技術(shù)分享丨如何得到高精度壓縮測(cè)試結(jié)果

更新時(shí)間：2025-10-23

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材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)技術(shù)的發(fā)展極大地降低了對(duì)操作人員的能力門(mén)檻，然而，一些非常規(guī)的精密測(cè)試還是對(duì)操作人員的技術(shù)能力和設(shè)備性能提出了很高的要求。小試樣、微變形和大力值這三個(gè)因素結(jié)合在一起就屬于此類(lèi)非常規(guī)情況之一。

以下案例為 Instron 針對(duì)類(lèi)似測(cè)試需求經(jīng)過(guò)分析后優(yōu)化測(cè)試解決方案，從而使測(cè)試曲線更加穩(wěn)定，峰值力值增加了約 100%。

PRAT 01

測(cè)試要求及問(wèn)題

此案例中的測(cè)試試樣為某種密封件，實(shí)際使用時(shí)密封件會(huì)被壓縮到固定間距 1.217mm，因此用戶需要知道安裝過(guò)程中的壓力變化來(lái)調(diào)整安裝工藝。

基于此實(shí)際需求，測(cè)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(cè)試過(guò)程的力值。

用戶也正是按照這個(gè)要求，將初始?jí)罕P(pán)間距設(shè)置為 2.5mm，在位移 1.283mm 也就是剩余 1.217mm 時(shí)開(kāi)始保持橫梁不動(dòng)，直到 10min，如下圖所示：

然而，按照此要求實(shí)施后用戶卻發(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)束后的壓盤(pán)間距總是大于 1.217mm，因此測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性存疑。

PRAT 02

測(cè)試難點(diǎn)分析

表面看用戶的測(cè)試參數(shù)設(shè)置沒(méi)有問(wèn)題，但實(shí)際上并沒(méi)有真正地做到控制試樣剩余厚度達(dá)到并保持 1.217mm。

任何力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)都不是絕對(duì)剛性的，測(cè)試過(guò)程中載荷鏈會(huì)產(chǎn)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(duì)于 1.217mm 這個(gè)厚度來(lái)說(shuō)有不小的影響。

此外，密封件產(chǎn)品在壓縮后會(huì)有比較明顯的應(yīng)力松弛，當(dāng)壓力下降時(shí)，載荷鏈會(huì)有微小的彈性反彈，導(dǎo)致試樣厚度變化。因此，此次測(cè)試的難點(diǎn)有以下兩點(diǎn)：

如何消除加載階段載荷鏈柔性帶來(lái)的影響？
保持試樣厚度階段如何消除載荷鏈反彈的影響？

PRAT 03

解決方案

消除加載鏈階段載荷鏈柔性的影響

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(pán)對(duì)壓到超過(guò)測(cè)試最大載荷，記錄載荷鏈形變量，然后在實(shí)際測(cè)試中導(dǎo)入修正曲線消除影響。

第二種是采用撓度計(jì)，撓度計(jì)安裝在壓盤(pán)上，用撓度計(jì)的測(cè)試結(jié)果代替橫梁測(cè)試結(jié)果。

考慮到此測(cè)試的精密度要求，第二種方案是更好的選擇。

消除載荷鏈反彈的影響

試樣上下均接觸壓盤(pán)，兩部分載荷鏈都會(huì)發(fā)生變形，在試樣應(yīng)力松弛后都會(huì)發(fā)生反彈，因此只能采用撓度計(jì)精準(zhǔn)測(cè)量壓盤(pán)間距，同時(shí)以撓度計(jì)顯示數(shù)據(jù)為控制源，本質(zhì)上和金屬拉伸的應(yīng)變控相同。

應(yīng)變控需實(shí)時(shí)調(diào)整橫梁位置以滿足撓度計(jì)測(cè)量距離保持不變，屬于高頻閉環(huán)控制，控制效果受橫梁位移和撓度計(jì)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(guān)，但應(yīng)力松弛期間試樣的剛度又存在實(shí)時(shí)變化，所以需要設(shè)備自動(dòng)調(diào)整增益以滿足測(cè)試控制需求。

測(cè)試附件的選擇

由于測(cè)試力值不小，但目標(biāo)間距很小，因此該測(cè)試對(duì)壓盤(pán)的平行度和剛度要求都很高。帶萬(wàn)向頭的壓盤(pán)雖然容易調(diào)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(pán)更適合此測(cè)試。

壓盤(pán)直徑越大，壓盤(pán)平行度帶來(lái)的位移誤差越明顯，因此至少選擇一個(gè)面積較小的壓盤(pán)來(lái)減少平行度的影響。

上壓盤(pán).png

上壓盤(pán) 2501-162

下壓盤(pán) 2501-163

此外，為避免壓盤(pán)材質(zhì)變形帶來(lái)的影響，需選擇經(jīng)表面硬化處理的高剛度壓盤(pán)。為確保控制的精確性，撓度計(jì)的絕對(duì)精度應(yīng)能達(dá)到 1μm。

PRAT 04

方法設(shè)置與操作

選用承載高達(dá) 100kN 的壓盤(pán)，安裝壓盤(pán)并仔細(xì)地檢查和微調(diào)，確保壓盤(pán)安裝牢固并平行。盡管試驗(yàn)設(shè)備擁有絕對(duì)位移編碼器，在設(shè)備中輸入壓盤(pán)信息即可直接識(shí)別壓盤(pán)間距，但鎖緊壓盤(pán)時(shí)用力的大小對(duì)夾具間距的影響無(wú)法計(jì)算。

考慮到測(cè)試的精度要求，此影響無(wú)法忽略，因此我們還是選擇將壓盤(pán)施加 5N 的力值對(duì)壓以確定位移零點(diǎn)。隨后調(diào)整初始夾具間距到 2.5mm，安裝撓度計(jì)并將位移歸零。

試樣已做模糊處理

設(shè)置撓度計(jì)變形量為壓縮位移，并將壓縮終點(diǎn)和保載控制變量均設(shè)為壓縮位移，也就是用撓度計(jì)控制變形量。

在撓度計(jì)的傳感器設(shè)置里將增益的控制方式設(shè)置為自動(dòng)回路控制，此時(shí)設(shè)備會(huì)根據(jù)試樣剛度的變化自動(dòng)調(diào)整橫梁位移和撓度計(jì)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(zhí)行測(cè)試。

PRAT 05

結(jié)果與分析

為了更好地分析結(jié)果，需要采用雙 Y 軸顯示曲線，把力-時(shí)間曲線和壓縮位移-時(shí)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(xiàn)的時(shí)間幾乎重合。

進(jìn)一步放大曲線發(fā)現(xiàn)兩個(gè)點(diǎn)還是存在約 0.5s 的時(shí)間差，并且最大壓縮位移相比設(shè)定值存在約 1.3μm 的過(guò)沖，這是因?yàn)樵嚇拥膽?yīng)力松弛引發(fā)加載鏈反彈變形導(dǎo)致的。

壓縮位移在經(jīng)歷短暫的過(guò)沖達(dá)到峰值。大約 1s 后，壓縮位移達(dá)到設(shè)定值 1.283mm 并再無(wú)過(guò)沖，隨后穩(wěn)定在 1.2823mm~1.2824mm 之間，和設(shè)定值的誤差不到 1μm。

將坐標(biāo)軸橫坐標(biāo)調(diào)整為橫梁位移，縱坐標(biāo)調(diào)整為壓力，可以發(fā)現(xiàn)橫梁位移 1.283mm 對(duì)應(yīng)的測(cè)試力值為 4.784kN。本次測(cè)試峰值力為 9.680kN，相比 4.784kN 增加了 102%。

PRAT 06

結(jié)語(yǔ)

精密試樣的高精度實(shí)驗(yàn)需要準(zhǔn)確識(shí)別可能的誤差來(lái)源，巧妙地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)減少誤差，從而獲得更可靠的測(cè)試結(jié)果。

本次實(shí)驗(yàn)我們采用了合適的測(cè)試附件，優(yōu)化了夾具安裝等操作手法，結(jié)合設(shè)備能力得到了較為滿意的測(cè)試過(guò)程控制。經(jīng)分析，測(cè)試結(jié)果比較可靠，符合理論和實(shí)際情況。