当前位置：文档之家 › 动态拉伸实验数据处理方法的改进及应用

动态拉伸实验数据处理方法的改进及应用

  • 格式：pdf
  • 大小：187.43 KB
  • 文档页数：4

国　防　科　技　大　学　学　报　第２９卷第３期　ＪＯＵＲＮＡＬ　０ＦＮＡＴＩＯＮＡＬ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＤＥＦＥＮＳＥＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｖｏ１．２９　Ｎｏ．３　２１３０７　

文章编号：１１３０１—２４８６（２００７）０３—００３１—０４　

动态拉伸实验数据处理方法的改进及应用　王瑞峰，卢芳云，林玉亮，陈　荣　（国防科技大学理学院，湖南长沙４１００７３）　

摘　要：通过对反射式霍普金森拉杆实验技术进行分析，发现加载杆和承压环之间配合不够紧密时，在加　载波到达承压环处可能出现影响实验结果的干扰信号。为了修正实验测试结果，编写了带有修正功能的实验　数据处理程序对实验数据进行修正处理。利用带修正功能的数据处理程序对一种铝合金的动态拉伸实验结　果处理，结果表明，新的数据处理程序得到的结果是合理的。　关键词：霍普金森拉杆；动态拉伸实验；数据处理　中图分类号：０３４７．３　文献标识码：Ａ　

Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｄａｔａ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｆｏｒ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｔｅｎｓｉｌｅ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　

ＷＡＮＧ　Ｒｕｉ—ｆｅｎｇ，ＬＵ　Ｆａｎｇ－ｙｕｎ，ＬＩＮ　Ｙｕ－ｆｉａｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｒｏｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｕｎｉｖ．ｏｆ　Ｄｅｆｅｎｓｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００７３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＳＨＴＢ　ｔｅｓｔｓ　ｗｅｒｅ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ａｎｄ　ｉｔ　ｗａｓ　ｆｏｕｎｄ　ｔｅａｔ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｉｎｇ　ｓｉｇｒｌａｌｓ　ｃｏｍｉｎｇ　ｆｒｏｍ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｓｐｅｃｉＩ１１ｅｎ　ａｎｄ　ｂａｒｓ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｇｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔｅｄ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｄａｔａ　ｐｒｏｃｅｓｓ吨ｗａｓ　ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ　ｔｏ　ｒｅｖｉｓｅ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｉｎｇ　ｓｉｇｎａｌｓ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｄａｔａ　ｏｆ　ａｎ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ａｌｌｏｙ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｗｅｒｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｐｒｏｇｒａｍ，ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｅｒｅ　ａｃｈｉｅｖｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＳＨＴＢ；ｄｙｎａｍｉｃ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ｄａｔａ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　

目前，材料动态力学性能的研究越来越受到人们的重视，分离式霍普金森杆是测试材料动态力学性　能的主要手段之一。分离式霍普金森压杆是１９４９年由Ｋｏｌｓｋｙ…提出的，经过半个多世纪的发展，已形成　

比较完整的霍普金森实验技术，并获得广泛应用。　为了研究材料的冲击拉伸性能，由霍普金森压杆技术延伸拓宽发展的分离式霍普金森拉杆　也　得到了比较广泛的应用。分离式霍普金森拉杆实验技术依据加载方式的不同，可以分为反射式、转盘式　和直接撞击式等。其中，反射式霍普金森拉杆技术是在压杆基础上改进的，成本较低，且操作简单。但　是由于反射式霍普金森拉杆技术在试件连接处容易产生干扰信号，从而使得测到的应力应变曲线不能　真实地反映材料的拉伸特性。为了改进这种冲击拉伸技术，国内一些文献介绍对这种拉伸技术的改　进ＬＪ　引，并取得了一定的效果。这些都是对实验装置进行的改进，具有一定的局限性，本文从实验数据　处理方面着手，通过自行编写的程序将干扰信号与有效信号分离，得到了能真实反映材料冲击拉伸特性　的应力应变曲线。　

１实验装置与原理［　。］　反射式霍普金森拉杆（ＳＨＴＢ）是在压杆基础上通过改变试样与加载杆的连接方式实现的。反射式　ＳＨＴＢ实验将试样两端面分别粘贴或用螺纹等方式连接于输入杆与输出杆端面上，试样外围放置与压杆　同种材料的承压环。实验装置如图１所示。　实验中子弹以一定速度沿轴向撞击输出杆，引起压缩应力波在杆中传播，当压力脉冲达到试样与压　

＊收稿日期：２００６—１２—３０　基金项目：国家自然科学基金资助项目（１０６７２１７７）　作者简介：王瑞峰（１９７８一），男，博士生。　

维普资讯 http://www.cqvip.com ３２　国防科技大学学报　２００７年第３期　子弹　输出杆　应变片２　试样　输入杆　应变ｇ＇ｌ　

拉伸试样　承压环　图１　ＳＨＴＢ装置示意图　Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ａｐｐａｒａｔｕｓ　ｏｆ　ＳＨＴＢ　杆界面时，基本上以无耗散的方式通过承压环和试样共同组成的横截面。由于承压环的横截面积比试　

样横截面积大ｌ０倍以上，因此它将承受压缩脉冲的主要部分，使试样几乎不受压或只发生弹性变形。　压缩脉冲透过试样继续前行，到达输入杆自由端以拉伸波的形式反射后继续传播，当拉伸波到达试样　处，部分透过试样形成透射信号ｅ　，另一部分被反射形成反射信号ｅ　，此时承压环失去作用。　用类似ＳＨＰＢ实验相同的数据处理方法，可以得到材料动态拉伸性能。拉伸试样中的工程应力和　应变、应变率为：　

（￡）＝了／４－０　（￡）　（１）　１５　ｒ　ｃ　Ｊ　ｅ　（￡）＝｛一兰　（ｔ）ｄｔ　（２）　

√０　

（ｔ）＝一　（￡）　（３）　５　式中，Ｅ，Ａ。分别为压杆的杨氏模量和横截面积，ｃ。是杆中弹性波速度，ｆ　和Ａ　分别为试样厚度和横截　

面积。　

２干扰信号分析　图２是ＳＨＴＢ实验装置中波传播示意图，从波传播示意图中可以分析拉伸实验过程中可能出现的　问题。在进行实验过程中，可能出现承压环与加载杆的连接不够紧密的情形，这样子弹撞击产生的压缩　波在通过支撑环和试样时，就会出现界面效应，通常会在界面处形成干扰信号ｅ　，即图２中虚线所示部　分。界面不匹配是造成干扰信号产生的根本原因，该干扰信号造成了实验结果的误差。　

童王一囊　蛐　Ｐ。—　ｔ　－　咔　≥　嚣　‘～　’　一　‘　“　…÷“‘　Ｉ　￡ｒ　｝　●。　。●●　

４　』　Ｊ　｝　

图２　ＳＨＴＢ中波传播示意图　图３动态拉伸实验信号图　Ｆｉｇ．２　Ｓｔｒｅｓｓ　ｗａｖｅ　ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　ｉｎ　ＳＨＴＢ　Ｆｉｇ．３　Ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｓｔｒｅｓｓ　ｗａｖｅ　ｓｉｇｎａｌｓ　

本实验室所建立的分离反射式霍普金森拉杆实验装置采用的输入杆和输出杆长度相同，其长度为　１８００ｍｍ，材料为ＬＹ１２铝，直径为２０ｍｍ，密度为２．７８５ｇ／ｅｒａ３，杨氏模量为７１ＧＰａ。使用如此长度的加载杆　

维普资讯 http://www.cqvip.com 王瑞峰，等：动态拉伸实验数据处理方法的改进及应用　３３　是为了使入射波与反射波能更好地分离，从而可以利用反射信号进行应变的计算，使处理数据得到的应　力应变曲线更可信。从图３的原始波形图也可以看出，入射信号与反射信号分离与预期效果一致。　但这同时也带来另外一个问题：由于两个加载杆长度相同，界面反射形成的干扰信号在输出杆中经　过两次反射后与透射波重合在一起，从而使测到的透射信号ｅ　不能反映材料所受到的真实应力，而是　包含干扰信号ｅ　的合成信号，因此需要对采集到透射信号进行分解才能得到真实的透射信号。图３是　从一动态拉伸实验的原始波形图的分析图中采集到的信号，在透射信号前有幅值较小拉伸信号和压缩　信号，这就是分析中的干扰信号ｅ　。而从透射信号ｅ　中可以发现其前半部要明显高于后半部分，这是　干扰信号叠加的结果。　

３数据处理修正　为了避免干扰信号影响实验结果，有两种途径可以实现干扰信号与真实信号的分离。一种途径是　通过改变输入杆和输出杆的长度实现，即将输出杆的长度加长，使干扰信号在透射信号之后到达应变片　２，实现干扰信号与真实信号分离。利用杆中的波速和加载波宽可以计算出输出杆长度与输入杆长度的　差异△ｆ。在动态拉伸实验中，采用的子弹长度ｆ为３００ｒａｍ，杆中弹性波速ｃ。为５０９６ｍ／ｓ，在理想方波加　载情况下，脉冲持续时间为ｔ为：　ｔ＝２ｌ／ｃ０　（４）　经计算得出加载脉冲时间持续时间ｔ为１１８ｔｚｓ，但是在实验过程中为了防止加载信号出现高频震荡和保　证常应变率加载，通常要使用波形整形器，这使得加载脉冲持续时间拉长，从图３的实验信号中可以看　出，脉冲持续时间在２００ｔｚｓ左右。在计算过程中，取脉冲持续时间为２００ｔｚｓ。所以，要保证干扰信号与透　射信号分离，就要使透射信号与干扰信号到达时间相差至少要２００ｔｚｓ。根据图２的波形分析图可以推出　计算△ｆ的公式为：　ＡＩ：ｃ０　ｔ／２　（５）　由公式（５）可以计算出△ｆ为５００ｍｍ，即输入杆长度保持不变，输出杆长度要达到２３００ｒａｍ，由于材料　特性的限制，加工如此长度的杆是比较困难的，所以目前没有采用该方法。　另一途径是通过数据处理程序对透射信号进行修正，得出真实信号。本文就是从这方面出发实现　干扰信号与真实信号分离的。　本文在数据处理程序中加入了对透射信号进行修正的部分，利用加入修正功能的数据处理程序对　得到的实验信号进行处理，取得了令人满意的结果。修正程序采取的基本步骤为：　（１）计算杆中波速：利用程序分别判断示波器通道１和通道２的压缩信号起跳点，并计算出其时间　差为△ｆ，由此可以计算出杆中波速ｃ。其计算公式为：　ｃ＝（ｆ２＋ｆ３）／Ａｔ　（６）　（２）采集干扰信号：以通道１中压缩信号的起跳点为基准，利用波速确定采集干扰信号ｅ　的起始点　ｔ　＝２（ｆ　＋ｆ：）／ｃ，采集信号宽度为２００ｔｚｓ。在程序中采用压缩干扰信号，因为压缩干扰信号前基线较平，　可以减少数据采集的误差。　（３）采集透射信号：确定透射信号ｅ　的起始点ｔ　＝２（ｆ：＋ｆ。＋ｆ　）／ｃ，采集信号宽度为２００ｔｚｓ。　（４）透射信号修正：将采集的透射信号ｅ　与干扰信号ｅ　相加，得到修正后的透射信号ｅ　，即：　ｅ　＝ｅ　＋ｅ　（７）　（５）利用修正透射信号ｅ　，进行数据处理，就可以得到理想的应力应变曲线。　图４是一种铝合金的动态拉伸应力应变曲线，实线表示利用修正数据处理程序得到的曲线；虚线是　没有进行修正得到的曲线。在没有进行修正的应力应变曲线中，该合金的屈服应力为４３７ＭＰａ，而修正　后的屈服应力为３６３ＭＰａ，相差２０％。而从应力应变曲线分析该合金特性会得到不同结论，修正后的曲　线表明该合金是应变硬化，而没有修正的曲线则表明是应变软化。修正后得到铝合金具有应变硬化的　特性与一些文献［１１—１２］给出铝合金的特性相同（如图６所示），这说明修正结果是可信的。因此，对实　

维普资讯 http://www.cqvip.com

合集下载

大学物理实验三动态法测量金属杨氏模量

大学物理实验三动态法测量金属杨氏模量

实验三 动态法测量金属杨氏模量杨氏模量是描述固体材料弹性形变的一个重要的物理量，它是反映材料形变与内应力关系的物理量，也是反映工程材料的一个重要物理参数。

测定杨氏模量的方法很多，通常采用静态法、动态法、 波速测量法等。

我们学过的拉伸法属于静态法，这种方法在拉伸时由于载荷大，加载速度慢，含有驰豫过程，所以不能真实地反映材料内部结构的变化，而且不能对脆性材料进行测量。

另一种通常采用的方法是动态共振法，它的适用范围大（不同的材料，不同的温度），试验结果稳定、误差小。

所以更具有实用性，也是国家标准GB/T2105-91所推荐使用的测量方法。

一、实验目的1．学习用动态悬挂法测定金属材料的杨氏模量。

2．培养学生综合运用物理实验仪器的能力。

3．进一步了解信号发生器和示波器的使用方法。

二、实验仪器动态杨氏模量试样加热炉、信号发生器（含频率计、信号放大器）、数显温控仪、示波器、游标卡尺、千分尺、天平、待测试样等。

三、实验原理悬挂法是将试样（圆棒或矩形棒）用两根悬线悬挂起来并激发它作横振动。

在一定条件下，试样振动的固有频率取决于它的几何形状、尺寸、质量以及它的杨氏模量。

如果在实验中测出试样在不同温度下的固有频率，就可以计算出试样在不同温度下的杨氏模量。

根据杆的横振动方程式02244=∂∂+∂∂tyEJS xy ρ （1）式中ρ为杆的密度，S 为杆的截面积，⎰=sdS y J 2称为惯量矩（取决于截面的形状），E即为杨氏模量。

求解该方程，对圆形棒得（见附录）2436067.1fdm l E =式中：l 为棒长；d 为棒的直径；m 为棒的质量；f 为试样共振频率。

对于矩形棒得：23394644.0fbhm l E =式中： b 和h 分别为矩形棒的宽度和厚度；m 为棒的质量；f 为试样共振频率。

在国际单位制中杨氏模量E 的单位为2-∙mN 。

本实验的基本问题是测量在一定温度下试样的固有频率f 。

实验中采用如图1所示装置。

实验力学综合性实验报告(3篇)

实验力学综合性实验报告(3篇)

第1篇一、实验目的1. 熟悉实验力学的基本原理和方法；2. 掌握实验力学实验设备的操作技能；3. 培养分析、解决问题的能力；4. 提高实验数据的处理和表达水平。

二、实验原理实验力学是研究物体在力的作用下运动规律的一门学科，涉及力学、数学、计算机科学等多个领域。

本实验主要包括以下几个方面：1. 金属材料的拉伸实验：通过拉伸实验，测定材料的屈服强度、抗拉强度、延伸率和断面收缩率等力学性能指标；2. 金属材料的压缩实验：通过压缩实验，测定材料的抗压强度、弹性模量等力学性能指标；3. 复合材料拉伸实验：通过拉伸实验，测定复合材料的力学性能，如拉伸强度、拉伸模量等；4. 金属扭转实验：通过扭转实验，测定材料的剪切强度极限、切变模量等力学性能指标。

三、实验设备1. CSS-44100电子万能材料试验机；2. 游标卡尺；3. 千分尺；4. CTT502微机控制电液伺服扭力试验机；5. 岩石力学phase软件；6. Matlab 6.5软件；7. AutoCAD软件。

四、实验步骤1. 金属材料的拉伸实验：（1）测量试样尺寸，作出标距标记；（2）将试样安装在电子万能材料试验机上；（3）调整试验机参数，进行拉伸实验；（4）记录试验数据，计算屈服强度、抗拉强度、延伸率和断面收缩率等指标。

2. 金属材料的压缩实验：（1）测量试样尺寸，作出标距标记；（2）将试样安装在电子万能材料试验机上；（3）调整试验机参数，进行压缩实验；（4）记录试验数据，计算抗压强度、弹性模量等指标。

3. 复合材料拉伸实验：（1）测量试样尺寸，作出标距标记；（2）将试样安装在电子万能材料试验机上；（3）调整试验机参数，进行拉伸实验；（4）记录试验数据，计算拉伸强度、拉伸模量等指标。

4. 金属扭转实验：（1）测量试样尺寸，作出标距标记；（2）将试样安装在电液伺服扭力试验机上；（3）调整试验机参数，进行扭转实验；（4）记录试验数据，计算剪切强度极限、切变模量等指标。

弹力纱试验方法(1998年版本)

弹力纱试验方法(1998年版本)

弹力纱试验方法(1998年版本)弹力纱试验方法是用来测试纱线的弹性和拉伸性能的一种重要方法。

弹力纱试验方法的主要目的是评估纱线的质量和性能，以便确保纺织品制成后的产品具有良好的弹性和耐用性。

1998年版的弹力纱试验方法是经过多年研究和实践积累而形成的，具有较高的可靠性和准确性。

本文将介绍弹力纱试验方法的原理、步骤和操作注意事项，以帮助读者更好地了解和应用这一方法。

一、原理概述弹力纱试验方法是通过在一定的拉伸条件下测试纱线的弹性和拉伸性能来评估其质量和性能。

根据纺织品的不同用途和要求，弹力纱试验方法可以分为静态拉伸试验和动态拉伸试验两种。

静态拉伸试验主要是测定纱线在一定拉伸条件下的弹性模量和拉伸强度，以评估其抗拉性能；动态拉伸试验则是通过周期性拉伸和收缩来测试纱线的蓄能和释能性能，以评估其弹性和回弹性能。

二、试验步骤1.准备样品：首先需要准备好需要测试的纱线样品，样品的长度和直径应符合标准要求，并应注意保持样品的干燥和清洁。

2.选择仪器：根据试验要求选择合适的拉力试验仪或拉伸试验仪，确保仪器的稳定性和准确性。

3.设置参数：根据试验要求设置拉伸速度、拉伸长度和拉伸次数等参数，应根据纱线的类型和用途进行合理调整。

4.固定样品：将样品固定在拉力试验仪上，并调整拉伸长度和拉伸速度，确保样品受到均匀的拉伸力。

5.进行试验：开始进行拉伸试验，记录纱线的拉伸过程和拉伸力值，同时观察纱线的断裂位置和断裂形态，以帮助分析纱线的性能。

6.数据处理：对试验结果进行数据处理和分析，计算纱线的拉伸强度、弹性模量和断裂伸长等指标，并进行比较和评估。

7.试验报告：根据试验结果编写试验报告，包括样品信息、试验方法、试验结果和结论等内容，以便为纱线的质量控制和产品设计提供参考。

三、操作注意事项1.样品的选择：样品应具有代表性和一致性，避免因为样品的不均匀或损坏导致试验结果的误判。

2.仪器的校准：在进行试验前应对拉力试验仪进行校准，确保仪器的准确性和稳定性。

大学物理实验《用拉伸法测金属丝的杨氏弹性模量》

大学物理实验《用拉伸法测金属丝的杨氏弹性模量》

3、动态悬挂法：将试样（圆棒或矩形棒）用两根线悬挂起来并激发它作横向振动。在一定条件下，试样振动的固有频率取决于它的几何形状、尺寸、质量以及它的杨氏弹性模量，如果我们在实验中测出了试样在不同温度下的固有频率，就可以算出试样在不同温度下的杨氏弹性模量。此法克服了静态拉伸法的缺点，具有实用价值，是国家标准规定的一种测量方法。
三、实验中注意：实验测量中，发现增荷和减荷时读数相关差较大，当荷重按比例增加时，?n不按比例增加，应找出原因，重新测量。这种情况可能发生的原因有：
1、金属丝不直，初始砝码太轻，没有把金属丝完全拉直。
2、杨氏弹性模量仪支柱不垂直，使金属丝下端的夹头不能在金属框内上下自由滑动，摩擦阻力太大。
1
3、加减砝码时动作不够平衡，导致光杠杆足尖发生移动。
1、万能试验机法：在万能试验机上做拉伸或压缩试验，自动记录应力和应变的关系图线，从而计算出杨氏弹性模量。
2、静态拉伸法（本实验采用此法），它适用于有较大形变的固体和常温下的测量，它的缺点是：①因为载荷大，加载速度慢，含有驰豫过程。所以它不能很真实地反映出材料内部结构的变化。②对脆性材料不能用拉伸法测量；③不能测量材料在不同温度下的杨氏弹性模量。
8LD?n??F?KF 2?dbE
8LD
?d2bE由此式作?n?F图线，应得一直线。从图线中计算出直线的斜率K，再由K?
即可计算出E。
3
篇二：大学物理实验用拉伸法测金属丝的杨氏模量
用拉伸法测金属丝的杨氏模量
材料在外力作用下产生形变，其应力与应变的比值叫做弹性模量，它是反映材料抵抗形变能力的物理量，杨氏模量是固体材料的纵向弹性模量，是选择机械构件的依据之一，也是工程技术中研究材料性质的常用参数。测定弹性模量的方法很多，如拉伸法、振动法、弯曲法、光干涉法等，本实验采用拉伸法测定金属丝的杨氏弹性模量，研究拉伸正应力与应变之间的关系。