非接触式光学测量方法在材料动态性能测试中的应用研究

发布时间：2020-11-20 07:38

　　 分离式Hopkinson压杆实验技术和波传播反演分析实验技术是研究材料动态力学性能的两种主要实验手段。传统的分离式Hopkinson压杆实验测试技术是基于应变片的电测技术,测试结果的可靠性强烈依赖于应变片与杆之间粘贴质量,受到人为因素的影响较大。后来,人们也发展了其他测试手段,如采用石英压电计或PVDF压电薄膜直接测量试件的应力。波传播反演分析实验需要对力学量(应力、应变、粒子速度)进行多点测量,现仍然局限于应力时程和应变时程测量,这大大制约了该方法在实验力学领域中更广泛的应用。应力测量和应变测量都是属于接触式测量方法。近年来,非接触式光学测量方法发展迅速,例如基于数字图像相关性分析技术的视频引伸计已逐渐取得了传统的机械式引伸计,但其应用多局限于材料准静态力学性能测试领域。本论文拟把先进的非接触式瞬态光学测量技术推广应用到材料动态力学性能测试领域,主要开展多探头全光纤激光干涉测速仪和基于超高速相机的数字图像相关性全场应变测量系统在分离式Hopkinson压杆实验和波传播反演分析实验中的应用研究。论文的主要研究成果归纳如下:1)基于多普勒频移原理的双探头全光纤激光干涉测速技术,以粒子速度为监测目标,借助应力波传播理论,换算成试件的应变和应力,从而建立了SHPB实验的非接触光学测试系统。针对韧性和脆性两类材料,分别提出了激光正入射和激光斜入射两种测试技术。再以铝合金和PZT陶瓷为例,通过与传统的应变片测试结果以及DIC测量结果的对比分析,验证了两种测试技术的有效性。与传统的应变片测试技术相比,新的激光干涉测试技术具有免标定、抗干扰、可靠性高等诸多优势,有助于实现SHPB实验测试系统标准化。2)基于多探头全光纤激光干涉测速技术,在分离式Hopkinson压杆系统上,搭建了长杆试件拉氏反分析实验装置,用于研究脆性材料的动态本构关系。采用激光斜入射法监测长杆试件轴向质点速度,基于一维应力波传播理论,建立了欧拉质点速度与拉格朗日质点速度之间换算关系。利用实测的多质点速度时程曲线,通过构建路径线连接整个速度场,再结合零初始条件,实现了拉氏反分析方法的数值求解,获得了脆性材料PMMA的动态应力-应变曲线,并与Hopkinson压杆实验和准静态压缩实验的结果进行了对比。3)基于超高速相机和数字图像相关性全场应变分析方法对传统的分离式Hopkinson压杆实验系统进行改进,讨论了试件的应变分布均匀性问题,实验结果显示:韧性的铝合金试件的应变均匀性较好,而脆性的陶瓷试件的应变均匀性较差。对于变形能力较强的铝合金材料而言,试件局部存在一定的应变分布不均匀性对测定的材料动态应力-应变关系曲线的影响较小,从而证明了传统SHPB测试方法适用于韧性金属材料;对于变形能力较差的PZT陶瓷而言,应变分布不均匀性较为明显,这主要是由于端部边界应力集中造成的结果,需要对应变测量结果进行修正,才能得到较精确材料动态应力-应变关系曲线。4)基于超高速数字图像相关性分析方法,以分离式Hopkinson压杆作为加载系统,发展了长杆试件拉氏反分析实验技术,用于研究脆性材料在小变形条件下的动态本构特性。通过超高速相机实时拍摄冲击加载下长杆试件变形的散斑图像,再对散斑图像进行数字图像相关性(Digital Image Correlation,DIC)分析,获得长杆试件表面速度场和应变场。随后,以脆性材料PMMA为例,从DIC分析得到的速度场中提取出不同拉格朗日位置上质点速度时程曲线,构建路径线连接整个速度场,再结合零初始条件,数值求解得到了试件中的应力时程曲线,消去时间参数后,获得了脆性材料PMMA的动态应力-应变曲线,并与Hopkinson压杆实验和准静态压缩实验的结果进行了对比,揭示了PMMA材料在小应变条件下的黏弹性本构响应特征。
【学位单位】：宁波大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB301
【部分图文】：

事实上，在 SHPB 实验过程中，除非常重要的物理量—速度可以测量。根据应力便地求出应力或应变。近年来，激光干涉测速的独特优势，能够弥补传统应变片测量方法的纤激光干涉测速技术，搭建 SHPB、 DIHPB 实验型的韧性材料铝合金和脆性材料铁电陶瓷为例对比分析，验证全光纤激光干涉测速技术在 用的有效性和可靠性。新的激光干涉测试技术减程度上有助于 Hopkinson 压杆实验测试系统标准化纤激光干涉测速仪简介国 Polytec 公司生产的双探头 HSV-100-V40 型全光如图 2.1 所示。

测速仪由一个激光控制器单元(内嵌激光干涉仪组成，两个激光发生器分别连接激光控制器上的产生红色可见激光，调节激光探头上的旋钮可 中左侧激光控制器光强显示器为满格，此时激出有单通道式和差分式两种类型。HSV 可以两，另一束作为测量光实现单点测量，也可以激参考的形式，将两束激光均作为测量光实现两，对于单点测量，激光控制器信号输出包含了 式信号输出；对于两点测量，速度、位移信号实际应用中，可在前面板调整相关的设置选择。此外控制器还为用户提供了快速傅里叶变换得的速度、位移信号由数字示波器记录下来。压数据，通过控制器面板显示的速度(位移)电压具体速度、位移换算值如图 2.2 所示：

频率变为sf ：[12()/]0ffutcs= +(2.1)式中：c表示光在真空中传播的速度。反射光再次进入环形器后，作为信环形器 3 端口进入 Coupler 2，信号光和参考光合束后产生干涉，干涉光进器，经光电转换后由高带宽的示波器记录。反射光和入射光的频率差值普勒频移df ，从公式 (2.1)可以看出，它包含了物体运动速度的信息，和动速度( )u t之间存在如下具体关系：()()/2/2s0 du t= λ f f=λf(2.2)式中： λ 是激光的波长。对激光干涉信息采用短时傅里叶变换方法进行频，即可得到对应的多普勒频移，利用公式(2.2)计算被测目标的运动速度。光调制器可实现对速度方向的判断。从公式(2.2)可以看出，速度时程是隐光干涉信号的频域中，与激光光强变化无关，因此激光干涉测速仪的抗力较强。
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本文编号：2891164