數(shù)字圖像相關(guān)法（3D-DIC）在工程構(gòu)件力學(xué)測試中的應(yīng)用：從測量方案到測試流程

隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展，越來越多的工程構(gòu)件被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。在構(gòu)件的服役過程中，外載應(yīng)力和溫度場變化等因素會對其產(chǎn)生影響。當(dāng)這些影響超出構(gòu)件可承受范圍時，構(gòu)件會發(fā)生緩慢變形，出現(xiàn)裂紋甚至發(fā)生斷裂。這將導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，甚至危及人們的生命安全。

在材料科學(xué)及工程應(yīng)用領(lǐng)域，實現(xiàn)不同材料的服役過程中的應(yīng)變測量，對于研究其力學(xué)行為演變規(guī)律、提高尺寸穩(wěn)定性、優(yōu)化服役性能及使用壽命等都有著至關(guān)重要的影響。為進(jìn)一步精確測量追蹤檢測，數(shù)字圖像相關(guān)法應(yīng)運而生。

一、用戶需求

在工程構(gòu)件的力學(xué)測試中，數(shù)字圖像相關(guān)法能夠?qū)崿F(xiàn)對結(jié)構(gòu)物體表面應(yīng)變和形變場的快速、全場、非接觸式測量，可以為結(jié)構(gòu)分析提供準(zhǔn)確的邊界條件和應(yīng)變數(shù)據(jù)。在結(jié)構(gòu)件的設(shè)計過程中，數(shù)字圖像相關(guān)法也可以用于驗證設(shè)計方案的可行性，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。通過對相關(guān)工程構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力大小測量和應(yīng)力性質(zhì)判定，可以很好地預(yù)防應(yīng)力變形開裂的發(fā)生，為飛機、鐵路、橋墩等工程構(gòu)件的安全可靠運行提供數(shù)據(jù)支持。

二、工程構(gòu)件的檢測難點

1、材料的異質(zhì)性：工程構(gòu)件材料往往存在不同部位和方向上的異質(zhì)性，這使得對材料進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的檢測變得困難。

2、材料老化、損傷的影響：隨著時間的推移，工程構(gòu)件材料可能會出現(xiàn)老化、損傷等問題，這些問題會影響材料的性能和力學(xué)特性，從而對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響。

三、數(shù)字圖像相關(guān)法（三維DIC）測量方案

1、DIC三維光學(xué)應(yīng)變測量分析系統(tǒng)，基于計算機軟件處理采集到的圖像，從而得到物體表面或者內(nèi)部位移場與應(yīng)變場的變化情況，是一種非接觸的、無損的應(yīng)變測量方法，在復(fù)雜載荷、大變形、斷裂、材料各異向性的應(yīng)變測試方面具有很大的優(yōu)勢。如圖1

2、DIC 系統(tǒng)優(yōu)勢

a、非接觸測量

b、直接測量全場應(yīng)變、位移、變形、形貌直接測量全場振幅、ODS等振動信息

c、可用于實時監(jiān)測

d、試驗過程可追溯、可評估

e、相關(guān)圖像數(shù)據(jù)可反復(fù)分析處理，以實現(xiàn)不同研究目的，而無須重!試驗，節(jié)約經(jīng)濟和時間成本。

四、測試流程

為研究工程構(gòu)件服役過程中的應(yīng)變演化行為，使用三維DIC方法對純鈦板材進(jìn)行模擬測量，以高分辨率和高精度對試樣在不同拉伸狀態(tài)下的應(yīng)變分布進(jìn)行實時在線檢測，并取得顯著成效。

1、純鈦板材拉伸試驗

1）本次試驗選取了工程構(gòu)件中純鈦板材試件作為試驗對象，借助電液伺服疲勞試驗機對試件進(jìn)行靜力拉伸試驗，從而獲取試件的各項力學(xué)性能指標(biāo)。

2、操作步驟

下面是工程構(gòu)件中純鈦板材在電液伺服疲勞試驗機進(jìn)行拉伸測試時，使用三維DIC方法的測試流程：

1、準(zhǔn)備測試樣品：準(zhǔn)備純鈦板材試樣，并根據(jù)試驗機的規(guī)格確定試樣的尺寸和形狀。在試樣表面選擇適當(dāng)?shù)奶卣鼽c，并進(jìn)行標(biāo)記。

2、進(jìn)行拉伸試驗：將試樣夾在電液伺服疲勞試驗機的夾具中，通過控制試驗機的負(fù)載系統(tǒng)對試樣進(jìn)行拉伸。在拉伸的過程中，利用高速攝像機記錄試樣表面特征點的變形情況，拍攝到試樣變形前后的多張照片。

3、圖像處理：將攝像機拍攝的照片導(dǎo)入數(shù)字圖像相關(guān)軟件中，對試樣表面的特征點進(jìn)行識別和跟蹤，獲取試樣變形前后特征點的坐標(biāo)和位移信息，并計算出試樣的應(yīng)變和應(yīng)力分布。

4、數(shù)據(jù)分析：根據(jù)三維DIC方法計算得到的應(yīng)變和應(yīng)力數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、疲勞壽命等材料力學(xué)性能參數(shù)。

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審核編輯 黃宇