夹层结构性能试验数据的自动化采集与处理
文章附图

1 前言

随着试验技术的不断进步,大部分材料试验都已经实现了数据的自动采集、记录及试验结果的自动计算;但夹层结构的部分试验项目中,在采集位移、挠度、变形时仍采用了机械式百分表等较为落后的测量装置,如夹层结构剪切性能试验、夹层结构弯曲性能试验等;

2010年起,作者根据工作实际,相继对上述两项试验方法进行自动化改造,本文对此做了阐述和总结。

2 试验介绍

夹层结构和芯子凭借其在结构轻量化设计中的优越性能,已广泛运用于风电、车辆、军工等多个领域,剪切性能、弯曲性能是结构设计、生产选材、材料认证的重要参考指标,其中剪切性能为GL风电材料认证的必须试验项目。

2.1试验方法现状

现行的试验方法国家标准为GB/T1455-2005《夹层结构或芯子剪切性能试验方法》[1]GB/T1456-2005《夹层结构弯曲性能试验方法》[2]

其中,GB/T1455-2005使用于采用夹层结构或芯子试样测定芯子的剪切强度和剪切弹性模量,包含拉伸剪切和压缩剪切方法;GB/T1456-2005适用于测定夹层结构承受弯曲时面板的应力和芯子的剪切应力;夹层结构的弯曲刚度和剪切刚度,夹层结构面板的弹性模量和芯子的剪切模量;也适用于测定面板与芯子之间的胶接强度。

标准中涉及弹性模量与刚度的项目,均需测量试样在加载过程中相应部位的变形量,并对非自动记录的分级加载操作方式做了相关的要求,对自动记录及自动记录后数据计算均未作要求。

2.2试验操作中存在的问题

试验中,分级加载方式使用百分表、千分表或电子式千分表进行测量,一般由人工读数并记录;在长期的试验实践,我们总结该操作方式主要存在以下问题:

1).占用人力资源。为了提高试验的准确性,分级加载中测量变形量一般采用两个百分表进行测量,每个表的示值及相应的载荷值需要专门人员进行记录,故完成该试验项目每次均需3名试验人员。

2).试验操作影响试验结果准确度。在试验操作中,为了便于3名试验人员读数和记录,一般会人为降低加载速率,加载速率与标准要求的偏离会对试验结果产生较大影响,且降低了该试验项目的实验室间比对,人员间比对的可行性。

3).不利于对线性段的判断。试验过程中,采集试样的变形量主要是为了计算材料的模量或刚度;按照通常的取值方式,计算所用的载荷及其对应的变形量应在试验曲线的线性段取得,而使用百分表或千分表测量变形时没有直观的载荷-形变曲线,人工读数时所设定的级差无法保证满足线性条件。

4).试验过程的稳定性较低。机械式百分表、千分表在试验过程较易出现内部卡顿,示值滞后等现象;电子式千分表因耗电快,在试验进行中亦经常出现电量不足、示值模糊、示值无规律跳动等问题,都会影响试验顺利进行,不能保证试验结果的精度,其可靠性和稳定性远低于自动记录设备。

5).试验结果不可追溯。CNAS对实验室的要求是每项检测的记录应包含充分的信息,以便在可能时识别不确定度的影响因素,并确保该检测在尽可能接近原条件的情况下能够重复。但由于分级加载方式未实现数据的连续记录,试验记录所体现的仅有计算模量或刚度所需的几个点的数据,而试验过程的数据则无法追溯,且难以使该检测实现重复。

3试验自动化改造方案

实验室目前拥有多台套电阻式轴向引伸计、LVDT位移传感器等测量设备。该类设备与机械式百分表、千分表相比具有结构简单、安装方便、高灵敏度、高分辨率、响应速度快、稳定性好、故障率低、应用广等特点和优势,可以使用于夹层材料的剪切性能和弯曲性能测试,无需专门购置测量设备,可有效降低改造成本。

3.1夹层结构剪切性能试验

剪切试验中测量变形量所用的千分表可以用轴向引伸计或LVDT位移传感器替代,如美国材料试验协会标准ASTM C273/C273M-2011[3]中已采用LVDT测量试样变形量。

根据实验室多位检测人员操作比对,引伸计测量精度达到0.0001mm,在试验中装卸更为方便,若试验无需采集最大变形,则试验过程可取下引伸计,可降低因试样破坏瞬间对引伸计产生的损坏;该引伸计为夹持式,取下引伸计时对试样系统产生的扰动可以忽略。如需要测量最大变形量,则可采用抗冲击性能更好的LVDT,但也应注意预防因试样破坏时跌落对传感器造成损坏。

改造前后的装置对比如图1所示,其中引伸计加持支架可根据试验实际制成不同的样式以方便引伸计装夹。试验操作者也可根据被测试样和操作熟练程度对测量系统做适当调整,对于匀质被测材料,如各类泡沫材料或泡沫夹层结构,在保证试样对中度时,在一侧安装引伸计即可满足试验需求;对于非匀质被测材料,如拼接而成的巴沙木试样,则应该在两侧安装引伸计,取其平均值作为测得的变形量。

此仅为使用引伸计测试夹层结构剪切性能的拉伸方法描述,压缩方法亦同,使用LVDT位移传感器测量的装置亦类似,文中不再赘述。

           

a.改造前示意图                  b.改造后示意图                 c.改造后装配图

1 夹层结构剪切试验改造前后对比

3.2夹层结构弯曲性能试验

夹层结构弯曲试验通过测量夹层结构长梁试样中点、外伸点的挠度变量用以计算结构的弯曲刚度和剪切刚度,从而测定面板的弹性模量和芯子的剪切模量。

弯曲试验改造中,我们将千分表替换为LVDT位移传感器,并与试验机联机,一般联机后试验机及控制端软件可自动识别,无需特别设置。LVDT与千分表相比,其安装使用基本相同,但LVDT具有理论上的无限机械寿命,因此具有更高的可靠性和良好的重复性;且只要联机软件允许,LVDT具有无限分辨率。

采集装置改造前后对比示意图如图2,外伸点传感器采集挠度值用以计算弯曲刚度,中点挠度值用以计算剪切刚度;试验操作人员在安装传感器时,应确保传感器与试样表面垂直,以保证准确地采集试样相应位置的挠度值。

根据实验室长期试验对比,对于试验中厚度变化较小的试样,中点挠度采用加载点位移(即试验机横梁位移),即可满足从测定夹层结构剪切刚度的需要,故在试验操作中可以不在安装中点的位移传感器,如图2.c改造后装配图所示。

鉴于LVDT为电磁式传感器,在试验过程中应远离磁场,避免因磁场干扰出现示值偏差或跳跃。

a.改造前示意图

b.改造后示意图

c.改造后装配图

2 夹层结构弯曲试验改造前后对比

通过上述改造,试验机控制端软件可全程自动采集记录载荷值、变形量、挠度值,并自动绘制完整的曲线图,同时系统也会按照预置的计算程序给出相应的试验结果。

4试验数据的处理与比对

试验数据采集实现自动化后,其处理也相应的得到了简化,试验人员只需预先将相关的计算公式编入试验程序,试验完成后,系统将按照设置好的程序计算试验结果;试验人员也可根据实际情况,在曲线图上手动选取相应的坐标点,再由程序计算试验结果。

为了验证改造效果,分别选取同批次硬质塑料泡沫和木质夹层结构进行了不同采集方式下的剪切模量试验和弯曲刚度试验,试验结果分别如下表:

1 硬质塑料泡沫剪切模量            单位:MPa


1

2

3

4

5

6

7

8

平均值

离散率

百分表

18.8

17.8

21.3

18.1

18.7

17.2

17.9

19.8

18.6

7.6

LVDT

20.3

19.4

19.8

19.9

20.0

19.7

19.5

19.4

19.8

1.5

引伸计

19.6

19.3

19.8

19.7

19.5

19.9

20.2

19.2

19.7

1.7

2 木质夹层结构弯曲刚度                        单位:N·mm2


1

2

3

4

5

6

7

8

平均值

离散率

百分表

1.81E+08

1.62E+08

1.57E+08

1.71E+08

1.59E+08

1.44E+08

1.60E+08

1.33E+08

1.58E+08

8.8

LVDT

1.72E+08

1.70E+08

1.68E+08

1.75E+08

1.52E+08

1.58E+08

1.69E+08

1.73E+08

1.67E+08

4.5

由上述实验数据可以看出,通过采用LVDT和引伸计测得变形量计算出的剪切模量值较为接近,且离散率也相对较低;弯曲试验数据采用LVDT采集后,弯曲刚度值有一定提高,同时数据的离散率也有所减小。

5结论

由试验数据可以看出,引伸计和LVDT位移传感器在试验中运用后,实验结果与原有试验方式相比更为理想,在一定程度上改进了实验室的技术水平;试验过程中各项数据的全采集全记录既符合CNAS对实验室的相关要求,也降低了实验室运行中的风险;数据采集自动化的实现有效了节省了人力资源成本,提升了实验室工作效率,提高了实验室服务客户的能力。

参考文献

  1. GB/T1455-2005夹层结构或芯子剪切性能试验方法,中国标准出版社,北京;

  2. GB/T1456-2005夹层结构弯曲性能试验方法,中国标准出版社,北京;

  3. ASTM C273 / C273M-2011 Standard Test Method for ShearProperties of Sandwich Core Materials, ASTM International,West Conshohocken, PA, 2011.


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