Vysokorychlostní videokamera, hpv-x2

Vývoj komplexního přístupu k měření síly a deformace při vysokorychlostních tahových zkouškách

Uživatel Výhody

Srovnání a závislost integrovaného systému HITS-T10 a dalších technik pro měření zkušebních sil a napětí, posunů a deformací.
Inovativní měření pomocí kamery HPV-X2 a DIC analýzy, pomocí které lze vypočítat skutečné zkušební napětí a deformace.

Úvod

V automobilovém a leteckém průmyslu se často vyskytují nárazová zatížení s vysokými rychlostmi deformace, takže pro zajištění bezpečnostních vlastností vysoce zatížených komponentů je nutná charakterizace materiálu na dynamickém základě. Většina vnějších dílů je dnes vyrobena z polymerů vyztužených vlákny (FRP), které vykazují vlastnosti závislé na rychlosti deformace [1-3]. Pro tento účel je běžnou metodou stanovení charakteristických parametrů při vysokorychlostních tahových zkouškách. Protože FRP vykazují s vyššími rychlostmi deformace rostoucí mez pevnosti v tahu (σUTS), je vysoký potenciál, pokud jde o rychlosti deformace. úspory materiálu a lehké konstrukce. V důsledku toho je nutné komplexní pochopení údajů, které se měří při vysokorychlostních tahových zkouškách. Zkušební sílu obvykle zajišťuje piezoelektrický snímač zatížení, zatímco pohyb pístu zaznamenává kapacitní snímač. Takto je také realizován vysokorychlostní rázový zkušební stroj HITS-TX, obrázek 1. HITS-TX navíc poskytuje přídavný snímač posunutí rukojeti (GDS) pro měření pohybu vzorku těsně uvnitř rukojeti, a tudíž vylučuje vlivy dalších částí v soustavě zatížení. To je v souladu s dosavadními poznatky o oscilacích a napěťových vlnách v zatěžovací soustavě, které ovlivňují zaznamenané signály síly a posunutí. [4,5] Obecným problémem vysokorychlostního zkoušení materiálů je náraz, který se vyskytuje mezi přibližovacím přípravkem a pístem aktuátoru na začátku zkoušky. Ve vysokorychlostních systémech se obvykle používá přibližovací zařízení, aby se píst urychlil na požadovanou zkušební s.peed, než se vzorek zatíží. V důsledku nárazu uvnitř tohoto zařízení se na zatěžovací soustavu přenášejí oscilace, které se šíří jako vlny pružného napětí. Tyto vlny se odrážejí v siloměru ve spodní části zkušebního systému a v důsledku toho ovlivňují měření síly a posunutí. Aby se těmto oscilacím zabránilo nebo aby se alespoň omezily, je nezbytné instalovat mechanismus pro tlumení působení síly. K tomuto účelu lze použít různé materiály nebo geometrie kontaktních ploch a instalovat tlumicí prvky. Účinek tlumení by však již neměl mít vliv na měření při zatížení 25% meze kluzu [5].

Materiály a metody

Pro zkoumání se používá kompozitní materiál z epoxidu vyztuženého skleněnými vlákny (GFR-EP), který dobře reprezentuje výše uvedenou skupinu materiálů. Materiál je vyztužen obousměrnými skleněnými vlákny v orientaci 0/90°. Na základě několika studií se očekává pozitivní závislost na rychlosti deformace [1-3]. Geometrie vzorku, obr. 2, je dalším vývojem geometrie vzorku a byla speciálně upravena pro měření vysokorychlostní videokamerou. Podrobněji vzorek poskytuje další dynamometrickou část, která umožňuje výpočet síly pomocí digitální obrazové korelace (DIC).

Zkušební sestava (Obrázek 3) se skládá ze systému HITS-TX se snímačem zdvihu pístu, který je připojen k řídicí jednotce typu 4870, spolu s dalším snímačem posunu sevření (GDS) a vysokorychlostní videokamerou hyper vision (HPV-X2, Obrázek 4). Systém HITS-TX navíc poskytuje různé nájezdové přípravky, aby bylo možné optimálně přizpůsobit geometrii a tlumicí účinky zvolené zkušební rychlosti. Na jedné straně je k dispozici kuželová verze se dvěma délkami. Na druhé straně lze použít plochou verzi nájezdového přípravku. Zatímco plochá verze je vybavena pryží tlumící nárazy, kuželové verze využívají k tlumení zkušebních sil styčnou plochu a také kombinaci dvou pryžových kroužků, které zabraňují vícenásobným kolizím. Souhrnně lze říci, že plochá verze by se měla používat do rychlosti 8 m/s, zatímco kuželová verze se pak používá do rychlosti 20 m/s (72 km/h). V této práci jsou provedeny vysokorychlostní tahové zkoušky při rychlostech 5, 6,5, 8 a 12 m/s v kombinaci s plochou a kuželovou verzí přibližovacího přípravku. Podle [6] tyto rychlosti odpovídají jmenovitým deformačním rychlostem 920, 1 200, 1 480 a 2 220 s-1. Pro dosažení nejvyšších rychlostí záznamu s kamerou HPV-X2 je zapotřebí co nejkratší doba expozice. V důsledku toho jsou instalovány tři světelné zdroje, jedna vysoce výkonná LED se světelným tokem 15 000 lumenů těsně pod objektivem a dvě HMI-světla, každé o výkonu 400 W, umístěná po obou stranách. Další výzvou, která se pojí s vysokorychlostním zobrazováním, je spouštění fotoaparátu [7]. Pro tento účel poskytuje řídicí jednotka systému HITS-TX typu 4870 TTL. 5 V signál, zatímco časování je řízeno pomocí zdvihu pístu. Pomocí synchronizačního signálu z kamery HPV-X2 do systému HITS-TX bylo možné dosáhnout repro- dukovatelných výsledků. Vzhledem k tomu, že kamera HPV-X2 má omezenou kruhovou vyrovnávací paměť, je počet snímků zaznamenaných v plném rozlišení omezen na 128. Při použití speciální interpolace je však možné nastavit počet snímků na 256, což vede k menšímu celkovému rozlišení. Proto je nutné znát přesnou dobu testu a podle toho nastavit rychlost záznamu. V tomto případě se zjištěné časy testu pohybují mezi 100 a 200 μs v závislosti na rychlosti testu. Testovací časy 200 μs odpovídají maximální teoretické rychlosti záznamu 640 000 snímků za sekundu (fps) za předpokladu, že je dokonale nastaven spouštěcí bod v čase. Pro kompenzaci odchylek v časování je skutečná rychlost záznamu nastavena na 250 000 fps.

Výsledky a diskuse

Pro stanovení vlastností materiálu při vysokorychlostních zkouškách obecně lze použít různé techniky měření deformace, jako jsou tenzometry, optické extenzometry, laserové systémy nebo vysokorychlostní kamery [6]. Dodatečnou DIC-analýzou vysokorychlostních snímků je možné vizualizovat rozložení deformace na celém vzorku. Totéž platí pro měření síly, které lze provádět buď pomocí systémově integrovaných snímačů zatížení, nebo bez setrvačnosti.

a. Měření síly

Pro posouzení kvality měření síly pomocí siloměru se provádí srovnání se silami vypočtenými pomocí analýzy DIC a kamery HPV-X2. Přesné měření se stává dostupným při návrhu dynamometrické části vzorku. Proto se pro tato zkoumání používá mírně asymetrický vzorek (Obrázek 5). Tato geometrie umožňuje měření deformace v měřicí části a měření síly v dynamometrické části s analýzou DIC současně.

Obvykle je dynamometrická část oblastí, kde nedochází k plastické deformaci. U FRP se rozumí úsek, kde je povoleno stanovení Youngova modulu. Jelikož je stanovení Youngova modulu povoleno v mezích 0,05 až 0,25% [8], zavádí se proměnný modul v závislosti na celkové deformaci, což je vhodné pro viskoelastické chování materiálu GFR-EP. Sílu, která skutečně působí na vzorek, lze tedy určit pomocí σ = Eꞏε (Hookův zákon)  F = EꞏεꞏA. Youngův modul však musí být stanoven na dynamickém základě, protože kvazistatické vlastnosti materiálu nelze přenést do vysokorychlostního zkoušení. Jedinou možností, jak určit správný Youngův modul, je tedy výpočet v krátkém časovém úseku mezi nárazem na přibližovací přípravek a vlnami pružného napětí, které se šíří až k zatěžovacímu článku ve spodní části zkušebního systému. Kromě toho je důležité zprůměrovat naměřenou deformaci v dynamometrickém řezu na stejné šířce vzorku, ke které se vztahuje průřez A.

Obrázek 5 ukazuje porovnání zkušebních sil měřených siloměrem v porovnání s DIC při použití kuželového nájezdového přípravku a zkušební rychlosti 8 m/s. Výše uvedený proměnlivý modul souvisí s průběhem střední deformace (modrý rámeček) 0 až 0,8% v průběhu celé zkoušky.

Lze pozorovat, že obě křivky se příliš neliší, což vede k domněnce, že použití snímače zatížení bez další měřicí techniky je rovněž efektivní. Při vyšších zkušebních silách dochází k odchylkám, které jsou způsobeny kmitajícími silami a odraženými napěťovými vlnami v zatěžovacím soustavě. Na začátku zkoušky se v soustavě zatížení indukují napěťové vlny, které vedou k oscilacím v silovém signálu, jak je patrné mezi 25 a 75 μs. V průběhu zkoušky se tyto napěťové vlny šíří zatěžovacím ústrojím a snímačem zatížení, kde se odrážejí. V závislosti na jejich fázovém posunu a amplitudě se vlny mohou vzájemně rušit nebo zesilovat, což následně vede ke kolísavým odchylkám v silovém signálu, jak je vidět mezi 75 a 125 μs. To ukazuje, že měření síly pomocí DIC analýzy je často nezbytné pro získání spolehlivých výsledků. Šíření a interference tedy nelze předvídat, a proto není použití korekčního faktoru účinné. Silový signál je však ovlivněn napěťovými vlnami méně, než se očekávalo, takže je možné určit správné vlastnosti materiálu pomocí integrovaného snímače zatížení. Prvním vysvětlením tohoto chování by mohlo být použití kuželového přibližovacího přípravku, protože neobsahuje pryžový kroužek. Proto se neočekávají žádné vlivy na vlastnosti materiálu, zejména na začátku zkoušky. V průběhu zkoušky se však vlivy napěťových vln zvyšují, protože se odrážejí na snímači zatížení.

b. Měření posunutí a deformace

S předloženou zkušební sestavou je k dispozici několik technik měření deformace: Pístní zdvih, GDS a DIC. Zatímco zdvih pístu měří skutečný pohyb pístu v horní části zátěžové soustavy, GDS měří pouze posun mezi úchyty. Naproti tomu při analýze DIC lze posuny a deformace zaznamenávat přímo na vzorku.

Pouze pomocí DIC analýzy je tedy možné určit skutečné kmeny. Mezi těmito metodami se očekávají rozdíly, které mohou být způsobeny následujícími vlivy:

Součásti s různou tuhostí zapojené do soupravy nákladu
Pružná deformace součástí v zatěžovacím soupravě
Tlumicí účinky díky kompresním a silovým absorpčním vlastnostem pryže
Měření vzdálenosti k

Jak je vidět v Obrázek 6, by výše uvedené vlivy mohly vést k výrazným odchylkám výsledných deformačních křivek. Snímač zdvihu pístu je podle očekávání poměrně lineární a výrazně se liší od ostatních křivek, protože do tohoto měření je zahrnuta většina komponent a jejich deformace. Kromě toho bylo možné pomocí zdvihu pístu zaznamenat nárazy a vícenásobné kolize s přibližovací přípravou. Odchylky mezi GDS a DIC jsou při nízkých deformacích malé, ale s postupující dobou zkoušky se zvyšují. Jak je však vidět na zvětšeném řezu, sklony použitých tečen se v daných mezích vyrovnávají, GDS tedy funguje dobře v rámci malých deformací, kde přicházejí v úvahu vlivy jako ohyb vzorku, problémy s upínáním nebo vůle.

Za účelem vizualizace rozložení deformace na vzorku, Obrázek 7 ukazuje celkovou deformaci v různých zkušebních časech. Je zřejmé, že geometrie vzorku funguje dobře, protože rozložení deformace v měřicím průřezu je homogenní. V dynamometrické části je však patrné nehomogenní rozložení deformace, které je způsobeno obousměrnou orientací vláken. Protože je vzorek vyroben z nekonečných vláken, přenáší se zatížení ve vrstvách 0° uprostřed vzorku z měrné do dynamometrické části.

zatímco na vnější vlákna působí menší síla. Z těchto zjištění lze vyvodit závěr, že každé lokální měření deformace, jako jsou tenzometry, nebude pro měření síly v dynamometrické části správně fungovat, protože se zde může vyskytovat nehomogenní rozložení deformace.

Závěry a výhled

V rámci této práce bylo na vysokorychlostním rázovém zkušebním stroji HITS-TX provedeno srovnání integrovaných systémů a dalších technik pro měření zkušebních sil a posunů. Zejména tyto dva parametry byly definovány jako kritické, protože mohou být ovlivněny oscilacemi, které jsou důsledkem nárazu uvnitř přibližovacího zařízení. Bylo představeno inovativní měření pomocí kamery HPV-X2 a analýzy DIC, pomocí kterého lze vypočítat skutečné zkušební síly a celkové deformace. Bylo možné ukázat, že silový signál snímače síly vykazuje pouze nepatrné odchylky od DIC-analýzy, takže generování materiálových vlastností je možné zejména při nízkých deformacích, jako při stanovení modulu pružnosti. Tento postup lze použít pro aplikace, jako je vytváření materiálových dat pro účely simulace, zejména pokud je testování součástí v režimu vysokorychlostního nebo nárazového zatížení nákladné. Pokud jde o měření posunutí a deformace, byla zdůrazněna jasná závislost na použití vhodné měřicí techniky. Tam, kde lze při nízkých deformacích použít GDS, je při určování celkových deformací při porušení vzorku nezbytné použít analýzu DIC. Pomocí DIC lze také realizovat lokální měření deformace a rozložení deformace na celém vzorku. Díky spouštění a synchronizaci propojením HPV-X2 a HITS-TX je vždy zajištěn dostatečný počet snímků pro vyhodnocení deformace a pohodlná analýza dat.

 Odkazy

[1] K. Naresh, K Shankar, B.S. Rao, R. Velmurugan: Vliv vysoké deformační rychlosti na epoxidové laminované kompozity vyztužené skelnými/uhlíkovými/hybridními vlákny. Composites Part B 100 (2016) 125-135.
doi: org/10.1016/j.compositesb.2016.06.007

[2] Y. Ou, D. Zhu, L. Huang, Y. Yao: Mechanická charakterizace tahových vlastností kompozitu vyztuženého skleněnými vlákny a jimi vyztuženým polymerem (GFRP) při různých rychlostech deformace a teplotách. Polymery 8
(5) (2016) 1-16.
doi: 10.3390/polym8050196

[3] J. M. L. Reis, F. L. Chaves, H. S. da Costa Mattos: Chování polyuretanu vyztuženého skleněnými vlákny v tahu při různých rychlostech deformace. Materials and Design 49 (2013) 192-196.
doi: 10.1016/j.matdes.2013.01.065

[4] SAE J2749: Zkoušení polymerů v tahu při vysoké deformační rychlosti.

[5] M. Keuerleber: Keleber: Determination of Young's modulus of plastics at high strain rates by the example of PP (v němčině), doktorská práce, Stuttgart (2006).

[6] DIN EN ISO 26203-2: Kovové materiály - Zkouška tahem při vysokých deformačních rychlostech - Část 2: Servohydraulické a jiné zkušební systémy (v němčině).

[7] Myslicki, S.; Ortlieb, M.; Frieling, G.; Walther, F.: High-precision deformation and damage development assessment of composite materials by high-speed camera, high-frequency impulse and digital image correlation techniques. Materials Testing 57 (11-12) (2015) 933-941.
doi: org/10.3139/120.110813

[8] ČSN EN ISO 527-1: Plasty - Stanovení tahových vlastností - Část 1: Obecné zásady (v němčině).