態(tài)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(tài)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。
展開 汽車用橡膠密封條性能要求，及拉伸強度測試誤差案例分析
注塑溫度高的情況下，TPV的拉伸強度更好，并且試片不同區(qū)域截取的拉伸試樣所測得的結果波動變小；
b. TPV流動性好的情況下，則試片不同區(qū)域截取的拉伸試樣所測得的結果波動變小。
這說明，對于熱塑性彈性體加工充分的塑化是非常必要的，而模壓則提供不了充分的塑化，只能寄希望于熱塑性彈性體的流動性足夠好，或者模壓溫度盡可能的高，或者模壓的料子盡可能多放點，讓其產生溢料。
4.3 最后造成波動的原因，可能是模壓熱塑性彈性體試樣，加熱時間以及冷卻時間，如果這部分時間長達幾十分鐘，那么勢必造成熱塑性彈性體分子降解，表觀可以發(fā)現微微發(fā)黃，拉伸強度也可能下降。
從上面敘述，模壓制作熱塑性彈性體試樣，不可控的地方太多，塑化質量不知道、成型時間不確定，由此造成的拉伸強度測試結果波動大，也很好理解。敲黑板，如果理解不了，直接拿料子給專業(yè)的公司進行制樣和測試！
材料制樣、測試服務方案
國高材分析測試中心可依據GB、ISO、ASTM等測試標準，制備標準測試樣條，通過高低溫萬能試驗機、高速拉伸試驗機、高速相機和霍普金森壓桿等設備，獲取材料仿真模擬所需的彈性模量、泊松比、應力-應變曲線等數據。
服務流程
了解客戶真實需求——設計制樣方案——制備試樣——交付試樣
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汽車用橡膠密封條性能要求，及拉伸強度測試誤差案例分析
注塑溫度高的情況下，TPV的拉伸強度更好，并且試片不同區(qū)域截取的拉伸試樣所測得的結果波動變小；
b. TPV流動性好的情況下，則試片不同區(qū)域截取的拉伸試樣所測得的結果波動變小。
這說明，對于熱塑性彈性體加工充分的塑化是非常必要的，而模壓則提供不了充分的塑化，只能寄希望于熱塑性彈性體的流動性足夠好，或者模壓溫度盡可能的高，或者模壓的料子盡可能多放點，讓其產生溢料。
4.3 最后造成波動的原因，可能是模壓熱塑性彈性體試樣，加熱時間以及冷卻時間，如果這部分時間長達幾十分鐘，那么勢必造成熱塑性彈性體分子降解，表觀可以發(fā)現微微發(fā)黃，拉伸強度也可能下降。
從上面敘述，模壓制作熱塑性彈性體試樣，不可控的地方太多，塑化質量不知道、成型時間不確定，由此造成的拉伸強度測試結果波動大，也很好理解。敲黑板，如果理解不了，直接拿料子給專業(yè)的公司進行制樣和測試！
材料制樣、測試服務方案
國高材分析測試中心可依據GB、ISO、ASTM等測試標準，制備標準測試樣條，通過高低溫萬能試驗機、高速拉伸試驗機、高速相機和霍普金森壓桿等設備，獲取材料仿真模擬所需的彈性模量、泊松比、應力-應變曲線等數據。
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