Vývoj holistického prístupu k meraniu sily a deformácie pri vysokorýchlostných ťahových skúškach

Výsledky a diskusia

Na určenie vlastností materiálu pri vysokorýchlostných skúškach sa vo všeobecnosti môžu použiť rôzne techniky merania deformácie, ako sú tenzometre, optické extenzometre, laserové systémy alebo vysokorýchlostné kamery [6]. Dodatočnou DIC-analýzou vysokorýchlostných snímok je možné vizualizovať rozloženie deformácie na celej vzorke. To isté platí pre meranie sily, ktoré sa môže vykonávať buď pomocou systémovo integrovaných snímačov zaťaženia, alebo bezzotrvačných techník.

a. Meranie sily

Na posúdenie kvality merania sily pomocou snímača zaťaženia sa vykoná porovnanie so silami vypočítanými pomocou analýzy DIC a kamery HPV-X2. Presné meranie sa stáva dostupným pri navrhovaní dynamometrickej časti pre vzorku. Preto sa na tieto skúmania používa mierne asymetrická vzorka (Obrázok 5). Táto geometria umožňuje meranie deformácie v meracej časti a meranie sily v dynamometrickej časti s DIC-analýzou v rovnakom čase.

Dynamometrická časť je zvyčajne oblasť, v ktorej nedochádza k plastickej deformácii. V prípade FRP sa myslí úsek, kde je povolené určenie Youngovho modulu. Keďže stanovenie Youngovho modulu je povolené v medziach od 0,05 do 0,25% [8], realizuje sa premenlivý modul v závislosti od celkovej deformácie, ktorý je vhodný pre viskoelastické správanie materiálu GFR-EP. Silu, ktorá skutočne pôsobí na vzorku, možno teda určiť pomocou σ = Eꞏε (Hookov zákon)  F = EꞏεꞏA. Youngov modul sa však musí stanoviť na dynamickom základe, pretože kvázi statické vlastnosti materiálu nemožno preniesť na vysokorýchlostné skúšky. Jedinou možnosťou na určenie správneho Youngovho modulu je potom výpočet v krátkom časovom úseku medzi nárazom na približovaciu súpravu a vlnami pružného napätia, ktoré sa šíria až po dosiahnutie snímača zaťaženia v spodnej časti skúšobného systému. Okrem toho je dôležité spriemerovať nameranú deformáciu v dynamometrickom reze na rovnakej šírke vzorky, ku ktorej sa vzťahuje prierez A.

Obrázok 5 ukazuje porovnanie skúšobných síl meraných snímačom zaťaženia v porovnaní s DIC pri použití kužeľového približovacieho prípravku a skúšobnej rýchlosti 8 m/s. Uvedený meniaci sa modul súvisí s priebehom strednej deformácie (modrý rámček) 0 až 0,8% počas celej skúšky.

Možno pozorovať, že obe krivky sa výrazne nelíšia, čo vedie k predpokladu, že použitie snímača zaťaženia bez ďalšej meracej techniky je tiež efektívne. Pri vyšších skúšobných silách dochádza k odchýlkam, ktoré sú spôsobené kmitajúcimi silami a odrazenými napäťovými vlnami v sústave zaťaženia. Na začiatku skúšky sa do sústavy zaťaženia indukujú napäťové vlny, čo vedie k osciláciám v silovom signáli, ako je to vidieť medzi 25 a 75 μs. V priebehu skúšky sa tieto napäťové vlny šíria cez zaťažovací systém a snímač zaťaženia, kde sa odrážajú. V závislosti od ich fázového posunu a amplitúdy sa vlny môžu navzájom rušiť alebo zosilňovať, čo následne vedie ku kolísavým odchýlkam v silovom signáli, ako je to vidieť medzi 75 a 125 μs. Z toho vyplýva, že meranie sily pomocou DIC-analýzy je často nevyhnutné na získanie spoľahlivých výsledkov. Šírenie a interferencie teda nemožno predvídať, a preto použitie korekčného faktora nie je účinné. Silový signál je však menej ovplyvnený napäťovými vlnami, ako sa očakávalo, takže je možné určiť správne vlastnosti materiálu pomocou integrovaného snímača zaťaženia. Prvým vysvetlením tohto správania by mohlo byť použitie kužeľového približovacieho prípravku, keďže neobsahuje gumový krúžok. Preto sa neočakávajú žiadne vplyvy na vlastnosti materiálu, najmä na začiatku skúšky. S postupom skúšky sa však vplyvy napäťových vĺn zvyšujú, pretože sa odrážajú na snímači zaťaženia.

b. Meranie posunutia a deformácie

Pri prezentovanom testovacom usporiadaní je k dispozícii niekoľko techník na meranie deformácie: Piston stroke, GDS a DIC. Zatiaľ čo pri zdvihu piestu sa meria skutočný pohyb piestu v hornej časti zaťažovacej sústavy, pri GDS sa meria len posun medzi úchytmi. Na druhej strane, pri analýze DIC sa môžu posuny a deformácie zaznamenávať priamo na vzorke.

Iba pomocou DIC-analýzy je teda možné určiť skutočné kmene. Medzi týmito metódami sa očakávajú rozdiely, ktoré by mohli byť spôsobené nasledujúcimi vplyvmi:

• Komponenty s rôznou tuhosťou zapojené do sústavy zaťaženia
• Pružná deformácia komponentov v záťažovom vlaku
• Tlmiace účinky vďaka kompresii a silovým absorpčným vlastnostiam gumy
• Meranie vzdialenosti k

Ako možno vidieť v Obrázok 6, by uvedené vplyvy mohli viesť k výrazným odchýlkam vo výsledných deformačných krivkách. Podľa očakávania je snímač zdvihu piesta pomerne lineárny a výrazne sa líši od ostatných kriviek, pretože do tohto merania je zahrnutá väčšina komponentov a ich deformácie. Okrem toho sa pomocou zdvihu piesta mohli zaznamenať nárazy a viacnásobné kolízie s približovacím prípravkom. Odchýlky medzi GDS a DIC sú pri nízkych deformáciách malé, ale s postupujúcim časom skúšky sa zvyšujú. Ako však možno vidieť na zväčšenej časti, sklony aplikovaných dotyčníc sa v rámci daných limitov vyrovnávajú, GDS teda funguje dobre v rámci malých deformácií, kde prichádzajú do úvahy efekty ako ohyb vzorky, problémy s upínaním alebo vôľa.

Na vizualizáciu rozloženia deformácie na vzorke, Obrázok 7 zobrazuje celkovú deformáciu v rôznych časoch skúšky. Je zrejmé, že geometria vzorky funguje dobre, pretože rozloženie deformácie v meracom reze je homogénne. V dynamometrickej časti však možno pozorovať nehomogénne rozloženie deformácie, ktoré je spôsobené obojsmernou orientáciou vlákien. Keďže vzorka je vyrobená zo spojitých vlákien, zaťaženie v 0° vrstvách v strede vzorky sa prenáša z meracej do dynamometrickej časti

zatiaľ čo na vonkajšie vlákna pôsobí menšia sila. Z týchto zistení možno vyvodiť záver, že každé lokálne meranie deformácie, ako napríklad tenzometre, nebude správne fungovať na meranie sily v dynamometrickej časti, pretože sa tam môže vyskytovať nehomogénne rozloženie deformácie.