技術(shù)分享丨如何得到高精度壓縮測試結(jié)果

更新時間：2025-10-23

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材料力學試驗機技術(shù)的發(fā)展極大地降低了對操作人員的能力門檻，然而，一些非常規(guī)的精密測試還是對操作人員的技術(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因素結(jié)合在一起就屬于此類非常規(guī)情況之一。

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

PRAT 01

測試要求及問題

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(diào)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(shè)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(fā)現(xiàn)測試結(jié)束后的壓盤間距總是大于 1.217mm，因此測試數(shù)據(jù)準確性存疑。

PRAT 02

測試難點分析

表面看用戶的測試參數(shù)設(shè)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(tǒng)都不是絕對剛性的，測試過程中載荷鏈會產(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，對于 1.217mm 這個厚度來說有不小的影響。

此外，密封件產(chǎn)品在壓縮后會有比較明顯的應(yīng)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？

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(jié)果代替橫梁測試結(jié)果。

考慮到此測試的精密度要求，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，兩部分載荷鏈都會發(fā)生變形，在試樣應(yīng)力松弛后都會發(fā)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(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)變控需實時調(diào)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(huán)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(guān)，但應(yīng)力松弛期間試樣的剛度又存在實時變化，所以需要設(shè)備自動調(diào)整增益以滿足測試控制需求。

測試附件的選擇

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(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.png

上壓盤 2501-162

下壓盤 2501-163

此外，為避免壓盤材質(zhì)變形帶來的影響，需選擇經(jīng)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(yīng)能達到 1μm。

PRAT 04

方法設(shè)置與操作

選用承載高達 100kN 的壓盤，安裝壓盤并仔細地檢查和微調(diào)，確保壓盤安裝牢固并平行。盡管試驗設(shè)備擁有絕對位移編碼器，在設(shè)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(diào)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(shè)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(shè)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(shè)置里將增益的控制方式設(shè)置為自動回路控制，此時設(shè)備會根據(jù)試樣剛度的變化自動調(diào)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(zhí)行測試。

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(xiàn)的時間幾乎重合。

進一步放大曲線發(fā)現(xiàn)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(shè)定值存在約 1.3μm 的過沖，這是因為試樣的應(yīng)力松弛引發(fā)加載鏈反彈變形導致的。

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

將坐標軸橫坐標調(diào)整為橫梁位移，縱坐標調(diào)整為壓力，可以發(fā)現(xiàn)橫梁位移 1.283mm 對應(yīng)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%。

PRAT 06

結(jié)語

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(shè)計實驗減少誤差，從而獲得更可靠的測試結(jié)果。

本次實驗我們采用了合適的測試附件，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試過程控制。經(jīng)分析，測試結(jié)果比較可靠，符合理論和實際情況。