Instrumentace dělené Hopkinsonovy tyče a jejích modifikací ... · Incidentní i transmisní tyč jsou délky 1600 mm a jejich souosý pohyb s přesností 1 mm m-1 zajišťuje

České vysoké učení technické v Praze

Fakulta dopravní

1. listopadu 2018

Praha, Česká republika

1

Instrumentace dělené Hopkinsonovy tyče a jejích modifikací pro testování

materiálů za nárazového zatížení.

Jan Faltai

Abstrakt: Tato práce řeší problematiku instrumentace dělené Hopkinsonovy tyče a jejích modifikací pro

dynamická měření materiálů s nízkou mechanickou impedancí (např. kovové pěny a struktury).

Zaměřuje se na návrh a realizaci součástí souvisejících se samotným záznamem deformačních pulzů

z tenzometrických snímačů tak součástí pro měření průběhu deformace pomocí digitální korelace

obrazu (DIC). Součástí práce je také návrh softwarového řešení, poskytující vhodný datový soubor pro

předzpracování signálu a následné vyhodnocení experimentu. Použitelnost a spolehlivost

implementovaného řešení je potvrzena provedenými experimenty se vzorky auxetických struktur.

Klíčová slova: SHPB, instrumentace, tenzometrie, LabView

Abstract: This paper presents custom design instrumentation of a Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB)

and its modification for testing materials with low mechanical impedance (e. g. metal foams, laser

sintered structures) under shock loading. Design and implementation of the components related to the

strain wave measurement based on strain gauges and displacements measurement using digital image

correlation (DIC) technique are summarized in the paper. Aside from the design of the hardware

components, the contribution deals also with development of a control software providing suitable data

file for signal pre-processing procedure and subsequent evaluation of the experimental data. The

applicability and reliability of the implemented solutions is assessed by SHPB experiments with samples

of auxetic structures.

Keywords: SHPB, instrumentation, strain-gauge measurement, LabView

1. Úvod

1.1. Motivace

Mechanické vlastnosti určitých kovových struktur vykazující odlišné chování za různých

rychlostí deformace mohou přitáhnout pozornost některých vědců a inženýrů. Z hlediska

mechanického namáhání byla pozorována blízká vazba závislosti napětí-deformace na

rozdílných zatěžovacích rychlostech. Vzhledem k tomuto pozorování je nutné popsat chování

materiálu pro odpovídající zatěžovací rychlosti očekávané v praxi [1, 2]. Dělená Hopkinsonova

tyč (dále jen SHPB, z angl. Split Hopkinson Pressure Bar) se rychle stala široce využívaným

zařízením, pro testování materiálů za vysokých rychlostí deformace [3]. Jeden ze směrů

současného výzkumu pomocí SHPB je testování porézních struktur s pravidelnou nebo

nepravidelnou vnitřní strukturu [4-6]. Na problematiku testování porézních struktur a popis

mechanismů jejich deformace, se zaměřuje řada autorů. Přehled výsledků těchto publikací lze

nalézt v práci G.W. Ma, Z.Q. Ye et al. [7].

i Ing. Jan Falta, ČVUT FD, Ústav mechaniky a materiálů, Na Florenci 25, 110 00 Praha 1, [email protected]


Fakulta dopravní

1. listopadu 2018


2

1.2. Úvod

Zařízení SHPB umístěné na Ústavu mechaniky a materiálů Fakulty dopravní, je primárně

navrženo pro testování materiálů s nízkou mechanickou impedancí. Vzhledem k očekávaným

změnám a modifikacím měřicího zařízení (materiál měřicích tyčí, počet a typ tenzometrických

snímačů), bylo nutné navrhnou vlastní řešení instrumentovaných komponent. Hlavní výhodou

realizované instrumentace je plná kontrola nad zpracováním signálu, před samotným

záznamem pomocí digitalizační karty v PC. Nedochází tak k žádnému nechtěnému zkreslení

měřeného signálu, jak tomu může být u komerčních komplexněji řešených zařízení.

Realizované řešení také umožňuje rozšíření počtu měřicích bodů nezávisle na typu použitého

tenzometru a možnost cílené redukce šumu ve zvoleném frekvenčním rozsahu. Také byla

implementována možnost synchronizace externích zařízení jako je například vysokorychlostní

kamera na principu signálové spouště TTL (Transistor-Transistor Logic). Cílem realizovaného

řešení bylo zvýšení kvality a spolehlivosti pořizovaných dat a také komfort obsluhy

instrumentovaného SHPB zařízení.

2. Sestava SHPB

Instrumentace byla provedena na modifikované dělené Hopkinsonovy tyči dle H. Kolskyho.

Průměr impaktoru, incidentní i transmisní tyče je v současné konfiguraci 20 mm. Materiál tyčí

(zpravidla hliníková slitina EN-AW-7075 nebo PMMA) se liší dle testovaného materiálu, což

ovšem nemá vliv na realizovanou instrumentaci. Incidentní i transmisní tyč jsou délky

1600 mm a jejich souosý pohyb s přesností 1 mm m-1 zajišťuje osm polymerních kluzných

pouzder, uložených v domkách z hliníkové slitiny. Vzduchové dělo pro urychlení impaktoru je

realizováno na maximální provozní tlak 16 barů. Uvolnění natlakovaného vzduchu obstarává

magnetický ventil s krátkým časem otevření, navazující na ocelovou hlaveň délky 2500 mm.

Incidentní i transmisní tyč je osazena tenzometry pro měření deformačních vln. Součástí

zařízení je obvykle i rychloběžná kamera, zaznamenávající průběh deformace vzorku.

Schematicky je celá soustava znázorněna na obr. 1, kde jsou označeny realizované funkční

celky ({1} jednotka pro tenzometrická měření, {2} napájecí jednotka, {3} modul optických

bran a {4} grafické uživatelské rozhraní v prostředí LabView) i jednotlivé funkční prvky.

Obr. 1 Schéma sestavy SHPB s popisem funkčních částí.


Fakulta dopravní

1. listopadu 2018


3

3. Instrumentace

3.1. Jednotka pro tenzometrická měření

Základní myšlenkou realizovaného řešení je vytvoření samostatných měřících karet, pevně

osazených rezistory o elektrickém odporu shodném s daným typem tenzometru. Schéma

zapojení pro jeden měřící bod je na obr. 2. Červeně orámované součásti se nachází na kartě,

ostatní prvky jsou součástí šasi jednotky. Vyvážení můstku je řešeno přidáním potenciometru

do jedné z větví můstku. Karty se nachází v paticích s možností výměny pouze vysunutím

a vložením karty jiné. Ukázka technického řešení umístění šesti karet do slotů uvnitř měřicí

jednotky je na obr. 3. Modul také obsahuje přepínač pro volbu mezi zapojením do polovičního

můstku nebo čtvrt-můstku.

Obr. 2 Schéma zapojení měřícího obvodu

Obr. 3 Vnitřní část tenzometrické jednotky s označením funkčních částí.

3.2. Napájecí jednotka

Pro účely napájení obvodů pro tenzometrická měření byla navrhnuta vlastní napájecí jednotka,

založená na principu bateriových zdrojů. Důvodem realizace této jednotky jsou nevyhovující

parametry běžně používaných laboratorních zdrojů, které vykazují vyšší zvlnění a šum

výstupního signálu spolu s omezeným počtem výstupních svorek. Po sérii kalibračních testů

„tyče v kontaktu“ a „tyče odděleně“ bylo ověřeno snížení šumu a zvlnění měřeného signálu při

použití realizovaného bateriového zdroje. Konstrukce napájecí jednotky umožňuje umístění


Fakulta dopravní

1. listopadu 2018


4

šesti nezávislých napěťových zdrojů pro jednotlivá měřicí místa do kompaktního boxu spolu

s nabíjecím obvodem a indikací plného nabití. Jako zdroj napětí byly zvoleny lithiové články

s kapacitou 2600 mAh a deklarovaným výstupním napětím 4 V. U těchto článků se

nepředpokládá pokles napětí během série měření, což je žádoucí. Redukce šumu výstupního

signálu po realizaci napájecí jednotky činila až 80 %. Sestava napájecí jednotky a schématické

znázornění elektrického obvodu je na obr. 4.

Obr. 4 Čelní strana napájecího modulu (vlevo), schéma řešení napájecího bloku (vpravo)

3.3. Modul optických bran a spouště kamery

Data získaná z tenzometrických snímačů poskytují informaci o průběhu deformační vlny, nelze

z nich ovšem přesně stanovit chování materiálu s komplexní vnitřní strukturou. Za tímto účelem

je průběh deformace vzorku sledován vysokorychlostní kamerou (FASTCAM SA5, Photron,

Japan). Pořízený obrazový záznam je vyhodnocen pomocí techniky DIC pro získání informace

o pousnutí v podélném směru a příčné deformaci struktury [8]. Synchronizace obrazového

záznamu zajišťuje signál z optických bran ve formě TTL pulzu na vstupu kamery. Modul dále

upravuje hladinu výstupního signálu z optických bran před přivedením na digitalizační kartu,

kde dále slouží jako spoušť záznamu měření a pro vyhodnocení dopadové rychlosti impaktoru.

Blokové schéma modulu je na obr. 5.

Obr. 5 Blokové schéma jednotky optických bran a připojených zařízení.


Fakulta dopravní

1. listopadu 2018


5

3.4. Softwarové řešení pro záznam sledovaných veličin

Pro realizaci softwarového řešení a uživatelského rozhraní bylo zvoleno programovací

prostředí LabView (National Instruments, USA). Hlavním důvodem volby tohoto prostředí je

široká podpora měřicích zařízení různých výrobců (třetích stran) a jejich snadná implementace

[9]. V případě vytvořeného řešení pro SHPB slouží LabView pro řízení dvou čtyř kanálových

digitalizačních karet vyhodnocujících jak signály z optických bran, tak z tenzometrických

snímačů. Responzivní uživatelské rozhraní na obr. 6 je pro lepší orientaci členěno do funkčních

oddílů. Pří ukládání záznamu experimentu je k naměřeným datům přidána datová hlavička,

obsahující parametry provedeného měření pro následné vyhodnocení v prostředí Matlab

(Mathworks Inc.). Výsledný soubor je uložen ve formátu *.ini (z angl. Initialization file).

Obr. 6 Grafické uživatelské rozhraní v prostředí LabView

4. Ověřovací experiment

Ověření správné funkce všech dílčích částí realizované instrumentace jako celku bylo

provedeno v rámci testování deformačního chování auxetických struktur pro rozdílné rychlosti

deformace. Auxetické struktury jsou materiály se záporným Poissonovým číslem, vykazující

vlastnosti vhodné pro aplikace vyžadující vysokou absorpci energie [10]. Testovány byly tři

typy auxetických struktur: 2D cut missing-rib, 2D inverted honeycomb a 3D inverted

honeycomb. Tyto struktury byly vyrobeny metodou SLS ze slitiny austenitické nerezové oceli

316L - 0407. Vizualizace jednotlivých struktur je na obr. 7.

Obr. 7 Testované auxetické struktury, (a) 2D cut missing-rib, (b) 2D inverted honeycomb, (3) 3D inverted

honeycomb


Fakulta dopravní

1. listopadu 2018


6

Vzorek byl vložen mezi čela incidentní a transmisní tyče tak, aby došlo k co nejpřesnějšímu

kontaktu se vzorkem a eliminovalo se tak zkreslení deformační vlny. Konce tyčí přilehlé ke

vzorku byly označeny černobílým vzorem pro následnou DIC analýzu. Incidentní vlna byla

generována impaktorem délky 500 mm urychleným vzduchovým dělem při tlaku 5 bar na

dopadovou rychlost 33 ms-1. Proces deformace vzorku byl zaznamenán digitální rychloběžnou

kamerou při 100 000 fps a rozlišení 320×192 pixelů [11].

5. Výsledky měření

Jednotka optických bran spolehlivě zaznamenala průchod impaktoru první i druhou optickou

branou a synchronně spustila záznam rychloběžné kamery se záznamem signálu

z tenzometrických snímačů. Záznam z tenzometrických snímačů splnil všechna stanovená

kritéria na kvalitu signálu. U všech vzorků byl zaznamenán průběh napětí na realizovaném

měřícím bodě incidentní a transmisní tyče. Průběh měřeného signálu z tenzometrických

snímačů je na obr. 8.

Obr. 8 Průběh měřeného signálu z incidentní a transmisní tyče

Naměřená data byla exportována, spolu s hlavičkou obsahující parametry záznamu, do formátu

*.tdms pro následné vyhodnocení. Ukázka diagramu rychlosti deformace na deformaci pro

strukturu 2D cut missing-rib, je na obr. 9.


Fakulta dopravní

1. listopadu 2018


7

Obr. 9 Vyhodnocená data struktury 2D cut missing-rib, závislost napětí na deformaci (vlevo), závislost poměrné

rychlosti deformace na deformaci (vpravo)

Díky funkci realizované spouště kamery synchronizované jednotkou optických bran, byl

pořízen obrazový záznam celého deformačního děje s dostatečným předstihem začátku

deformace. Vysoce svítivá LED světla zajistila dostatečnou světelnost scény pro následné

vyhodnocení pomocí DIC. Ukázka vybraných snímků zaznamenaného deformačního děje

vzorku 3D inverted honeycomb je zobrazena na obr. 10.

Obr. 10 Průběh deformace vzorku 3D inverted honeycomb

6. Závěr

V tomto článku jsou popsána technická a softwarová řešení pro instrumentaci zařízení SHPB

pro testování měkkých struktur a materiálů za vysokých rychlostí deformace. Všechny

realizované prvky byly průběžně testovány před nasazením v ověřovacím experimentu, kde

byly testovány různé auxetické struktury. Všechny instrumentované části vykazovaly

požadované vlastnosti a naměřená data byla následně úspěšně vyhodnocena. Experiment také

prokázal, že provedená instrumentace zvýšila kvalitu a spolehlivost pořizovaných dat a také

komfort obsluhy instrumentovaného SHPB zařízení.


Fakulta dopravní

1. listopadu 2018


8

Literatura

[1] A. T. Owens. Development of a Split Hopkinson Tension Bar for Testing Stress-Strain

Response of Particulate Composites under High Rates of Loading. M.sc. thesis, Faculty of

Auburn University, 2007.

[2] K. Evans, A. Alderson. Auxetic materials: Functional materials and structures from lateral

thinking! Advanced Materials 12(9):617–628, 2000. Cited By 406, doi:10.1002/(SICI)1521-

4095(200005)12:9<617::AIDADMA617>3.0.CO;2-3.

[3] P. Wang, S. Xu, Z. Li, et al. Experimental investigation on the strain-rate effect and inertia

effect of closed-cell aluminum foam subjected to dynamic loading. Materials Science and

Engineering A 620:253–261, 2014. Cited By 36, doi:10.1016/j.msea.2014.10.026.

[4] O. Duncan, L. Foster, T. Senior, et al. Quasi-static characterisation and impact testing of

auxetic foam for sports safety applications. Smart Materials and Structures 25(5), 2016. Cited

By 9, doi:10.1088/0964-1726/25/5/054014.

[5] B. Yang, L. Tang, Y. Liu, et al. Localized deformation in aluminium foam during middle

speed hopkinson bar impact tests. Materials Science and Engineering A 560:734–743, 2013.

Cited By 18, doi:10.1016/j.msea.2012.10.027.

[6] B. Hou, H. Zhao, S. Pattofatto, et al. Inertia effects on the progressive crushing of aluminium

honeycombs under impact loading. International Journal of Solids and Structures 49(19-

20):2754–2762, 2012. Cited By 44, doi:10.1016/j.ijsolstr.2012.05.005.

[7] G. Ma, Z. Ye, Z. Shao. Modelling loading rate effect on crushing stress of metallic cellular

materials. International Journal of Impact Engineering 36(6):775–782, 2009. Cited By 60,

doi:10.1016/j.ijimpeng.2008.11.013.

[8] S.-W. Khoo, S. Karuppanan, C.-S. Tan. A review of surface deformation and strain

measurement using two-dimensional digital image correlation. Metrology and Measurement

Systems 23(3):461–480, 2016. Cited By 9, doi:10.1515/mms-2016-0028.

[9] C. Elliott, V. Vijayakumar, W. Zink, R. Hansen. National instruments labview: A

programming environment for laboratory automation and measurement. Journal of Laboratory

Automation 12(1):17–24, 2007. Cited By 124, doi:10.1016/j.jala.2006.07.012.

[10] H. Wan, H. Ohtaki, S. Kotosaka, G. Hu. A study of negative poisson’s ratios in auxetic

honeycombs based on a large deflection model. European Journal of Mechanics, A/Solids

23(1):95–106, 2004. Cited By 71, doi:10.1016/j.euromechsol.2003.10.006.

[11] T. Fíla, P. Zlámal, O. Jiroušek, et al. Impact testing of polymer-filled auxetics using split

hopkinson pressure bar. Advanced Engineering Materials 19(10), 2017. Cited By 2,

doi:10.1002/adem.201700076.

Documents

Instrumentace dělené Hopkinsonovy tyče a jejích modifikací ... · Incidentní i transmisní tyč jsou délky 1600 mm a jejich souosý pohyb s přesností 1 mm m-1 zajišťuje