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更新時間:2025-10-23
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材料力學試驗機技術的發展極大地降低了對操作人員的能力門檻,然而,一些非常規的精密測試還是對操作人員的技術能力和設備性能提出了很高的要求。小試樣、微變形和大力值這三個因素結合在一起就屬于此類非常規情況之一。
以下案例為 Instron 針對類似測試需求經過分析后優化測試解決方案,從而使測試曲線更加穩定,峰值力值增加了約 100%。
此案例中的測試試樣為某種密封件,實際使用時密封件會被壓縮到固定間距 1.217mm,因此用戶需要知道安裝過程中的壓力變化來調整安裝工藝。
基于此實際需求,測試要求為:以 0.5mm/min 的速度把試樣厚度壓縮到 1.217mm,維持此厚度 10min,記錄測試過程的力值。
用戶也正是按照這個要求,將初始壓盤間距設置為 2.5mm,在位移 1.283mm 也就是剩余 1.217mm 時開始保持橫梁不動,直到 10min,如下圖所示:



然而,按照此要求實施后用戶卻發現測試結束后的壓盤間距總是大于 1.217mm,因此測試數據準確性存疑。
表面看用戶的測試參數設置沒有問題,但實際上并沒有真正地做到控制試樣剩余厚度達到并保持 1.217mm。
任何力學測試系統都不是絕對剛性的,測試過程中載荷鏈會產生變形,因此試樣的變形和橫梁位移之間還是存在差異,并且力值越大,此差異越大,對于 1.217mm 這個厚度來說有不小的影響。
此外,密封件產品在壓縮后會有比較明顯的應力松弛,當壓力下降時,載荷鏈會有微小的彈性反彈,導致試樣厚度變化。因此,此次測試的難點有以下兩點:
如何消除加載階段載荷鏈柔性帶來的影響?
保持試樣厚度階段如何消除載荷鏈反彈的影響?
消除載荷鏈的柔性影響有兩種方案:
第一種是采用柔度修正方案,先用壓盤對壓到超過測試最大載荷,記錄載荷鏈形變量,然后在實際測試中導入修正曲線消除影響。
第二種是采用撓度計,撓度計安裝在壓盤上,用撓度計的測試結果代替橫梁測試結果。

考慮到此測試的精密度要求,第二種方案是更好的選擇。
試樣上下均接觸壓盤,兩部分載荷鏈都會發生變形,在試樣應力松弛后都會發生反彈,因此只能采用撓度計精準測量壓盤間距,同時以撓度計顯示數據為控制源,本質上和金屬拉伸的應變控相同。

應變控需實時調整橫梁位置以滿足撓度計測量距離保持不變,屬于高頻閉環控制,控制效果受橫梁位移和撓度計位移的比率影響,該比率也就是 Instron 軟件中的“增益”。
此比率和試樣剛度息息相關,但應力松弛期間試樣的剛度又存在實時變化,所以需要設備自動調整增益以滿足測試控制需求。
由于測試力值不小,但目標間距很小,因此該測試對壓盤的平行度和剛度要求都很高。帶萬向頭的壓盤雖然容易調整平行度,但整體剛度較低,很難在大力值下維持平行,因此剛性連接的壓盤更適合此測試。
壓盤直徑越大,壓盤平行度帶來的位移誤差越明顯,因此至少選擇一個面積較小的壓盤來減少平行度的影響。

上壓盤 2501-162

下壓盤 2501-163
此外,為避免壓盤材質變形帶來的影響,需選擇經表面硬化處理的高剛度壓盤。為確保控制的精確性,撓度計的絕對精度應能達到 1μm。
選用承載高達 100kN 的壓盤,安裝壓盤并仔細地檢查和微調,確保壓盤安裝牢固并平行。盡管試驗設備擁有絕對位移編碼器,在設備中輸入壓盤信息即可直接識別壓盤間距,但鎖緊壓盤時用力的大小對夾具間距的影響無法計算。
考慮到測試的精度要求,此影響無法忽略,因此我們還是選擇將壓盤施加 5N 的力值對壓以確定位移零點。隨后調整初始夾具間距到 2.5mm,安裝撓度計并將位移歸零。

試樣已做模糊處理
設置撓度計變形量為壓縮位移,并將壓縮終點和保載控制變量均設為壓縮位移,也就是用撓度計控制變形量。

在撓度計的傳感器設置里將增益的控制方式設置為自動回路控制,此時設備會根據試樣剛度的變化自動調整橫梁位移和撓度計位移的比率,從而精確控制保載階段的試樣厚度。隨后放置試樣并執行測試。

為了更好地分析結果,需要采用雙 Y 軸顯示曲線,把力-時間曲線和壓縮位移-時間曲線放在同一張圖上,可以看到峰值力和峰值壓縮位移出現的時間幾乎重合。
進一步放大曲線發現兩個點還是存在約 0.5s 的時間差,并且最大壓縮位移相比設定值存在約 1.3μm 的過沖,這是因為試樣的應力松弛引發加載鏈反彈變形導致的。

壓縮位移在經歷短暫的過沖達到峰值。大約 1s 后,壓縮位移達到設定值 1.283mm 并再無過沖,隨后穩定在 1.2823mm~1.2824mm 之間,和設定值的誤差不到 1μm。



將坐標軸橫坐標調整為橫梁位移,縱坐標調整為壓力,可以發現橫梁位移 1.283mm 對應的測試力值為 4.784kN。 本次測試峰值力為 9.680kN,相比 4.784kN 增加了 102%。

精密試樣的高精度實驗需要準確識別可能的誤差來源,巧妙地設計實驗減少誤差,從而獲得更可靠的測試結果。
本次實驗我們采用了合適的測試附件,優化了夾具安裝等操作手法,結合設備能力得到了較為滿意的測試過程控制。經分析,測試結果比較可靠,符合理論和實際情況。
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