超材料結構楊氏模量檢測——復達客戶檢測案例
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463 接到需求北京某大學需要分析測量超材料結構的等效泊松比與等效楊氏模量。
客戶背景
客戶是北京一所大學，測試是課題研究。
客戶需求
目的主要是
1、測試尼龍母材的楊氏模量、泊松比。
2、測試2類點陣結構件(點陣結構A與點陣結構B，每組兩個重復實驗)的等效泊松比、等效楊氏模量、相對楊氏模量。
3、驗證每組結構件實驗的可重復性。
4、驗證兩組點陣結構的負泊松比變形特性。
解決方法
一、實驗內容
1、 利用力學拉伸機對2個母材試件進行準靜態拉伸試驗，試驗過程和結果按照實驗標準GB-T 1040進行，利用DIC應變測量系統進行應變數據的采集。
2、 利用力學拉伸機對4個點陣結構件進行準靜態拉伸試驗，完成拉伸過程的載荷、位移數據采集，利用DIC應變測量系統完成縱向應變、橫向應變的數據采集。
3、 完成采集數據的處理，得到拉伸方向的楊氏模量與指定方向的泊松比。
二、實驗儀器
1、力學拉伸機，力傳感器(母材實驗建議使用5kN左右力傳感器，點陣結構實驗建議使用10kN或以上力傳感器)
2、DIC非接觸式全場應變測量系統(二維或三維)
3、游標卡尺，噴漆，油性筆，手套等
4、2個尼龍母材拉伸測試試件，4個點陣結構模型(點陣結構A與點陣結構B各2個)
三、實驗原理
1、 基本力學原理
(1)圣維南原理
若將物體的一部分邊界上的面力變為分布不同但靜力等效的面力 (主矢量相同, 對同一點的主矩也相同) , 其近處的應力分布會受到顯著影響, 但遠處所受影響可忽略不計。因此，在遠離集中載荷作用的模型中段可視為受力形式固定，具有和模型對應的周期性。
(2)泊松比效應
在單向拉伸實驗中，在材料的比例極限內，除了在正應力方向上產生拉伸正應變外，還可觀察到在垂直于正應力的方向上會產生橫向應變，兩者之間的比例關系，稱為材料的泊松比。
2、應變測量
利用DIC非接觸式全場應變測量系統測量材料的應變，實驗前在試件上噴上大小合適的均勻散斑，實驗過程中通過相機獲取試件圖像信息，使用數字圖像相關法進行圖像處理得到標記點的位置變化，進而得到位移、應變等信息。
四、實驗步驟
1、母材的力學性能測試(GB-T1040.2)
(1)在試件表面標出標距、夾頭間距。共2個試件。
(2)利用游標卡尺測量試件寬度、厚度、標距等尺寸。
(3)使用黑色噴漆在試件表面噴上散斑，盡量使黑色和白色的面積各占50%，對2個試件拍照。
(4)選定合適的拉伸機力傳感器(5kN)和拉伸夾頭，更換到拉伸機上。
(5)打開DIC設備軟件，調整鏡頭視場，調整光源，使用標定板進行標定。
(6)打開拉伸機控制軟件，根據試件尺寸設置好標距、橫截面積等，設置拉伸速率：2mm/min，采樣頻率：3-10Hz。
(7)將試件兩端夾在夾具上，使試件固定在拉伸機中。
(8)打開DIC軟件對試件進行長度標定，設置豎直和水平線探針。確認散斑質量。使拉伸機與DIC的采集頻率一樣。
(9)DIC設備軟件開始記錄試件位移數據。拉伸機開始進行拉伸。
(10)對拉伸過程進行錄像。
(12)在試件完全斷裂后，結束拉伸，結束DIC軟件采樣。
(12)導出拉伸機實驗數據、DIC實驗數據和視頻錄像。
(13)對剩余試件重復(7)-(12)。
2、超材料結構的力學性能測試
(1)利用游標卡尺或尺子測量試件各方向尺寸、桿徑。
(2)使用黑色噴漆在試件表明噴上散斑，盡量使黑色和白色的面積各占50%。
(3)選定合適的拉伸機傳感器(10kN或以上)和拉伸夾頭，更換到拉伸機上。
(4)打開DIC設備軟件，調整鏡頭視場，調整光源，使用標定板進行標定。
(5)打開拉伸機控制軟件，根據試件尺寸設置好標距、橫截面積等，設置拉伸速率：5mm/min，采樣頻率：3-10Hz。
(6)將試件兩端夾在夾具上，使試件固定在拉伸機中。
(7)打開DIC軟件對試件進行長度標定，選定豎直和水平探針，設定探針輸出縱向應變和橫向應變，如圖3.確認散斑質量。使拉伸機與dic的采集頻率一樣。
(8)DIC設備軟件開始記錄試件位移數據。拉伸機開始進行拉伸。
(9)對拉伸過程進行錄像，并觀察是否具有明顯的負泊松比效應。
(10)在試件完全斷裂后，結束拉伸，結束DIC軟件采樣。
(11)導出拉伸機實驗數據、DIC實驗數據和視頻錄像。
(12)剩余試件進行同樣的實驗，重復(6)-(11)。
(13)關閉拉伸機、DIC，將實驗設備歸位，收拾實驗臺。
客戶反饋
最后給出了等效楊氏模量(Mpa)、相對楊氏模量、等效泊松比的分析數據，客戶收到原始數據和報告后對我們的周期和測試結果很滿意，并答應下次相關測試還來聯系我們。
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