基于数字图像相关法的熔融沉积聚乳酸材料动态力学性能测试

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2021.10.008

中国塑料 ›› 2021, Vol. 35 ›› Issue (10): 45-50.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2021.10.008

基于数字图像相关法的熔融沉积聚乳酸材料动态力学性能测试

雷经发¹^,², 段焕天¹, 刘涛¹^,², 魏展¹, 孙虹¹^,²()

^1.安徽建筑大学机械与电气工程学院，合肥 230601
^2.工程机械智能制造安徽省教育厅重点实验室，合肥 230601

收稿日期:2021-03-29 出版日期:2021-10-26 发布日期:2021-10-27
基金资助:
合肥市自然科学基金资助项目(2021019);安徽高校优秀拔尖人才培育资助项目(gxbjZD2020078);安徽高校优秀青年人才支持计划项目(gxyqZD2019057)

Dynamic Mechanical Property Test of Melt Deposited PLA Based on Digital Image Correlation Method

LEI Jingfa¹^,², DUAN Huantian¹, LIU Tao¹^,², WEI Zhan¹, SUN Hong¹^,²()

^1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Anhui Jianzhu University，Hefei 230601，China
^2.Anhui Key Laboratory of Intelligent Manufacturing of Construction Machinery，Hefei 230601，China

Received:2021-03-29 Online:2021-10-26 Published:2021-10-27
Contact: SUN Hong E-mail:sunhong2014@163.com

摘要/Abstract

摘要：

为研究熔融沉积聚乳酸（PLA）材料动态的力学性能，利用分离式霍普金森压杆（SHPB）装置对PLA材料进行了加载应变率分别为880、1 230、1 650、2 230 s^-1的动态压缩实验，通过高帧率图像采集设备获得了不同应变率下PLA材料的变形图像，结合数字图像相关（DIC）法分析得到PLA试样表面沿加载方向的应变场，并对应变率进行了分析。结果表明，熔融沉积PLA材料在动态载荷作用下的变形过程存在弹性阶段、塑性阶段和卸载阶段；随着应变率的增加，PLA材料在塑性阶段出现了显著的塑性流动区域；PLA材料的压缩强度和最大应变均随应变率增大而增大；利用DIC法测得在整个动态冲击实验过程中，应变在试样中分布基本均匀，应变范围随应变率增大而增大，应变率在整个加载过程中基本保持恒定；DIC法测得的应变与SHPB实验基本一致，应变率误差均小于3 %，表明本研究使用的DIC法能够应用于SHPB实验。

关键词: 聚乳酸, 数字图像相关, 分离式霍普金森压杆, 力学性能

Abstract:

To study the dynamic mechanical properties of melt deposited poly（lactic acid）（PLA） materials， their dynamic compression experiments were carried out using a split Hopkinson pressure bar （SHPB） experimental device with loading strain rates of 880， 1 230， 1 650 and 2 230 s^-1. The deformation images of PLA materials were obtained under different strain rates using a high frame rate image acquisition instrument. A digital image correlation （DIC） method was adopted to analyze the strain field along the loading direction， and the strain rate analysis was carried out. The results indicated that the melt deposited PLA present elastic， plastic and unloading stages in the deformation process under a dynamic loading. With an increase in strain rate， a significant plastic flow region appears in the plastic stage of PLA， and the compressive strength and maximum strain also tended to increase. The strain distribution in the sample was almost uniform over the whole dynamic impact experiment， and the strain range increased with an increase in strain rate. The strain rate kept almost a constant value during the whole loading process. According to the SHPB experiment， the strain rate error measured by the DIC method was less than 3 %. This indicates that the DIC method can be applied to the SHPB experiment.

Key words: poly（lactic acid）, digital image correlation, split Hopkinson pressure bar, mechanical property

中图分类号:

TQ320.77⁺4

雷经发, 段焕天, 刘涛, 魏展, 孙虹. 基于数字图像相关法的熔融沉积聚乳酸材料动态力学性能测试[J]. 中国塑料, 2021, 35(10): 45-50.

LEI Jingfa, DUAN Huantian, LIU Tao, WEI Zhan, SUN Hong. Dynamic Mechanical Property Test of Melt Deposited PLA Based on Digital Image Correlation Method[J]. China Plastics, 2021, 35(10): 45-50.

图/表 13

图1 改进的PLA试样形状

Fig.1 Improved PLA sample shape

图2 试样表面的人工散斑

Fig.2 Artificial pattern on specimen surface

图3 实验系统

Fig.3 Experimental system

图4 应变率为880 s-1下PLA材料的应力平衡图

Fig.4 Stress equilibrium diagram of PLA at strain rate of 880 s-1

图5 PLA材料的动态压缩应力?应变曲线

Fig.5 Dynamic compressive stress?strain curves of PLA

应变率/s^-1	最大应变	压缩强度/MPa
880	0.069	103.43
1 230	0.099	108.69
1 650	0.130	114.24
2 230	0.176	119.03

表1 PLA材料的压缩强度与最大应变

Tab.1 Compressive strength and maximum strain of PLA

图6 应变率为880 s-1下PLA材料的加载方向应变云图

Fig.6 Strain nephogram of PLA loading direction at strain rate of 880 s-1

图7 DIC法测量的880 s-1下PLA材料的应变?时间图

Fig.7 Strain?time diagram of PLA at 880 s-1 measured by DIC method

图8 PLA材料加载方向应变云图

Fig.8 Strain nephogram of PLA in loading direction

图9 DIC法测得PLA材料的应变?时间曲线

Fig.9 Strain?time curves of PLA obtained by DIC method

拟合直线斜率	$R 12$
892	0.995 27
1 208	0.998 87
1 665	0.999 52
2 293	0.998 64

拟合直线斜率	$R 12$
892	0.995 27
1 208	0.998 87
1 665	0.999 52
2 293	0.998 64

表2 线性拟合数据

Tab.2 Linear fitting data

表2 线性拟合数据

Tab.2 Linear fitting data

图10 两种方法测得的应变?时间曲线

Fig.10 Strain?time curves measured by the two method

SHPB实验应变率/s^-1	$R 22$	DIC法应变率/s^-1	相对误差/%
880	0.995 12	892	1.36
1 230	0.996 47	1 208	1.79
1 650	0.999 38	1 665	0.91
2 230	0.999 89	2 293	2.83

SHPB实验应变率/s^-1	$R 22$	DIC法应变率/s^-1	相对误差/%
880	0.995 12	892	1.36
1 230	0.996 47	1 208	1.79
1 650	0.999 38	1 665	0.91
2 230	0.999 89	2 293	2.83

表3 两种方法测得的应变率对比

Tab.3 Comparison of strain rate measured by the two methods

表3 两种方法测得的应变率对比

Tab.3 Comparison of strain rate measured by the two methods

参考文献 21

1	DESTEFANO V， KHAN S， TABADA A. Applications of PLA in Modern Medicine［J］. Engineered Regeneration， 2020（1）： 76⁃87.
2	BATTEGAZZORE D， ABT T， MASPOCH M L， et al. Multilayer Cotton Fabric Bio⁃composites Based on PLA and PHB Copolymer for Industrial Load Carrying Applications［J］. Composites Part B： Engineering， 2019， 163： 761⁃768.
3	MEEKUM U， KHIANSANOI A. PLA and Two Components Silicon Rubber Blends Aiming for Frozen Foods Packaging Applications［J］. Results in Physics， 2018（8）： 79⁃88.
4	KNOCH S， PELLETIER F， LAROSE M， et al. Surface Modification of PLA Nets Intended for Agricultural Applications［J］. Colloids and Surfaces A： Physicochemical and Engineering Aspects， 2020，598： 124787.
5	BAPTISTA R， GUEDES M. Morphological and Mechanical Characterization of 3D Printed PLA Scaffolds with Controlled Porosity for Trabecular Bone Tissue Replacement［J］. Materials Science and Engineering： C， 2021， 118： 111528.
6	张斌. 基于聚乳酸复合材料的汽车零部件应用研究与分析［D］. 长春：吉林大学， 2017.
7	GUO Y， CHEN P， ARAB A， et al. High Strain Rate Deformation of Explosion⁃Welded Ti6Al4V/Pure Titanium［J］. Defence Technology， 2020， 16（3）： 678⁃688.
8	HASSAN M， WILLE K. Experimental Impact Analysis on Ultra⁃high Performance Concrete （UHPC） for Achieving Stress Equilibrium （SE） and Constant Strain Rate （CSR） in Split Hopkinson Pressure Bar （SHPB） Using Pulse Shaping Technique［J］. Construction and Building Materials， 2017， 144： 747⁃757.
9	AI D， ZHAO Y， WANG Q， et al. Experimental and Numerical Investigation of Crack Propagation and Dynamic Properties of Rock in SHPB Indirect Tension Test［J］. International Journal of Impact Engineering， 2019， 126： 135⁃146.
10	YAO W， XIA K. Dynamic Notched Semi⁃circle Bend （NSCB） Method for Measuring Fracture Properties of Rocks： Fundamentals and Applications［J］. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering， 2019， 11（5）： 1 066⁃1 093.
11	GAO G， YAO W， XIA K， et al. Investigation of The Rate Dependence of Fracture Propagation in Rocks Using Digital Image Correlation （DIC） Method［J］. Engineering Fracture Mechanics， 2015， 138： 146⁃155.
12	XING H Z， ZHANG Q B， RUAN D， et al. Full⁃Field Measurement and Fracture Characterisations of Rocks Under Dynamic Loads Using High⁃Speed Three⁃Dimensional Digital Image Correlation［J］. International Journal of Impact Engineering， 2018， 113： 61⁃72.
13	ISLAM M A， BROWN A D， HAZELL P J， et al. Mechanical Response and Dynamic Deformation Mechanisms of Closed⁃Cell Aluminium Alloy Foams Under Dynamic Loading［J］. International Journal of Impact Engineering， 2018， 114： 111⁃122.
14	ZENG H B， BAILLY P. Experimental Characterization of Dynamic Behaviour of Ggelatin⁃Based Material Using DIC［J］. Polymer Testing， 2017， 63： 298⁃306.
15	GUDURU K K， SRINIVASU G. Effect of Post Treatment on Tensile Properties of Carbon Reinforced PLA Composite by 3D Printing［J］. Materials Today： Proceedings， 2020，33：5 403⁃5 407.
16	LIU Z， LEI Q， XING S. Mechanical Characteristics of Wood， Ceramic， Metal and Carbon Fiber⁃Based PLA Composites Fabricated by FDM［J］. Journal of Materials Research and Technology， 2019， 8（5）： 3 741⁃3 751.
17	ABEYKOON C， SRI⁃AMPHORN P， FERNANDO A. Optimization of Fused Deposition Modeling Parameters for Improved PLA and ABS 3D Printed Structures［J］. International Journal of Lightweight Materials and Manufacture， 2020， 3（3）： 284⁃297.
18	金观昌. 计算机辅助光学测量［M］. 北京：清华大学出版社， 2007： 142⁃145.
19	XU W， HUA J， ZHANG S Q， et al. Research on Dynamic Compression Characteristics of Birch Wood Based on SHPB Test［J］. Scientia Silvae Sinicae， 2015， 51： 95⁃101.
20	BLABER J， ADAIR B， ANTONIOU A. Ncorr： Open⁃Source 2D Digital Image Correlation Matlab Software［J］. Experimental Mechanics， 2015， 55（6）： 1 105⁃1 122.
21	卢芳云. 霍普金森杆实验技术［M］. 北京：科学出版社， 2013： 27.

[1]	于昌永, 辛忠. 基于六氢邻苯二甲酸盐的α/β复合成核剂对聚丙烯性能的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 121-128.
[2]	谭立钦, 刘伟区, 梁利岩, 王硕, 冯志强, 林家明. 含巯基聚硅氧烷改性环氧树脂的制备及性能[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 21-29.
[3]	徐杰, 钟进福, 童晓茜, 李广富, 付栋梁, 李城城. 端羧基修饰单宁酸/没食子酸环氧树脂复合材料的制备与性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 44-50.
[4]	沈雪梅, 朱小龙, 胡燕超, 宋任远, 张现峰, 李席. 静电喷雾法制备聚乳酸/布洛芬微球及其性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 61-67.
[5]	周舒毅, 朱敏, 刘忆颖, 曹舒惠, 蔡启轩, 聂慧, 张玉霞, 周洪福. 高分子止血材料研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 74-84.
[6]	李凯泽, 辛勇. 改性碳纳米管增强热塑性聚氨酯复合材料的性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 1-5.
[7]	邵琳颖, 郗悦玮, 翁云宣. 可降解聚乳酸复合材料研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 155-164.
[8]	王帅, 张玉迪, 杨富凯, 徐新宇. 聚酰亚胺/多壁碳纳米管泡沫材料的制备及性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 39-45.
[9]	王金业, 唐博虎, 杨立宁, 谢猛, 郭泽朝, 杨光. PA12试件多射流熔融成型工艺研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 81-86.
[10]	孙文博, 信春玲, 何亚东, 翟玉娇, 闫宝瑞. 玻璃纤维增强PBT微发泡工艺对其制品泡孔结构的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 1-7.
[11]	王镕琛, 张恒, 孙焕惟, 段书霞, 秦子轩, 李晗, 朱斐超, 张一风. 医疗卫生用聚乳酸非织造材料的制备及其亲水改性研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 158-166.
[12]	王轲, 龙春光. PE⁃UHMW/海泡石纤维复合材料的力学性能与摩擦学性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 19-23.
[13]	陈胜, 梁颖超, 吴方娟, 方辉, 范新凤, 陈晖, 王永刚. 聚酰胺6/双向经编玻璃纤维复合材料的制备及其界面改性研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 24-28.
[14]	雷经发, 沈强, 刘涛, 孙虹, 尹志强. 熔融沉积工艺参数对热塑性聚氨酯弹性体静动态力学性能的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 29-35.
[15]	何和智, 徐力, 杨以科. 预应力对PC/CF层合板力学性能的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(4): 1-5.

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