白春玉 葛宇靜 惠旭龍 劉小川 楊強(qiáng) 張宇

摘要：基于高速液壓伺服試驗(yàn)機(jī)的金屬材料動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)是獲得中低應(yīng)變率力學(xué)性能的主要手段，但如何獲得材料的動(dòng)態(tài)拉伸載荷、動(dòng)態(tài)應(yīng)變，以及失效過(guò)程的熱耗散數(shù)據(jù)是試驗(yàn)測(cè)試的關(guān)鍵。本文總結(jié)了金屬材料的中低應(yīng)變率動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)方法，編制了可視化試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理軟件，提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理效率。應(yīng)用本文方法獲得了2024-T42、2A16-O兩類典型金屬材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)參數(shù)，并對(duì)下一步技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：中低應(yīng)變率；動(dòng)態(tài)本構(gòu)表征；非接觸測(cè)試；熱耗散；數(shù)據(jù)處理

中圖分類號(hào)：O347文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.12.004

飛機(jī)在服役過(guò)程中結(jié)構(gòu)可能會(huì)遭受鳥撞、應(yīng)急墜撞等沖擊載荷的作用，如飛機(jī)機(jī)頭和機(jī)翼結(jié)構(gòu)是飛鳥、冰雹等外來(lái)物沖擊的密切關(guān)注部位，飛機(jī)機(jī)體下部結(jié)構(gòu)則需進(jìn)行抗墜撞設(shè)計(jì)以提高其適墜性。飛機(jī)結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下，材料的力學(xué)行為相較準(zhǔn)靜態(tài)加載需考慮應(yīng)變率效應(yīng)的影響，即隨著加載應(yīng)變率的提高，材料往往呈現(xiàn)出一定的應(yīng)變率敏感性。以往研究表明，鈦合金、合金鋼等金屬材料的強(qiáng)度極限和失效應(yīng)變等參數(shù)隨著應(yīng)變率的提高會(huì)發(fā)生顯著變化，而鋁合金的率敏感性則偏弱甚至不敏感。因此，為準(zhǔn)確進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)的抗沖擊設(shè)計(jì)和分析，需通過(guò)試驗(yàn)手段獲得材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)[1]。

一般而言，應(yīng)變率范圍10-1s-1～103s-1為中低應(yīng)變率狀態(tài)，處于該范圍左右兩端之外的則分別為準(zhǔn)靜態(tài)和高應(yīng)變率狀態(tài)。需要說(shuō)明的是在不同的應(yīng)變率范圍，需匹配不同的試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，如圖1所示，如準(zhǔn)靜態(tài)范圍一般通過(guò)常規(guī)的靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)，中低應(yīng)變率范圍則一般通過(guò)高速液壓伺服試驗(yàn)機(jī)，而高應(yīng)變率范圍則一般采用霍普金森桿試驗(yàn)裝置。相較而言，中低應(yīng)變率范圍內(nèi)的材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試方法尚沒(méi)有準(zhǔn)靜態(tài)和高應(yīng)變率下的測(cè)試方法成熟，主要體現(xiàn)為基于高速液壓伺服試驗(yàn)機(jī)的材料中低應(yīng)變率動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)相對(duì)較少，在關(guān)鍵試驗(yàn)參數(shù)測(cè)試、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等方面有待進(jìn)一步形成共識(shí)。

本文以高速液壓伺服試驗(yàn)機(jī)為試驗(yàn)平臺(tái)，重點(diǎn)針對(duì)金屬材料的動(dòng)態(tài)拉伸載荷高精度測(cè)試、動(dòng)態(tài)變形和熱耗散的非接觸測(cè)試等方面進(jìn)行了總結(jié)，編制了可視化試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理軟件，提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理效率，應(yīng)用本文方法獲得了2024-T42、2A16-O兩類典型金屬材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)參數(shù)。最后，對(duì)金屬材料中低應(yīng)變率動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)下一步技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了展望。

1試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)過(guò)程

本文研究采用的試驗(yàn)平臺(tái)為高速液壓伺服試驗(yàn)機(jī)，其具有恒速率作動(dòng)（作動(dòng)缸最大加載速率可達(dá)到20m/s）、開環(huán)/閉環(huán)協(xié)調(diào)高精度控制、加載重復(fù)性高等特點(diǎn)，是獲取材料的中低應(yīng)變率動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的常用試驗(yàn)設(shè)備，一般由試驗(yàn)機(jī)臺(tái)架、液壓動(dòng)力源、控制系統(tǒng)和水冷機(jī)等構(gòu)成，其中試驗(yàn)機(jī)臺(tái)架由作動(dòng)缸、動(dòng)態(tài)夾持夾具、靜態(tài)夾持夾具、測(cè)力傳感器等構(gòu)成，如圖2所示。

材料動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)過(guò)程為：（1）試驗(yàn)前將試驗(yàn)件一端安裝固定于靜態(tài)夾持夾具，對(duì)安裝于作動(dòng)缸末端的動(dòng)態(tài)夾持夾具進(jìn)行預(yù)緊，使試驗(yàn)件和動(dòng)態(tài)夾持夾具保持接近貼合，且作動(dòng)缸上下運(yùn)動(dòng)時(shí)試驗(yàn)件不與其發(fā)生干涉和卡滯；（2）設(shè)置試驗(yàn)控制和采集系統(tǒng)參數(shù)，如控制方式、作動(dòng)缸目標(biāo)加載速率、數(shù)據(jù)采集頻率、數(shù)據(jù)采集觸發(fā)方式和參數(shù)等；（3）作動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)至最低位置，隨后向上運(yùn)動(dòng)加速到目標(biāo)速率后動(dòng)態(tài)夾持夾具瞬間釋放側(cè)向抱緊試驗(yàn)件，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)件隨動(dòng)恒速率拉伸，并在試驗(yàn)件受到拉伸前觸發(fā)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

金屬材料動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)件一般采用“狗骨”式平板試樣，如圖3所示，其由靜態(tài)夾持段、試驗(yàn)段和動(dòng)態(tài)夾持段構(gòu)成，其中，理論應(yīng)變率為加載速率與試驗(yàn)段長(zhǎng)度的比值，可匹配試驗(yàn)段的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)不同理論應(yīng)變率的動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)，如試驗(yàn)件試驗(yàn)段長(zhǎng)度為20mm，在試驗(yàn)機(jī)最大加載速率20m/s下，理論上可實(shí)現(xiàn)應(yīng)變率103s-1的動(dòng)態(tài)測(cè)試。

2試驗(yàn)測(cè)試方法

2.1材料的動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試

試驗(yàn)機(jī)自帶的載荷傳感器可測(cè)試試樣動(dòng)態(tài)拉伸過(guò)程的載荷，但當(dāng)加載應(yīng)變率大于10s-1時(shí)，載荷傳感器測(cè)試的信號(hào)在試驗(yàn)件的塑性變形階段出現(xiàn)振蕩，這主要是因?yàn)樵趧?dòng)態(tài)加載的瞬態(tài)激勵(lì)作用下，激起由試驗(yàn)件、靜態(tài)夾持夾具和傳感器三部分組合結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率，造成其振動(dòng)特性耦合到測(cè)試信號(hào)中，導(dǎo)致試驗(yàn)件動(dòng)態(tài)拉伸載荷信號(hào)失真[2-5]。因此，如何精確測(cè)試材料動(dòng)態(tài)拉伸過(guò)程的載荷數(shù)據(jù)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

人們進(jìn)行了多種嘗試以獲得精確的材料動(dòng)態(tài)拉伸載荷數(shù)據(jù)，如學(xué)者們提出了對(duì)測(cè)試載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行光滑平均或數(shù)字濾波等處理方法以獲得載荷數(shù)據(jù)[6-7]，但此類方法對(duì)于振蕩幅度小的測(cè)試數(shù)據(jù)可獲得比較好的效果，但對(duì)于振蕩幅度大的測(cè)試數(shù)據(jù)則存在真實(shí)信號(hào)的誤處理風(fēng)險(xiǎn)。H. Huh[8]從減少試驗(yàn)夾持工裝自身重量和提高其剛度出發(fā)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)機(jī)夾持工裝和試驗(yàn)件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，使試驗(yàn)系統(tǒng)頻響提高，有效緩解了載荷傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)的振蕩問(wèn)題。O.Ramzi[9]將高速液壓伺服試驗(yàn)機(jī)的載荷傳感器替換成均勻桿，對(duì)該桿三個(gè)位置的應(yīng)變測(cè)量信號(hào)進(jìn)行離散傅里葉變換，應(yīng)用波分離技術(shù)在頻域內(nèi)對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行處理，提出了一種BCGO拉伸載荷測(cè)試方法，同樣解決了載荷的振蕩問(wèn)題。Kussmal等[10]使用鋁阻尼器的塑性變形來(lái)減少載荷振蕩，但該方式降低了應(yīng)變率，且對(duì)于選用何種規(guī)格的阻尼材料更為有效也很難得出統(tǒng)一結(jié)論。

需要說(shuō)明的是，以上方法雖對(duì)于改善測(cè)試載荷的振蕩問(wèn)題均具有一定作用，但存在改造工作量大、難以標(biāo)準(zhǔn)化等問(wèn)題。為此，學(xué)者們[11-14]提出了金屬材料動(dòng)態(tài)拉伸載荷的間接測(cè)試方法，其主要思路為在動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)前，先通過(guò)靜態(tài)加載試驗(yàn)獲得試驗(yàn)件靜態(tài)夾持段的應(yīng)變片輸出信號(hào)（一般為惠斯頓全橋電路電壓）與拉伸載荷的標(biāo)定系數(shù)，如圖4所示，在動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)中，以此標(biāo)定試驗(yàn)件動(dòng)態(tài)拉伸過(guò)程的載荷數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中需關(guān)注以下方面：（1）進(jìn)行合理的試驗(yàn)件尺寸設(shè)計(jì)，以保證試驗(yàn)件在拉伸失效過(guò)程中非試驗(yàn)段處于彈性變形狀態(tài)；（2）標(biāo)定試驗(yàn)前需進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸破壞測(cè)試，確定標(biāo)定試驗(yàn)載荷加載范圍，保證標(biāo)定試驗(yàn)中試驗(yàn)件不發(fā)生塑性變形。圖5為通過(guò)此方法獲得的某鋁合金的動(dòng)態(tài)拉伸載荷數(shù)據(jù)。

總體而言，通過(guò)該方法進(jìn)行高速拉伸試驗(yàn)載荷測(cè)試具有操作簡(jiǎn)便、測(cè)試精度高、易于標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。目前已形成了金屬材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（ISO26203-2），推薦采用該方法進(jìn)行金屬材料的動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試[15]。

2.2材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試

材料力學(xué)性能試驗(yàn)中應(yīng)變測(cè)試的常規(guī)方法包括應(yīng)變電測(cè)法和引伸計(jì)測(cè)量方法。但受限于常規(guī)應(yīng)變片使用量程的限制，無(wú)法測(cè)量金屬材料的塑性變形全過(guò)程。而材料動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)為瞬態(tài)破壞過(guò)程，傳統(tǒng)機(jī)械引伸計(jì)易發(fā)生損壞也不適用。因此，在金屬材料動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)中，常規(guī)的接觸式應(yīng)變測(cè)試手段無(wú)法適用。

數(shù)字圖像相關(guān)方法（digital image correlation， DIC）是應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的一種光學(xué)測(cè)量方法，因操作簡(jiǎn)單、精度高，可在非接觸條件下進(jìn)行全場(chǎng)變形測(cè)量等特點(diǎn)，在試驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域已獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[16-24]。

考慮不同的應(yīng)用場(chǎng)景，非接觸應(yīng)變測(cè)試可分為基于灰度匹配和基于特征匹配等方法。其中，基于灰度匹配的測(cè)量原理是由圖像采集裝置記錄被測(cè)物體位移或變形前后的兩幅散斑圖，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換得到兩個(gè)數(shù)字灰度場(chǎng)，對(duì)數(shù)字灰度場(chǎng)做相關(guān)運(yùn)算，找到相關(guān)系數(shù)極值點(diǎn)，得到相應(yīng)的位移或變形，再經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臄?shù)值差分計(jì)算獲得試樣表面的位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)[25]，其簡(jiǎn)易原理如圖6所示。散斑圖像可布置為白色襯底上形成黑色斑點(diǎn)，為了較好地匹配試驗(yàn)件表面變形點(diǎn)，斑點(diǎn)尺寸一般至少包括3～4個(gè)像素，圖7為典型的金屬材料動(dòng)態(tài)拉伸應(yīng)變測(cè)試應(yīng)用。

利用光學(xué)技術(shù)的應(yīng)變測(cè)量方法還包括視頻伸長(zhǎng)計(jì)方法[26-28]，通過(guò)在試樣關(guān)注部位標(biāo)識(shí)兩個(gè)跟蹤點(diǎn)，利用圖像分析軟件跟蹤兩個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)的移動(dòng)來(lái)測(cè)試試驗(yàn)件的變形，進(jìn)而計(jì)算出標(biāo)距段的應(yīng)變，如圖8所示。此方法雖不能獲得試樣的全場(chǎng)變形信息，但可在關(guān)注幅面中任意設(shè)置測(cè)量的標(biāo)距位置，且計(jì)算效率更高，也常用于金屬材料的動(dòng)態(tài)拉伸應(yīng)變測(cè)試。

DIC測(cè)量系統(tǒng)一般由CCD高速相機(jī)、照明光源、圖像采集系統(tǒng)等組成，并配套非接觸圖像分析軟件進(jìn)行變形數(shù)據(jù)的分析。由于非接觸測(cè)量原理與構(gòu)成元素的復(fù)雜性，在試驗(yàn)環(huán)境、外部振動(dòng)、光源條件、圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)算法等方面都有可能引入測(cè)量誤差，工程應(yīng)用中可通過(guò)提高硬件設(shè)備的性能提升測(cè)試精度，如使用變焦放大鏡頭、準(zhǔn)確度更高的CCD高速相機(jī)，也可通過(guò)運(yùn)用精度更高的匹配、檢測(cè)算法，或?qū)崿F(xiàn)硬件和軟件算法最優(yōu)化匹配等措施實(shí)現(xiàn)試樣動(dòng)態(tài)拉伸應(yīng)變的高精度測(cè)試。

2.3材料的動(dòng)態(tài)失效過(guò)程熱耗散測(cè)試

金屬材料動(dòng)態(tài)拉伸破壞過(guò)程持續(xù)時(shí)間一般在毫秒甚至微秒量級(jí)，試樣失效過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部急劇升溫，并以熱耗散形式對(duì)外釋放。金屬材料的動(dòng)態(tài)加載過(guò)程往往伴隨著應(yīng)變強(qiáng)化、應(yīng)變率效應(yīng)和熱耗散效應(yīng)的同時(shí)作用，這些因素相互競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為有著耦合影響，熱耗散測(cè)試是金屬材料動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

紅外攝像技術(shù)由于快速直觀、非接觸等特點(diǎn)被應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域[29-31]，童心[32]指出受到紅外熱像儀響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較慢制約，在材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究方面多適用于低、中應(yīng)變率試驗(yàn)，紅外攝像測(cè)溫更多應(yīng)用于材料的疲勞試驗(yàn)研究中，如Luong[33]指出紅外熱像作為一種無(wú)損的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，不僅能夠確定材料疲勞損傷的位置和演化過(guò)程，而且能夠觀察損傷和破壞的物理過(guò)程，能夠監(jiān)測(cè)內(nèi)耗的發(fā)生。Chrysochoos通過(guò)數(shù)字圖像相關(guān)與紅外熱像法相結(jié)合對(duì)鋼材的疲勞過(guò)程進(jìn)行研究，獲得了材料疲勞試驗(yàn)中的應(yīng)變能和熱耗散能量[34]。

紅外攝像進(jìn)行非接觸測(cè)溫的核心工具為紅外攝像儀，目標(biāo)物體對(duì)外輻射的紅外線被攝像儀鏡頭捕捉，經(jīng)過(guò)光柵等光學(xué)系統(tǒng)，進(jìn)而被熱像儀的探測(cè)系統(tǒng)吸收，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理后，可把光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榧t外熱像圖，其工作原理如圖9所示。

在某金屬材料動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)中，搭建了基于紅外熱像儀的非接觸測(cè)溫試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖10所示。圖11為在0.01m/s拉伸速度下試驗(yàn)件斷裂位置表面溫度變化情況。可見，在材料動(dòng)態(tài)拉伸處于斷裂狀態(tài)時(shí)，試驗(yàn)件溫度耗散達(dá)到最大值。圖12為試驗(yàn)件在不同加載速度下斷裂時(shí)的表面溫度，可看出隨著加載速度的提高，試驗(yàn)件斷裂時(shí)的表面溫度也逐漸增加。

3試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)分析軟件編制

金屬材料的中低應(yīng)變率動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理有以下幾個(gè)方面需給予關(guān)注。

（1）不同的測(cè)試設(shè)備采集數(shù)據(jù)時(shí)間尺度和起始狀態(tài)的統(tǒng)一

在金屬材料動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)中，通過(guò)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)間接獲得動(dòng)態(tài)拉伸載荷，通過(guò)基于高速攝像機(jī)的非接觸變形測(cè)試系統(tǒng)獲得動(dòng)態(tài)拉伸應(yīng)變，通過(guò)基于紅外攝像儀的非接觸測(cè)溫系統(tǒng)獲得試樣熱耗散數(shù)據(jù)。為達(dá)到最優(yōu)的試驗(yàn)測(cè)試狀態(tài)，往往需匹配不同的試驗(yàn)采集參數(shù)（如采樣頻率、信號(hào)觸發(fā)方式等），因此，一般通過(guò)數(shù)據(jù)插值的方式將不同測(cè)試手段的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間采集尺度的統(tǒng)一，如可將測(cè)試數(shù)據(jù)按照采樣率最高的信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一。其次，受限于測(cè)試硬件設(shè)備的限制，高速動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)有效的采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)十分有限，如加載起始點(diǎn)的判斷偏離幀數(shù)會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，則需基于金屬材料彈性段數(shù)據(jù)不受加載速率影響的前提條件進(jìn)行統(tǒng)一截取，如一般以彈性極限強(qiáng)度及其對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)闇?zhǔn)截取起始點(diǎn)。

（2）試驗(yàn)干擾信號(hào)的數(shù)字濾波處理

在試驗(yàn)過(guò)程中，受電磁干擾、環(huán)境振動(dòng)、光源信號(hào)干擾、不同測(cè)試通道間的串?dāng)_等因素影響，測(cè)試信號(hào)中不可避免地會(huì)混雜干擾信號(hào)，需對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理?？傮w而言，數(shù)字濾波的主要原則為濾波方法選擇低通截止濾波，推薦使用Butterworth濾波方法；在目前尚無(wú)動(dòng)態(tài)拉伸數(shù)據(jù)處理規(guī)范情形下，濾波截止頻率等參數(shù)的選擇應(yīng)遵循濾波后的數(shù)據(jù)總體未偏離原始數(shù)據(jù)，在原始數(shù)據(jù)的振蕩包線以內(nèi)。

（3）材料的率相關(guān)動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型表征

進(jìn)行金屬材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試的主要目的之一為構(gòu)建其動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型，為結(jié)構(gòu)碰撞數(shù)值仿真分析提供基礎(chǔ)的材料參數(shù)。適用于金屬材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型主要包括Johnson-Cook模型、Cowper-Symonds模型、Bodner-Paton模型和Zerrilli-Armstrong模型等，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于上述模型還提出了諸多修正模型，構(gòu)建了金屬材料的多種動(dòng)態(tài)本構(gòu)方程[35-39]。

總體而言，這些模型一般是基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)擬合，通過(guò)對(duì)應(yīng)變率相關(guān)項(xiàng)和溫度相關(guān)項(xiàng)的解耦構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)式的本構(gòu)模型，在模型的適用性評(píng)估上要兼顧其模擬精準(zhǔn)度和表征簡(jiǎn)便性，Johnson-Cook模型就是經(jīng)實(shí)踐證明具有一定通用性的金屬材料動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型。

（4）解決試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理工作量大、規(guī)范性差問(wèn)題

盡管金屬材料動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法和流程并非技術(shù)難點(diǎn)，但其處理過(guò)程涉及試驗(yàn)件初始尺寸信息確認(rèn)、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)插值、本構(gòu)參數(shù)表征等多個(gè)環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)處理工作量相對(duì)較為繁瑣，且數(shù)據(jù)處理過(guò)程中面臨多個(gè)數(shù)據(jù)接口，不利于規(guī)范性操作。

為此，中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所研發(fā)了材料中低應(yīng)變率數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)，該專用軟件涵蓋了試驗(yàn)初始信息導(dǎo)入、應(yīng)力—應(yīng)變計(jì)算、應(yīng)變率計(jì)算、真實(shí)應(yīng)力—塑性應(yīng)變的截取以及動(dòng)態(tài)本構(gòu)方程表征等功能。軟件采用了模塊化設(shè)計(jì)思想進(jìn)行開發(fā)，此專用軟件既提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的效率，又使處理數(shù)據(jù)的流程達(dá)到了規(guī)范化。

4典型應(yīng)用案例

應(yīng)用本文介紹的方法開展了2024-T42鋁合金的動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)研究[40]，圖13為其Johnson -Cook本構(gòu)模型的擬合結(jié)果，擬合的本構(gòu)參數(shù)分別為：A = 293.7，B = 737.4，n = 0.582，C = 0.00376。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在現(xiàn)有動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上提出了修正模型，可對(duì)金屬材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為進(jìn)行更合適的表征，如Kang提出了采用指數(shù)表達(dá)式進(jìn)行Johnson-Cook本構(gòu)模型中應(yīng)變率敏感項(xiàng)的修正形式[41]：

5結(jié)束語(yǔ)

金屬材料的中低應(yīng)變率動(dòng)態(tài)力學(xué)性能是進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗沖擊設(shè)計(jì)和分析的重要輸入數(shù)據(jù)，在飛機(jī)抗外物沖擊及適墜性、汽車碰撞安全等軍民領(lǐng)域具有共性的研究需求。

基于高速液壓伺服試驗(yàn)機(jī)的金屬材料動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)是獲得中低應(yīng)變率力學(xué)性能的主要手段。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者大量卓有成效的研究工作，解決了動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試、動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試及熱耗散測(cè)試、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及本構(gòu)表征等多項(xiàng)關(guān)鍵試驗(yàn)技術(shù)，并在工程實(shí)際中獲得了較好的應(yīng)用。

結(jié)合工程應(yīng)用和學(xué)術(shù)研究的需求，以及新技術(shù)的發(fā)展，后續(xù)仍需進(jìn)一步細(xì)化、完善本方向研究體系，在以下方面仍須加強(qiáng)技術(shù)研究：

（1）針對(duì)不同對(duì)象材料發(fā)展適用的試驗(yàn)方法。本文介紹的試驗(yàn)方法對(duì)于具有彈塑性特征的金屬材料具有較好適用性，然而對(duì)于復(fù)合材料、含能材料、超軟/超脆材料等其他材料的適用性則有待實(shí)踐和驗(yàn)證，可預(yù)見的是在非接觸變形測(cè)試、熱耗散測(cè)試等方面均可有所借鑒，但在試驗(yàn)件設(shè)計(jì)及其加載形式、動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試、本構(gòu)方程表征等方面須結(jié)合實(shí)際進(jìn)行新方法探索。

（2）針對(duì)不同研究和應(yīng)用場(chǎng)景揭示材料的動(dòng)態(tài)變形和失效規(guī)律。在金屬材料的中低應(yīng)變率動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究方面，當(dāng)前研究主要集中于其試驗(yàn)方法和宏觀本構(gòu)表征，對(duì)于材料的細(xì)觀動(dòng)態(tài)失效物理機(jī)制，以及考慮復(fù)雜狀態(tài)（如高低溫、復(fù)雜應(yīng)力）下的單一或耦合條件下的材料動(dòng)態(tài)力學(xué)行為研究相對(duì)欠缺。

（3）針對(duì)工程應(yīng)用需求持續(xù)形成標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等成果。圍繞持續(xù)構(gòu)建普適性試驗(yàn)方法和流程的需求，進(jìn)一步形成標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試規(guī)范，結(jié)合大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累的基礎(chǔ)上，開發(fā)各類材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫(kù)，形成面向工程使用的手冊(cè)和軟件工具等成果。

參考文獻(xiàn)

[1]劉小川，王彬文，白春玉，等.航空結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)技術(shù)的發(fā)展與展望[J].航空科學(xué)技術(shù)，2020，31（3）：1-14. Liu Xiaochuan，Wang Binwen，Bai Chunyu，et al.Progress and prospect of aviation structure impact dynamics[J].Aeronautical Science & Technology，2020，31（3）：1-14. （in Chinese）

[2]惠旭龍，白春玉，葛宇靜，等. 2A16鋁合金中應(yīng)變率力學(xué)性能研究[J].振動(dòng)與沖擊， 2017（19）：66-70. Xi Xulong， Bai Chunyu， Ge Yujing， et al. Dynamic properties of 2A16 aluminum alloy under intermediate strain rate[J]. Journal of Vibration and Shock， 2017（19）：66-70.（in Chinese）

[3]惠旭龍，白春玉，劉小川，等.寬應(yīng)變率范圍下2A16-T4鋁合金動(dòng)態(tài)力學(xué)性能[J].爆炸與沖擊， 2017，37（5）：871-878. Xi Xulong， Bai Chunyu， Liu Xiaochuan， et al. Dynamic mechanical properties of 2A16-T4 aluminum alloy at wideranging strain rates[J]. Explosion and Shock Waves， 2017， 37（5）：871-878.（in Chinese）

[4]葛宇靜，白春玉，惠旭龍，等. S580B鋼中低應(yīng)變率動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)方法及本構(gòu)表征研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)， 2018，37（1）： 125-131. Ge Yujing， Bai Chunyu， Xi Xulong， et al. Dynamic tension methods and constitutive characterization of S580B steel at intermediate and low strain rates[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering， 2018，37（1）：125-131.（in Chinese）

[5]惠旭龍，牟讓科，白春玉，等. TC4鈦合金動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及本構(gòu)模型研究[J].振動(dòng)與沖擊， 2016， 35（22）：161-168. Xi Xulong， Mu Rangke， Bai Chunyu， et al. Dynamic mechanical property and constitutive model for TC4 titanium alloy[J]. Journal of Vibration and Shock， 2016， 35（22）：161-168.（in Chinese）

[6]Found M，Howard I，Paran A. Interpretation of signals from dropweight impact tests[J]. Comp Struct，1998，42：353-63.

[7]Rusinek A，Cheriguene，R，Klepaczko，et al. Dynamic behaviour of high strength sheet steel in dynamic tension：experimental and numerical analyses[J].Mechanical Engineering，2008，43：37-53.

[8]Huh H，Lim J H，Park S H. High speed tensile test of steel sheets for the stress-strain curve at the intermediate strain rate[J]. International Journal of Automotive Technology，2009，10（2）：195-204.

[9]Ramzi O. A modified servo-hydraulic machine for testing at intermediate strain rates[J]. International Journal of Impact Engineering，2009，36（3）：460-467.

[10]Kussmal K，Demler T，Klenk A. Advanced testing methods for rotating disk impact machines，mechanical properties of materials at high rates of strain[C]// Conference Series-Institute of Physics；Institute of Physics，1989.

[11]白春玉，劉小川，周蘇楓，等.中應(yīng)變率下材料動(dòng)態(tài)拉伸關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試方法[J].爆炸與沖擊， 2015，35（4）：507-512. Bai Chunyu， Liu Xiaochuan， Zhou Sufeng， et al. Material key parameters measurement method in the dynamic tensile testing at intermediate strain rates[J]. Explosion and Shock Waves， 2015， 35（4） ：507-512.（in Chinese）

[12]Wood P K C. An improved test procedure for measurement of dynamic tensile mechanical properties of automotive sheet steels[R]. SAE World Congress，2007.

[13]Ji-Ho Lim. High speed tensile tests of steel sheets for an autobody at the intermediate strain rate[J]. Transaction of the Korean Society ofAutomotive Engineers，2005，13（2）：23-29.

[14]Xia Y，Zhu J，Wang K，et al. Design and verification of a strain gauge based load sensor for medium-speed dynamic tests with a hydraulic test machine[J]. International Journal of Impact Engineering，2016，88：139-152.

[15]ISO. Metallic materials：tensile testing at high strain rates part 2：servohydraulic and other test systems[S]. 2011.

[16]Zhao C，Li W，Li J. Mapping microscale strain fields around a crack tip in molybdenum via geometric phase analysis and digital image correlation[J]. Acta Mechanica Solida Sinica，2018，31（A）：1-12.

[17]楊旭東，程潔，石建.數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)在材料變形研究中的應(yīng)用[J].熱加工工藝， 2016， 45（23）： 14-17. Yang Xudong， Cheng Jie， Shi Jian. Application of digital image correlation technique in study of material deformation[J]. Hot Working Technology， 2016，45（23）： 14-17. （in Chinese）

[18]孟利平，程遠(yuǎn)征，張倫平，等.應(yīng)變率和應(yīng)力三軸度對(duì)Q345B鋼動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響研究[J].船舶力學(xué)， 2019，23（10）：1210-1220. Meng Liping， Cheng Yuanzheng， Zhang Lunping， et al. Influence of strain rate and stress triaxiality on the dynamic mechanical behavior of Q345B steel[J]. Journal of Ship Mechanics， 2019，23（10）：1210-1220.（in Chinese）

[19]葛宇靜，白春玉，惠旭龍，等.聚碳酸酯中低應(yīng)變率范圍下動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究[J].裝備環(huán)境工程， 2018， 15（9）：66-70. Ge Yujing， Bai Chunyu， Xi Xulong， et al. Dynamic mechanical property of polycarbonate under intermediate and low strain rates[J]. Equipment Environmental Engineering， 2018， 15（9）： 66-70.（in Chinese）

[20]郭亞周，楊海，劉小川，等.中低應(yīng)變率下閉孔泡沫鋁動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究[J].振動(dòng)與沖擊， 2020， 39（3）：282-288. Guo Yazhou， Yang Hai， Liu Xiaochuan， et al. Dynamic mechanical properties of closed cell aluminum foam under medium and low strain rates[J]. Journal of Vibration and Shock， 2020， 39（3）：282-288.（in Chinese）

[21]彭浩軒，牟讓科，葛宇靜，等.聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯材料中低應(yīng)變率動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)性能[J].科學(xué)技術(shù)與工程， 2020， 20（10）：3823-3827. Peng Haoxuan， Mu Rangke， Ge Yujing， et al. Dynamic tensile mechanical property of PC/ABS material under medium and low strain rates[J]. Science Technology and Engineering， 2020， 20（10）：3823-3827.（in Chinese）

[22]白曉虹.數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）測(cè)量方法在材料變形研究中的應(yīng)用[D].沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2014. Bai Xiaohong. Application of digital image correlation method in study of material deformation[D]. Shenyang： Northeastern University， 2014.（in Chinese）

[23]俞立平，潘兵，吳大方，等.高精度二維數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)變測(cè)量精度的實(shí)驗(yàn)研究[J].強(qiáng)度與環(huán)境， 2013（1）：36-43. Yu Liping， Pan Bing， Wu Dafang， et al. Experimental study of a high-accuracy two-dimensional digital image correlation system for in-plane strain measurement[J]. Structure & Environment Engineering， 2013（1）：36-43.（in Chinese）

[24]白春玉，劉小川，惠旭龍，等.民機(jī)適墜性研究中的垂向墜撞速度問(wèn)題探討[J].航空科學(xué)技術(shù)，2020，31（9）：11-17. Bai Chunyu，Liu Xiaochuan，Hui Xulong，et al. Discussion on the problem of vertical crash velocity in the study of the crashworthiness of civil aircraft[J]. Aeronautical Science & Technology，2020，31（9）：11-17.（in Chinese）

[25]李高春，劉著卿，唐波.基于數(shù)字圖像相關(guān)方法的粘接界面細(xì)觀破壞分析[J].宇航材料工藝， 2012， 42（3）： 82-85. Li Gaochun， Liu Zhuqing， Tang Bo. Investigation on adhesive interface failure using digital image correlation method [J]. Aerospace Materials & Technology， 2012， 42（3）： 82-85. （in Chinese）

[26]Bin Chen，Wenpeng Chen . High-accuracy video extensometer based on a simple dual field-of-view telecentric imaging system[J]. Measurement，2020，10（8）：108-115.

[27]劉美.視頻引伸計(jì)系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2015. Liu Mei. Research on video-extensometer system [D]. Chang chun： Jilin University，2015.（in Chinese）

[28]柴興華，張靜，陳昕，等.視頻引伸計(jì)離面位移誤差及校正方法[J].計(jì)量學(xué)報(bào)， 2017， 38（6）：717-720. Chai Xinghua， Zhang Jing， Chen Xin， et al. Out-plane error and correction in measurement using video extensometer [J]. Acta Metrologica Sinica， 2017，38（6）：717-720.（in Chinese）

[29]李云紅，孫曉剛，原桂彬.紅外熱像儀精確測(cè)溫技術(shù)[J].光學(xué)精密工程， 2007， 15（9）：1336-1341. Li Yunhong， Sun Xiaogang， Yuan Guibin. Accurate measuring temperature with infrared thermal imager[J]. Optics and Precision Engineering，2007，15（9）：1336-1341.（in Chinese）

[30]杜玉璽，胡振琪，葛運(yùn)航，等.距離對(duì)不同強(qiáng)度熱源紅外測(cè)溫影響及補(bǔ)償[J].紅外技術(shù)， 2019，41（10）：976-981. Du Yuxi， Hu Zhenqi， Ge Yunhang， et al. Distance influence and compensation of infrared temperature measurement with different intensity heat sources[J]. Infrared Technology， 2019， 41（10）：976-981.（in Chinese）

[31]孫志遠(yuǎn)，李清安，喬彥峰，等.提高紅外測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)溫精度的研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)， 2006， 27（S1）：67-69. Sun Zhiyuan， Li Qingan， Qiao Yanfeng， et al. Study on raising the precision of infrared temperature measurement system[J]. Chinese Journal of Science Instrument， 2006， 27（S1）：67-69.（in Chinese）

[32]童心，李龍.沖擊載荷下HTPB推進(jìn)劑的熱耗散[J].爆炸與沖擊，2018，38（6）：1255-1261. Tong Xing， Li Long. Heat dissipation of HTPB propellant under impact loading[J]. Explosion and Shock Waves，2018，38（6）：1255-1261. （in Chinese）

[33]Luong M P. Infrared thermographic scanning of fatigue in metals[J]. Nuclear Engineering Design，1995，158（223）：363-368.

[34]Chrysochoos A. Local energy approach to steel fatigue[J]. Strain，2008，44：327-334.

[35]周琳，王子豪，文鶴鳴.簡(jiǎn)論金屬材料JC本構(gòu)模型的精確性[J].高壓物理學(xué)報(bào)， 2019， 33（4）：3-16. Zhou Lin， Wang Zihao， Wen Heming. On the accuracy of the Johnson-Cook constitutive model for metals[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics， 2019， 33（4）： 3-16. （in Chinese）

[36]張宏建，溫衛(wèi)東，崔海濤，等. Z-A模型的修正及在預(yù)測(cè)本構(gòu)關(guān)系中的應(yīng)用[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)， 2009， 24（6）：1311-1315. Zhang Hongjian， Wen Weidong， Cui Haitao， et al. Modification of Z-A model and the prediction of the constitutive model[J]. Journal of Aerospace Power， 2009， 24（6）： 1311-1315. （in Chinese）

[37]蘇子星，何繼業(yè).基于Cowper-Symonds方程的相似理論修正方法[J].爆炸與沖擊， 2018，38（3）：654-658. Su Zixing， He Jiye. Modified method for scaling law based on Cowper-Symonds equation[J]. Explosion and Shock Waves， 2018， 38（3）： 654-658.（in Chinese）

[38]董伊康，吝章國(guó)，孫力，等. DP590鋼動(dòng)態(tài)變形行為及本構(gòu)方程研究[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2018，25（6）：161-167. Dong Yikang， Lin Zhangguo， Sun Li， et al. Study on dynamic deformation behavior and constitutive equation of DP590 steel[J]. Journal of Plasticity Engineering，2018，25（6）：161-167. （in Chinese）

[39]馮振宇，李恒暉，劉義，等.中低應(yīng)變率下7075-T7351鋁合金本構(gòu)與失效模型對(duì)比[J].材料導(dǎo)報(bào)， 2020，34（12）：12088-12093. Feng Zhenyu， Li Henghui， Liu Yi， et al. Comparison of constitutive and failure models of 7075-T7351 alloy at intermediate and low strain rates[J]. Materials Review， 2020， 34（12）：12088-12093.（in Chinese）

[40]張宇，王彬文，劉小川，等. 2024-T42鋁合金低中應(yīng)變率力學(xué)性能及本構(gòu)關(guān)系[J].振動(dòng)與沖擊， 2020， 39（2）：249-254. Zhang Yu， Wang Binwen， Liu Xiaochuan， et al. Dynamic mechanical property and constitutive relation of 2024-T42 aluminum alloy under medium-low strain rate[J]. Journal of Vibration and Shock， 2020， 39（2）：249-254.（in Chinese）

[41]Kang W J，Cho S S，Hun H，et al. Modified Johnson-Cook model for vehicle body crashworthiness simulation[J]. International Journal of Vehicle Design，1999，21（4/5）：424-435.

（責(zé)任編輯陳東曉）

作者簡(jiǎn)介

白春玉（1984-）男，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)。

Tel：029-88268610E-mail：baichunyu2006@163.com

葛宇靜（1989-）女，碩士，工程師。主要研究方向：結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)。

Tel：029-88268285

E-mail：yujingge623@163.com

惠旭龍（1989-）男，碩士，工程師。主要研究方向：結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)。

Tel：029-88268285

E-mail：742839400@qq.com

劉小川（1983-）男，博士，研究員。主要研究方向：結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)。

Tel：029-88268805

E-mail：liuxiaochuan@cae.ae.cn

楊強(qiáng)（1987-）男，碩士，工程師。主要研究方向：結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)。

Tel：029-88268287

E-mail：yqiang1230@163.com

張宇（1994-）男，碩士，助理工程師。主要研究方向：結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)。

Tel：029-88268287

E-mail：305869212@qq.com

Research and Application of Dynamic Tensile Test Method for Metal Materials at Intermediate and Low Strain Rates

Bai Chunyu*，Ge Yujing，Xi Xulong，Liu Xiaochuan，Yang Qiang，Zhang Yu

Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Structural Impact Dynamics，AVIC Aircraft Strength Research Institute，Xian 710065，China

Abstract： The mechanical properties of metallic materials were obtained at low and intermediate strain rates using a high-speed hydraulic servo testing machine. It is important to measure the dynamic loading and strain data as well as the heat dissipation during failure process. This study investigates the dynamic tensile test methods of metal materials at low and intermediate strain rates. A visual test data processing software was developed to improve the processing efficiency of test data. The constitutive parameters of 2024-T42 and 2A16-O aluminum alloy materials were obtained at dynamic loading rate. Finally， the development of dynamic testing and measurement technologies are prospected.

Key Words： low and intermediate strain rates； dynamic constitutive characterization； non-contact test； thermal dissipation； data processing