材料动态特性

分裂式霍普金森杆应变测量

材料常数:例如杨氏模量和泊松比等是在零部件结构和设计中非常重要的特性量. 根据不同的设计,需要精确地知道使用材料的相关参数。这对零部件非常重要,例如,你需要知道当力施加到上面时,零部件如何变形. 标准的值和表是在测力机在准静态条件下测量获得的。但是,其他的方法, 例如 分裂式霍普金斯杆 是用于材料在动态条件下测量材料特性的。

杨氏模量是材料常数,其用于描述在力加载过程中,元件的变形。换句话说,就是指材料的硬度,硬度越高弹性模量就越大。常用材料的杨氏模量参考机械工程手册。杨氏模量通常通过准静态的测试机上通过 应力-应变曲线来获得。但是,材料在动态负载状态下通常性能有显著不同 ,例如可能具有更高的硬度。因此在结构设计中,工程师必须了解材料的动态特性

采用应变片测量压力波

分裂式霍普金森杆示意图:由锤产生的压力波部分被反射部分通过传输杆。

一般来说,简单的材料测试机不能够承受如此高的应变率。因此需要采用所谓的分裂式霍普金森杆进行动态性能测量。英国电子工程师在 1914 年首次采用此方式。现在采用的方式是由 Herbert Kolsky 在 1949 的改进方式。有时也称之为分裂式霍普金森 Kolsky 杆。

材料样品位于分裂式霍普金森杆的两个杆之间。一个所谓的锤 - 例如, 一个由空气压缩的加速锤,来产生压力波。压力波通过第一个杆,部分波在杆端被反射,另一部分波通过测试样品到达传输杆。 安装于附带杆和传输杆上得 应变片 用于测量压力波产生的应变。这样可以让附带杆,传输杆和反射的压力波的振幅能够被测量。应变片被置于惠斯通电桥中。因为压力波以音速通过通过杆,因此需要高动态测量系统,相应的带宽达到 100 kHz.

高速测量和数据采集...

... 材料特性的计算

测试和测量专家 HBM 为您提供 Genesis HighSpeed 测量系统用于此类高动态和高带宽的应用。模块化的测量系统能够使系统非常容易扩展和升级,用于多种测量任务。例如,相应的数据采集板卡可以进行 1/4 桥应变信号的测量。连接应变片非常容易,无需其他的补偿电路和前置放大器。 Perception 软件可以对采集的数据进行分析。

从采集的信号中获取材料特性需要满足一些先决条件。附带杆和传输杆的材料必须相同,直径和长度要非常小。另外,必须知道压力波的通过杆的速度 C0 。直径要非常小,这样杨氏模块 E 和密度 ρ 才能够容易计算出:

上述描述的由附带杆应变信号 εI, 反射压力波应变信号 εR, 和传输杆压力波应变信号 εT 测量完成后,相应的材料应力为:

E 代表传输杆的杨氏模块, A0 为传输杆的截面,A 是材料样品的截面积。材料样品的长度为 L :

进行积分后,相应的应变为:

结论

分裂式霍普金森杆已经有50年的应用历史了,过去数年来,这种测量方法使用的频率大幅增加,这主要是由于测试和测量设备快速发展,相应的测量软件和性能强大的计算机使其更加方便,快速。 HBM 为此类应用提供完整的测试设备,从应变片,测量放大器到分析软件等。HBM 可以为各种行业的设计工程师提供可靠的材料特性测量结果。

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