（固体力学专业论文）中应变率试验方法及PMMA动态力学性能的实验研究.pdf

摘要 本文对原有的中应变率材料试验机的测试系统进行改进。对变形测量的p s d 光学引伸仪作了三个部分的改进，即首先将电路第二级加、减法器上的所有可调 电位器改为精密电阻；再将电路最后一级的单运放减法电路改为使用两个反向求 和电路构成的双运放减法电路；最后还对入射p s d 的激光光源做了改进。对载 荷测量系统的电源部分做了二级稳压改进，还引入了一个载荷测量系统的电标定 方法。改进后整个测试系统的信噪比有很大提高，保障了实验工作的顺利进行。 本文对p m m a 进行了四个中应变率和四个准静态的单向拉伸实验，获得了 相应的应力应变关系。通过对l l j t , 个应变率的多项式应力应变曲线，发现在本文 所涉及的应变率范围内，p m m a 的强度、模量等力学量具有明显的应变率相关 性。其中模最、强度和断裂应变随对数应变率的变化规律近似为线性。在固定应 变的情况下，比较发现最高应变率下的应力相对于其他应变率的结果有较大提 高，这说明应变率范围2 2 0s 。1 可能是有机玻璃应变率效应的转变区。本文还对 六个不同应变率下的试件断口进行了电镜扫描分析( s e m ) ，发现，随着应变率的 升高，断日的镜面区不断缩小，断日肋状区的肋条变宽，肋条间距也加大，同时 条数也相应减少，在最高应变率的情况下，在本文分析的断口区域已经不存在肋 状区，而是出现大范围的脆性解理断裂，这也可能与最高应变率下应力快速增加 的现象相列应。 在本文的最后，通过对实验结果的总结分析，给出了包含一个非线形弹簧和 五个m a x w e l l 体并联的粘弹性模型来研究p m m a 在准静态和中应变率下的应力 应变关系。- ) t q 4 j 该模型对各个应变率下的实验结果进行拟合，拟合结果与实验曲 线符合较好，表明本文提出的本构关系是合理有效的。 关键词：中应变率，p m m a ，本构模型，s e m a b s t r a c t i m p r o v e m e n tw a s m a d et ot h em e a s u r i n gs y s t e mo ft h es e l f - d e s i g ni n t e r m e d i a t e s t r a i nr a t em a t e r i a l st e s t i n ga p p a r a t u s t h ei m p r o v e m e n tt ot h ep s d o p t i c a le x t e n s o m e t e r i n c l u d e ss u b s t i t u t i o no ft h ev a r i a b l er e s i s t a n c e so nt h es e c o n dc l a s so ft h ec i r c u i tw i t l l p r e c i s ef i x e dr e s i s t a n c e s ，s u b s t i t u t i o no f t h es u m m i n gc i r c u i tu s i n gs i n g l eo p e r a t i o n a l a m p l i f i e ro n t h el a s tc l a s sw i t ht h es u m m i n gc i r c u i tu s i n gt w oo p e r a t i o n a la m p l i f i e r s ， a n dt h ea m e l i o r a t i o nt ot h es o u r c eo ft h el a s e ro fp s d t h ee l e c t r i cp o w e rs u p p l yo f t h ed y n a m i cs t r a i nm e t e ri sa m e l i o r a t e da n dt h ee l e c t r i cc a l i b r a t i o nt h e o r yo ft h ed y n a m i c s t r a i nm e t e ri sp r o p o s e d p m m at e n s i l et e s t sw e r ep e r f o r m e da t q u a s i s t a t i cl o a d i n gc o n d i t i o n ( a tt h e s t r a i nr a t e so f2 , 0 0 x 1 0 s - i ，2 0 1 1 0 3s 一，2 3 8 x 1 0 4s a n d 2 3 1 1 0 4 s 。) a n d a t i n t e r m e d i a t es t r a i nr a t e ( 1 8 6s ，2 8 1s ，6 5 4 x 1 0 1s 一，2 9 2 1 0 s - i ) c o n d i t i o n ，a n dt h e s t r e s s s t r a i nc u r v e sa td i f f e r e n ts t r a i nr a t e sw e r eo b t a i n e d b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h e e x p e r i m e n t r e s u l t s ，i t i sf o u n dt h a tt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o fp m m aa r e r a t e d e p e n d e n t i nt h ea b o v em e n t i o n e dr a n g eo fs t r a i nr a t e s m o d u l e s ，s t r e n g t h ， u l t i m a t es t r a i n so fp m m a v a r ya p p r o x i m a t e l yl i n e a r l y w i t hr e s p e c tt ot h en a t u r a l l o g a r i t h mo fs t r a i nr a t e u n d e rt h ec o n d i t i o no f f i x e ds t r a i n ，t h es t r e s sa tt h eh i g h e s t s t r a i nr a t ei n c r e a s e sm u c h h i g h e rt h a nt h o s ea to t h e rs t r a i nr a t e s w h i c hs u g g e s t s2 - 2 0 s m a y b et h et r a n s i t i o nr e g i o no f r a t e e f f e c t so fp m m a s e mm e t h o dw a su s e dt o s t u d yt h ef r a c t o g r a p h yo fp m m a a ts i xd i f f e r e n ts t r a i nr a t e s t h er e s u l t si n d i c a t et h a t r e l a t i o n s h i pe x i s t sb e t w e e n t h em o r p h o l o g yo ff r a c t u r es u r f a c ea n dt h es t r a i nr a t e s i t i sf o u n dw h e nt h es t r a i nr a t ei n c r e a s e s ，t h em i r r o ra r e ao ft h ef r a c t u r es u r f a c eg e t s m a l l e r ，i nt h er i ba r e at h er i b sa n d t h eg a p sg e tw i d e r ，a n dt h en u m b e r so ft h er i b sg e t f e w e r a tt h eh i g h e s ts t r a i nr a t e ，t h er i ba r e ad i s a p p e a r sa n do n l yal a r g er a n g eo f b r i t t l ec l e a v a g ef r a c t u r em o r p h o l o g yr e m a i n s t h i sp h e n o m e n o nm a y b er e l a t et ot h e r a p i d i n c r e a s eo f t h es t r e s sa tt h eh i g h e s ts t r a i nr a t ea tf i x e ds t r a i n am e t h o df o rs e l e c t i n gt h er e l a x a t i o nt i m e so fd i f f e r e n tr e l a x a t i o nm o d u l e si s p r o p o s e d b a s e d o ns u c hs e l e c t i o n ，av i s c o - e l a s t i cm o d e lc o n t a i n i n gan o n l i n e a r s p r i n ga n df i v em a x w e l lu n i t sw a sp r e s e n t e dt os t u d y t h er a t e - d e p e n d e n tm e c h a n i c a l b e h a v i o ro fp m m a ac o n s t i t u t i v ee q u a t i o nw a so b t a i n e db a s e do nt h ea b o v em o d e l a n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s t h es t r e s s s t r a i nr e l a t i o no fp m m aa td i f f e r e n ts t r a i nr a t e s f r o mt h ea b o v em o d e lf i tt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sq u i t ew e l le x c e p tt h el o w e s ts t r a i n r a t e k e yw o r d ：p m m a ，i n t e r m e d i a t e s t r a i nr a t e ，c o n s t i t u t i v ee q u a t i o n ，s e m 致谢 本文是在夏源明教授的指导和关心下完成的，夏老师渊博的学识，丰富的工 程实践经验敏锐的物理直觉和不倦的教导令我受益终身。在此，向夏老师表示 最衷心的感谢。 本文的所有工作都是在马钢博士的直接指导和帮助下完成的。马钢博士直接 参与了实验的各个过程，对本文的完成倾注了大量的心血，在此表示最诚挚的谢 意。 在本文的工作中还得到了汪洋副教授的热隋指导，在此表示由衷的感谢。 本文的工作是在张学锋师兄的基础上进行的，并先后与鲍浩然和王日豪师弟 密切合作，还得到戴维师妹的大力协助，在此对他们表示深深的谢意。 本文的工作还要感谢工程实验中心的龚明博士。刘云平老师、俞斐老师和冯 建平老师，他们对本文的实验工作提供了必要的帮助。 本实验室的所有成员共同营造了浓厚的学术氛围和舒适的工作环境。在与马 钢博士、汪洋博士、周元鑫博士、宫能平博士、李子然博士、李炜博士以及王硕 桂、孟庆良、夏勇、黄文、程添乐、董世民、秦勇、程添乐、李大应、孙文春、 黄宗、陈晓宏、宋吉舟、王晓军、徐伟、武晓敏、张涛、郝勇、李兵、周君、戴 若犁、殷晓蕾、夏春光、鲍浩然、王日豪、戴维、聂旭、董毅等师兄弟的朝夕相 处中结下了深厚的友谊，和他们在一起的讨论让作者受益非浅。作者尤其感谢黄 文师兄在三年里给予的无私帮助。 最后，作者要感谢父母的理解、鼓励和支持，愿本文的顺利完成能使他们感 到欣慰。 中腑变率试验方法肚p m m a 础态，j 学抖能的实验研究第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 材料动态力学性能测试的意义及现状 1 1 1 材料动态力学性能测试的意义 研究材料的动态力学性能是固体力学和材料科学中一个重要的前沿方向。材 料动态力学性能实质是指材料力学性能的应变率相关性，同时还包含不同应变率 下力学性能的温度相关性，即时温等效。一般将材料加载应变率划分为低应变率 准静态、中应变率、高应变率及甚高应变率四个区域，应变率分别对应于1 0 。s 。 以下、1 0 1s 至1 0 1s 一、1 0 2s 一1 至1 0 4s 1 及1 0 4s 1 以上。 1 8 0 2 2 - j a 2 6 8 4 3 4 0 l o g ( s t r a i nr a t e ) 图1 1图1 2 图1 1 是5 种牌号的钢屈服应力盯，与对数应变率1 9 0 关系的实验结果，钢 的屈服压力在低应变率加载时基本不随应变率变化，在高应变率加载下随应变率 的增加有明显的提高；图1 2 是玻璃纤维束在不同应变率范围内的应力应变曲线 ”，在冲击载荷作用下，玻璃纤维不但得到增强，而且变韧。这些图是十分典型 的，可见许多材料在不同应变率下表现出不同的特性；在低应变率区，材料对应 变率不敏感：在高应变率区，材料对应变率很敏感；而中应变率区则是材料性能 由应变率不敏感到应交率敏感的转变区。从热力学角度看，材料的准静态加载是 一个等温过程，高应变率加载是一个绝热过程，而中应变率加载则既不完全是等 温过程，也不完全是绝热过程。许多结构的工况是中应变率状态，因此探索材料 在中应变率加载下的特性对于工程应用有重要价值。 1 1 2 材料动态力学性能测试的现状 结合近几年来力学实验研究的现状，可以看出，电液伺服试验机m t s 可以 进行1 0 s 一1 以下应变率，即准静态的拉、压力学性能的测试：分离式h o p k i n s o n 中施变埤i 试验方法驶p m m a 动态力学性能的实验研究第1 章绪论 压杆装置( s h p b ) 刚】以及基于s h p b 思想的h o p k i n s o n 扭杆和拉杆试验技术【5 可以对材料在商应变率范围内的力学性能进行测试。但是这些实验装置由于自身 设计和测试的限制，难以对材料在1 0 。1s 一1 0 。s1 应变率范围内的力学性能进行 研究。 近十年来，美国l o sa l a m o s 国家实验室和l a w r e n c el i v e r m o r e 国家实验室 等少数单位着手创立中应变率试验技术以及材料在中应变率下力学行为的研究 探索 6 , 7 , 8 1 ，研制了一些中应变率压缩试验装置和测试技术，但很不完善，所得试 验结果不太可靠。此外，在一般情况下，材料的动态拉伸、动态压缩和动态剪切 的性能是不同的，有的甚至相差很大，如高分子材料、纤维增强复合材料等，相 应的实验技术也是不能替代的。而且，如同准静态的拉伸和压缩试验一样，动态 拉伸试验还能提供更多的材料特性，但刺于中应变率拉伸试验技术及试验结果， 儿乎没有报道。 1 9 9 7 底，中国科技大学冲击拉伸及动态响应实验室在对国内外中应变率试 验技术进行广泛调研的基础上，提出了中应变率拉伸、压缩试验技术的方案，并 - 3 i2 0 0 0 年建成了中速应变率材料实验机，为研究材料在中应变率区的力学性能 以及热力耦合效应提供一套基础装置。 1 2 中应变率实验机测试系统存在的问题 由于时间仓促，本实验室中速应变率材料实验机的测试系统还有一些不够完 善的地方： 其一，原系统中用于采集力信号的高动态应变仪和采集位移信号的光学引伸 仪芡用一个外界的稳压电源，通过长距离的导线连接到测试系统。长距离的导线 容易增加电源的噪声，而且由电源输出的两路信号容易互相干扰。 其二，原系统的光学引伸仪输出噪声较大，信号信噪比低，测量精度低，特 别是在变形较小时，测量误差较大。此外，原电路在四个加、减法器上都各使用 了三个可调电位器，加上最后减法器上的一个可调电位器，整个电路共有1 3 个 可调电位器，它们的电阻值都会对输出结果产生影响，操作十分困难，标定一次 需要很长时间。 其三，原系统中的稳压电源体积庞大且笨重，需要一个可移动的推车放置在 实验机的旁边。光学引伸仪中的激光发生器的电路部分制作粗糙，且裸置在实验 机上，对激光的出光质量有较大影响。激光头也仅仅是用粘胶带粘在一个纸盒上， 极；：i f i 稳定。这些都严重影响实验的操作过程。 对此，必须对中应变率的测试系统进行改进。 中心坐牢试验方法灶p m m a 动态力学性能的实验_ i f 丌究第1 章绪论 1 3p m m a 单向拉伸力学性能的研究 高分子材料的性能研究一直受到各国学者的重视，而力学性能的研究则无疑 是最为广泛的。 p m m a 是一种热塑性高分子材料，它的力学性能强烈地依赖于温度和f 应变 率。如图1 3 所示，p m m a 在不同的温度范围内呈现三种力学状态，即玻璃态、 高弹态和粘流态。l 是玻璃化温度，即玻璃态向高弹态转变的温度。t f 是流动 温度，即高弹念向粘流态转变的温度。p m m a 通常是在室温条件下或玻璃化温 度以下使用，在这种条件下，p m m a 有足够的强度和较高的弹性模量。 釜 制 t g t f 温度 图1 3p m m a 温度一形变曲线 由于p m m a 所具有的粘弹性质，其应力应变行为明显地受外界条件( 试验 温度和应变率) 的影响。因此有必要了解p m m a 在拉伸过程中力学性能随各种 因素变化而变化的情况；并根据相应的研究结果为工程应用提供设计依据。 图1 4 是本课题组以往得到的3 4 航空有机玻璃在不同应变率下的应力应变 曲线，图中给出了高应变率和准静态加载下的结果。这种材料在准静态和高应变 率加载时，力学性能都具有明显的应变率相关性，所以它所表现出的特点不同于 图1 1 所反映的规律。随着应变率的增加，其强度不断提高，而失稳应变不断降 低，表现出高速脆性的特点。图中缺少中应变率下的结果，难以给出p m m a 力 学性能在从准静态到高应变率的范围内的完整的变化规律。 wc h e n 等【9 】、z h u o h u al i l l 0 j 等也分别对p m m a 力学性能的应变率相关性进 行了实验研究，但所涉及的应变率范围同样只包括了准静态和高应变率范围，没 有给出p m m a 在中应变率下的性能。但在工程应用中，工程材料常常处于中应 变率载荷作用下，有关这方面的研究是非常必要的。 中心变率试验方法瘦p m m a 动态力学性能的实验研究第l 章绪论 【1 1 ，+ i乱 f o l 1 移口 证，7 ii 1 v i 一7 ， 茸。】一i e ：t i s t r a i nr a t e 一 00 0 0 5 1 垮 一4 4o0 1 6 1 拇 一i 7 s - j1 6 0 1 s s t r a i n ( ) 图1 43 4 航空有机玻璃不同应变率下的应力应变曲线 1 4 本文工作任务和内容 本文对自行研制的中应变率试验机测试系统进行改进，并在此基础上，对 p m m a 在中应变率下的拉伸力学性能进行实验研究。同时在m t s 8 1 0 材料试验 机上对p m m a 在准静态下的拉伸力学性能做了相关的研究，以给出p m m a 在中 应变率加载下的应力应变关系，得到几个主要力学指标的应变率相关性。 第二章对中应变率机的实验测试系统的问题进行分析，并加以改进。 第三章对p m m a 在1 0 一s 。1 0 1s 。应变率范围内共进行了8 个应变率的单向 拉伸实验，对应力应变关系以及试件断口进行分析。 第四章根据在实验中获得的材料应力应变关系，拟合出p m m a 在低、中应 变率下的本构关系。 第五章对全文工作进行总结，并对以后的工作进行展望。 4 如 盼 柏 一m乱芝一aj；s 中心业半试验方法投p m m a 动志山学一忖能的实验研究笫2 乖榭判r f 】心变率试验方法 第2 章材料中应变率试验方法 2 1 中应变率单向拉伸试验原理 2 1 1 中应变率试验原理概述 本文所使用的中应变率实验机原理图如图2 1 所示，采用的是两泵独立或者 并联的液压驱动加载系统，岗为液压系统具有能在较大范围内无级调速，工作平 稳，冲击小，能高速启动制动，控制调节简单等优点。同时采用撞击加载的方法， 以消除换向阀换向时问的影响。如图2 i 所示：由液压泵站驱动活塞杆5 加速至 预定速率后，使撞击活塞8 与连接器7 撞击，连接器带动央头1 2 对试件实施拉 伸或压缩加载。为降低撞击带来的振荡，在撞击活塞撞击端嵌有软材料( 聚四氟 乙烯、硅橡胶) 制成的缓冲块，故称缓冲撞击。行程开关1 、2 用于限定活塞孝t 运行的范围。但对于加卸载试验，由于活塞杆的惯性，行程开关的触发无法精确 限定活塞杆运行位置，故另设定位器3 、6 限定加载范围。应变测量采用自行研 制的光学引伸仪测量，应力测量采用精密力传感器9 测量并经自行研制的高动态 应变仪放大，光学引仲仪和高动态应变仪输出的数据经波形存储器采样后输入计 算机处理。 1 前行抖开关2 后行程开关3 前定位器4 液压缸5 活塞杆6 后定倪器 7 连接器8 撞块与缓冲块9 力传感器1 0 斤夹具1 1 试件1 2 前必具 图2 1中应变率材料试验机原理图 9 中应变率材料实验机的技术指标为：在1 1 0 “9 5 l o 。s 应变率范围内对哑 铃状圆柱试件和哑铃状扁平试件进行拉伸及加卸载实验，对圆柱状试件进行压缩 及加卸载试验，加载速度0 0 0 3 m s 1 5 m s ，最大加载力4 1 0 3 k g f 。 由圣维南原理，试件标距段可视为处于单向应力状念，由力传感器测得力一 时间曲线，将力除以试件标距段截面积可得应力时间曲线：光学引1 i 仪测得变 形时间曲线，将变形除以标距l 可得应变时间曲线；用一次函数对应变- 时间曲 中成变率试验方法投p m m a 动态力学- 跳能的实验城究第2 章削料中成变冀试验方法 线进行最小二乘法拟合，可以得到平均应变率；山应力一时间曲线和应变一时间曲 线可以得到应力一应变曲线。 2 1 2 载荷测量 采用华东电子仪器厂生产的b l r 】型拉压式力传感器对试件所受载荷进行 直接测量，量程为1 5 吨。其主要技术参数如下： 分辨率：额定载荷的0 1 灵敏度：1 0 1 5 m v v 非线性：三额定输出的0 5 激励电压：最高1 0 v 桥路形式及桥路电阻：全桥，6 4 0 q 力传感器采用m 2 4 x 1 螺纹连接，为此加工两根m 2 4 带心轴螺钉将传感器固 定在尾座和连接螺纹套上，并与央具相连。心轴与传感器内孔配合以保证传感器 受力方向与其轴线重合，如图2 2 所示。 连接到夹具琴鼍黠毒挚p 尾座 带心轴的螺钉 图2 2 力传感器内部电路为山贴在受力简表面的八片应变片组成的全桥。在激励电 压( 8 v 左右) 的激励下，当传感器不受力时，电桥处于平衡状态，传感器输出 为零；当对传感器施加载荷时，电桥失去平衡，导致输出与载荷、激励电压成正 比的信号。传感器的激励与输出信号的放大由应变仪完成，本系统采用了自制的 高动态应变仪来采集载荷信号。 在8 v 激励电压的激励下，传感器电桥输出4 v 的共模信号和最大1 0 m v 的 差模信号，其中差模信号需放大2 0 0 倍才能输出到波形存储器采样。放大电路必 须满足以下要求： 1 、商的共模抑制比，在放大差模信号的同时抑制共模信号，要求共模抑制 比c m m r 2 8 0 d b ： 2 、输入阻抗高，以避免对电桥造成影响，要求输入阻抗比电桥的电阻( 6 4 0 1 2 ) 6 中心变牢试验方法及p m m a 动态力学性能的实验研究第2 章材料中心变率试验方法 高出1 0 0 至1 0 0 0 倍以上； 3 、带宽宽，以保证信号能不失真地被放大，要求3 d b 带宽大于1 0 0 k h z 。 4 、噪声小，噪声大小直接影响信噪比，特别是在曲线的起始段，信号很小， 容易被噪声淹没。 此外，温漂、失调也要小。 根据以上要求，现采用a n a l o gd e v i c e 公司生产的精密运算放大器a d 6 2 4 a 。 其主要技术指标如下：( 在电源电压v s = - l - 1 5 v ，温度t = 2 5 ，增益g = 2 0 0 条件 下) 。 增益误差：最大士0 2 5 非线性：最大土o 0 0 5 增益与温度关系：最大1 0 p p m 。c 共模抑制比：1 0 0 d b 小信号一3 d b 带宽：1 0 0 k h z ( g = 2 0 0 ) ，1 5 0 k h z ( g = 1 0 0 ) 等效输入噪声电压：v n = 4 n v 胁( f = l k h z 时) 差分输入阻抗；1 0 地 共模输入阻抗：l0 9 q 输入失调温漂：2 0 0 9 v 5 1 a v 。c 输出失调温漂：5 m v 5 0 1 t v 电源电压：士6 v 士1 8 v 以a d 6 2 4 a 为核心组成的高动态应变仪电路如图2 3 所示。由7 8 0 8 提供+ s v 电压激励力传感器电桥；a d 6 2 4 a 的引脚3 与引脚1 2 相连，设定放大倍数g = 1 0 0 ； 引脚9 输出信号到波形存储器：v o u t = g ( v a v c ) ；1 0 k 可变电阻用于a d 6 2 4 a 调 零；在电桥的某一桥臂上并联一组标准电阻( 图2 ，3 中只画出了这组标准电阻中 的一个，电阻值为1 5 0 k f 2 ) 用于对测量电路进行标定。 图2 3 高动态应变仪 v o u t 姒 k 口 上t 鼢印 。以蛄。 。ii_l耶 甲_w_啊111可【 中应变率试验方法驶p m m a 动态力学性能的实验研究第2 辛年才料中啦变牢试验方法 2 1 3 变形测量 在中应变率实验中，【| j 于机械引伸仪的响应过慢，无法满足巾应变率试验的 要求，因而试件变形采用自制的以p s d 为基础的光学引伸仪来测量。 p s d ( p o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o r ) 光电位置传感器是种对入射到光敏面上 的光点位置敏感的光电器件1 1 “。其输出信号与光点在光敏面一t - 的位置有关。其特 点是： 1 、对光斑的形状无严格要求，即输出信号与光的聚焦无关，只与光的能量 中心位霞有关，对测量来泌很方便。 2 、光敏面上无须分割，消除了死区，可连续测量光斑位置，位置分辨率高， 一维p s d 可达0 2 p r o 。 3 、可同时检测位置和光强，p s d 器件输出的总电流与入射光强有关，各信 号电极输出光电流之和等于总光电流，从总光电流可求得相应的入射光强。 图2 4 是p s d 断面结构示意图，上面为p 层，中间为i 层，下面为n 层， 制作在同一硅片上，p 层既是光敏层，又是一个均匀的电阻层。当入射光照射到 p s d 的光敏层时，在入射位置e 就产生了与光能成比例的电荷，此电荷作为光电 流通过电阻层( p 层) 山电极输出。 i l 崖 i 偿 n 层 图2 4 p s d 断面结构示意图 p 层的电阻是均匀的，所以由电极1 和电极2 输出的电流分别与光点到各电极的 距离( 电阻值) 成反比。电极1 和电极2 距光敏面中心点的距离均为i 。，电极i 和电极2 输出的光电流分别为1 1 和1 2 ，电极3 上的电流为总电流i o ，则有：1 0 = i i + 1 2 。 以p s d 的中心点为原点，光点离中心点的距离为x a ，电极3 处于中心位景，则 有： 卜簪厶卜等厶 ( 2 - 1 ) 所以 光1 一一l 阻f一r扎 中心变牢试验方法搜p m m a 动态j 学性能的实验研究第2 章材料中心变牢试验方法 弘；舞三 pz ， 利用上式即可确定光斑能量中心相对于器忭中心的位置x a ，它只与i l ，1 2 电流 的差值与总电流的比值有关，而与总电流的大小( 即入射光的强弱) 无关。 本光学引伸仪采用了两个一维p s d 器件，测量原理如图2 5 所示：在试件 上相距l 的位景( 标距段) 平行地粘贴两根光纤，激光器发出的激光经光纤照射 在p s d 器件光敏面上；当试件发生变形时，光纤随试件移动，p s d 器件输出与 位移成难比的电流信号。通过信号处理电路获得与试件变形成正比的信号。 图2 5 信号处理电路的方框图见图2 6 ，p s d 器件输出的电流i l 、1 2 经电流电压转 换电路转换为相应的电压，分别相加、减后再进行除法，得到每路的位移，再将 二路的位移相减，得到总的位移。 电粤粤粤转换【f _ = 加法器1 | y r 藤夏i 。一1 叭 电流t 晒藉琴1 i jj 唾硒j “一儿。l 电流【乜辱转篓j 并j 塑登登ji| ： 瀛注器 j u 0 。_ 卜磊il 瞄u i - 一竺兰- 堕】u ，。 电鎏粤要镪r 晒矽| _ 甚1 ” 图2 6 信号处理电路方框图 2 2 对中应变率试验机测试系统的改进 因为有些材料的强度较低，试件尺寸也要受到设备的限制，可能会出现试件 9 妇心册 j|jj陌，lj【 ，；挈 件_ 试、 搀i i 4 必 薹一 l瞄 中戍，叟串试验方法技p m m a 动态力学性能的实验研究第2 章树毒斗中廊变枣试验方法 断裂时的载荷值较小，所以噪声会对所采集的信号产生很大的影响。在对测试系 统的改进： 作中，我们的目的尽量减少噪声，并增大有用信号，以提高信噪比， 将噪声控制在对实验结果不会产生较大影响的范围内。同时使实验操作简单易 行。 2 2 1 电源的改进 原系统中加于高动态应变仪上的力传感器电桥的电压只经过一个7 8 0 8 稳 压，这样，当电源电压变化时，7 8 0 8 输出电压的变化即是电桥端电压的变化， 这个变化量最大能达到几十m v ，( 7 8 0 8 指标) 它引起放大器a d 6 2 4 a 输入电压 的变化，在输出端引起信号波动，造成测量误差。而且原系统中用于采集力信号 的高动态应变仪和采集位移信号的光学引伸仪都是共用一个外界的稳压电源，无 法进行改进。同时因为稳压电源是通过长距离的导线连接到测试系统，长距离的 导线容易增加电源的噪声，并容易互相干扰。 根据以上的情况，我们放弃了使用外界的稳压电源，自制了直流稳压电源分 别供给应变仪和光学引伸仪使用。为了消除电源电压波动的误差，我们采用了二 级稳压，即变压器的输出先经过一次7 8 15 稳压得- n + 1 5 v 直流电压，再经过7 8 1 2 得到比较精确的+ 1 2 v 电压作为7 8 0 8 的输入，提高了7 8 0 8 输出电压的精度，电 源输出在空载时的纹波电压v 。为o 0 0 4 m v ，在工作中经过应变仪电路高倍放 大后的输出 z，口 j 【l，i iilio一fl = h t 1 ，j l n _ n _ 2 n【 1ll!d1 li u u ，垒 u u o r ，自 lh o o，+llll【 拈八州 8 1 0 告o 舀 1旧矿q 2 ，i 固 l粥。l幢a一叫童。褂一川川飞脊一掣 i i 。 8 e u u 11。z曼 乜1 ，州川 j ljii 乖醉一j 出1 自1 ： 。|自 嚏叭一囊j靠f唯_：=一可弩 争翼 豇 k“恤旧旦_ l妒暂j t旷吣_ m舳”阻一恁、毵 h ：e z 日； g lj l非叫卧i 媳一警 引”葺n “4 。 一u l妒卧。 ， u一t【圜 癸一镪搿 中j 虹变率试验方沈搜p m m a 动态力学能的实验研究第2 章材料中心变率试验方法 u 3 = ，3 ru 4 = j 4 x r ( 2 3 ) r 为电流电压转换电路的反馈电阻，四个电阻阻值相同。经过加、减法器和除法 器后可得： u 5 = u l + u 2 = ( ，l + ，2 ) r u ，= ( ，3 + ，。) r 小瓦u 6 = 措 u 。= ( j ，一，：) r u 。= ( ，一，。) r( 2 4 ) = 渗2 错p s ， 总的位移为 拈吣扣( u 9 - u l o m _ c 错一措j l 弘6 ) 利用载荷和变形测量系统，并根据采样的时间间隔，我们就可以得到载荷一 时问曲线和变形时间曲线。 在完成对p s d 信号处理电路的改进后，我们发现p s d 光学引伸仪的输出噪 声虽然有大幅度降低，但仍未达到实验要求。实际上光学引伸仪的噪声包括两大 部分，即仪器系统噪声和外界干扰。仪器噪声主要有：p s d 等效噪声输出大约 7 1 x v ，o p 0 7 放大器引起的噪声大约有2 9 v ，a d 7 3 4 的噪声可达1 0 m v 以上，电 源产生的约为2 m v ，尽管这些噪声已经比较大，但是由于输出信号很大( 约为 3 7 5 m v l a m ) ，信噪比可以满足试验的要求，这表示外界干扰是很重要的噪声源。 外界干扰也有两部分，一是照在p s d 表面上的背景光引起的噪声，在试验时， 只要关闭其他不必要的光源，这部分干扰也可以明显减小：另外部分来源于入 射激光的强度和质量。表2 1 是不同光强下的噪声情况。 表2 1输出噪声与输入光功率的关系 光强( m w )噪声( m v ) 02 5 0 0 | 2 55 0 0 81 5 1 85 可以看出，输出噪声随着入射光的增强而迅速减小，说明在信号较强时 a d 7 3 4 的噪声被抑制。从光学引伸仪测量原理可以看出，输出信号实际上是与 光强几何中心相关，当激光光强较小时，光强几何中心受背景光的影响较大。随 着激光光强的增加，光强几何中心受背景光的影响逐渐减小，从测量结果来看， 中心变半试验方法及p m m a 动态力学件能的实验_ l j f 究第2 章材料中心变率试验方法 表现为噪声降低。从p s d 器件的性能来看，1 l 5 s p 对光的响应为0 6 3 a w ，在 入射光达到1 8 m w 时，信号电压已超过i v ，信噪比达到4 0 d b 以上。此时噪声 的影响已很小了。 另外，激光光源的输出质量也很重要。我们选用了南京春辉公司生产的将激 光发生电路制作成一体的激光发生器，出光质量较高，功率一般达到1 5 m w 以 上。同时注意保持光纤头的平整、光滑，使出射的激光均匀集中，避免光纤头的 不规则，导致激光出射不规则，致使激光能量不集中，光强降低，引起附加噪声。 经过以上这些措施，p s d 光学引伸仪的输出噪声得到有效控制，实验精度有很大 提高。 2 3 载荷测量系统的电标定原理及频响测试 n = | 于电阻阻值、激励电压等会随着外界环境不断变化，由此会导致整个电路 参数的变化，影响载荷与输出电压之间的比例关系。因此，我们提出了电标定的 方法。首先在岛津材料试验机上对力传感器和高动态应变仪进行最初的标定，得 到载荷与输出电压之间的关系。 设力传感器内构成电桥的电阻阻值为r 。通过点动开关并联进来的电阻阻值 为r 。，并联后引起的无量纲电阻变化为瓦，对应的电压输出为。与a 瓦 的关系为 。= a r 。z o( 2 _ 7 ) 其中v o 是与电路当时的状况有关的一个量。用岛津试验机对力传感器进行标定 时，载荷与相应的电压输出分别为n o 和。，它们之间的关系分别为 n o = k o o ( 2 8 ) 其中k 。为比例系数，可以通过标定过程获得的载荷与输出电压的关系得到。由 此，可知与无量纲电阻变化瓦相对应的载荷为 n f 0 = k o o = k o r o a n o ( 2 - 9 ) 为了消除放大电路中环境变化引起的激励电压、放大倍数及电阻的变化等不 确定因素的影响，在做实验之前，还需要对载荷测量系统进行进一步标定，以修 正一些参数，得到更准确的结果。标定的原理如图2 8 ，设点动丌关并联进来的 电阻阻值为r ，并联后引起的无量纲电阻变化为瓦，对应的数字量输出为s 。 & 与豆的关系为 s r = a r s o ( 2 1 0 ) 其中瓯是与电路当时的状况有关的一个数字量。试验过程中的载荷与相应的数 中心娈牢试验方法驶p m m a 动态j j 学牲能的实验研究第2 审材科中心婕书试验方沾 字量输出分别为n 和s 。，它们之间的关系为 = k s ( 2 - 1 1 ) 图2 8 载荷测量的标定原l 里 其中k 。为比例系数，且f 是试验前应确定的常数，确定了k 。，e p 百j - 确定载荷 与输出电压之间的关系，便于试验结果的分析。另外，与无量纲电阻变化瓦相 对应的载荷为 n r = k w s r = k v s o a rt 2 1 2 ) 如果认为载荷与无量纲电阻变化在任何情况下具有确定的正比关系，则根据 式( 2 9 ) 和式( 2 1 2 ) ，可得 k o = k s o( 2 1 3 ) 则根据前面的式子，可知k 。可以由下式确定 驴惫箦 ( 2 - - 。) 式子右边的五个量都足可以确定的，这样就可以确定k 。 此外，我们对高动态应变仪的频率晌应进行了测试。由于该应变仪的输入信 号是直接经过直流偶合送入的，因此低频响应非常好，可认为是零。我们使用宁 波中策电子有限公司生产的d f l 6 3 6 a 函数信号发生器和t e k t r o n i x 公司生产的 p 2 1 0 0 型示波器( 1 0 0 mh z ) 对其高频响应进行测试，在输入为1 0 m v 的情况下， 我们测的在1 0 0 k h z 的输出信号为1 , 4 v ，即应变仪的3 d b 带宽为i o o k h z ，与应 变仪中的核心芯片a d 6 2 4 a 一致，说明周围电路对整个应变仪的频响没有太大 影响。 2 4 本章小结 本章首先对中应变率材料实验机的实验原理进行介绍，包括实验机机械运动 中心变率试验方法及p m m a 动态力学性能的实验埘究第2 章材料中庶变率试验方法 部分、载荷测量与变形测量三个部分内容，其中在载荷测量的部分对每次实验前 用标定电阻对力传感器的参数进行标定的原理进行了详细地阐述。 其次，对中应变率实验机的改进工作进行了洋细地说明，主要有对载荷测量 和变形测量电路的电源部分的改进，对p s d 光学引申仪电路的改进，以及我们 为了提高所采集信号的信噪比所做的努力。经过改进，中应变率实验机信号采集 与处理系统的性能有了很大提高，保障了以后实验工作的顺利进行。 中m 变率试验方法技p m m a 动态力学件能的实验 i | _ 究第3 章实验结果及试件断u 分析 第3 章实验结果及试件断口分析 3 1p m m a 试件 1 一i ，】、一i 善i 一一l r | 卜 ? j 3 1 2 加工 有机玻璃是一种高度脆性的材料，在试件加工的过程中很容易对试件造成损 伤。同时有机玻璃对应力集中效应极其敏感，微小的损伤会对试件的断裂强度产 生很大的影响。在摸索的过程中，我们逐渐总结出保护试件的方法，以求把机械 加工对试件造成的损伤减小到最低的程度。保护的方法有以下两点： 第一，在加工前在p m m a 试件的两边贴上铝片，加工时连同铝片一起进行 铣削，由于铝的刚度大大高于p m m a ，所以可以有效地减少加工中p m m a 试件 所受到的损伤，超到保护试件的作用。 第二，铣削时选用较低的切削量和进给速率，以减少试件所承受的冲击力。 一】1， 1 一l_f 引 一 7、 =!v一 ： _ 斗一配 一 一 - 卜。j j o 中戍变率试验方法及p m m a 动态力学件能的实验研究第3 帝实验结果灶试件断u 分析 3 1 3 试件夹持段的保护 在实验过程中，试件是通过楔形夹板固定在实验机上的。由于楔形夹板的材 料是t i o a ，具有很高的硬度，而有机玻璃是高分子材料，硬度有限，在装央试 件的过程中容易在兴头的端部对试件造成损伤，从而引起试件在央头的端部断 裂。对卸下后的试件进行观察，也可以发现在试件的夹持段上有明显的牙痕。对 此，我们采用了划试件的夹持段粘贴双面胶带作保护层，收到了明显的成效。 3 2 应变率的确定 本文对p m m a 进行了单向拉仲实验，在中应变率和准静态下分别各进行了 四档实验。其中准静态下的实验是在m t s 8 1 0 材料实验机上完成的。我们对试件 进行了编号，以1 开头的对应于中应变率实验，以“3 ”开头的对应于准静态实验。 图3 3 为试件1 2 3 l 的实验结果，横轴为时问，纵轴为与位移和载荷相对应的数 字量。试件1 2 31 属于应变率最高的一组。 a t ，o n m 0 i 图3 3 试件1 2 3 1 的实验结果 口删 。瞄 。 。吣 。日1 。 o o 0 o i o5 0 一 o bo d 0 2 t i m 8b r i m e ( s l ( a )( b ) 图3 ，4 试件1 2 3 1 的应变时间