DIC測(cè)試設(shè)備應(yīng)用于拉伸試驗(yàn)的可靠性分析

彭奕涵 孫新楊

摘 要：DIC測(cè)試方法以其諸多的優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于材料的力學(xué)性能表征方面。本文為了分析該設(shè)備的可靠性，完成了復(fù)合材料層合板、編織材料和45號(hào)鋼的拉伸試驗(yàn)，將DIC設(shè)備測(cè)定的數(shù)據(jù)與應(yīng)變片和引伸計(jì)的測(cè)定數(shù)據(jù)比較，結(jié)果表明：DIC的測(cè)試結(jié)果具有較高的精度，而且具有引伸計(jì)和應(yīng)變片所不具備的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)；拉伸試驗(yàn)；應(yīng)變片；引伸計(jì)

中圖分類號(hào)：TH873.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）08-0064-03

數(shù)字圖像相關(guān)（Digital Image Correlation， DIC）技術(shù)是一種非接觸式現(xiàn)代光學(xué)測(cè)量實(shí)驗(yàn)技術(shù)，由于具有光路簡(jiǎn)單、環(huán)境適應(yīng)性好、測(cè)量范圍廣以及自動(dòng)化程度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域[1]。目前在材料研究的許多方面特別是力學(xué)性能表征方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用。DIC方法的基本原理是通過跟蹤物體表面變形前后散斑圖像中同一像素點(diǎn)的位置來獲得該像素點(diǎn)的位移向量，從而得到試件表面的全場(chǎng)位移[2]。DIC測(cè)量系統(tǒng)一般由照明光源、圖像采集卡、CCD攝像機(jī)及計(jì)算機(jī)組成。在材料研究方面應(yīng)用最廣泛也最成熟的就是通過DIC技術(shù)代替應(yīng)變片或引伸計(jì)來測(cè)量試樣在拉伸中的應(yīng)變。

本文為了分析DIC測(cè)試設(shè)備的可靠性，通過不同材質(zhì)的試件，利用DIC測(cè)試設(shè)備、應(yīng)變片和引伸計(jì)進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：利用DIC設(shè)備測(cè)定的應(yīng)變數(shù)據(jù)穩(wěn)定、準(zhǔn)確。

1 試樣

試樣包括：復(fù)合材料層合板，鋪層角度分別為0°、±45°、90°，共2個(gè)試樣；編織材料，共3個(gè)試樣；45號(hào)鋼，1個(gè)試樣。試樣尺寸為250mm*15mm*8mm。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)備包括MTS-370-25疲勞試驗(yàn)機(jī)、DEEP補(bǔ)光燈、高速攝像機(jī)、應(yīng)變儀、引伸計(jì)。

復(fù)合材料層合板的試樣，在背面沿中軸線粘貼了兩組位置對(duì)稱的應(yīng)變片，測(cè)量軸向應(yīng)變，正面噴涂散斑，如圖1所示。試驗(yàn)加載速率為1mm/min。第1個(gè)試樣加載到相對(duì)位移1.5mm后卸載（試驗(yàn)編號(hào)為0101），再加載到相對(duì)位移1mm后卸載（試驗(yàn)編號(hào)為0102）；第2個(gè)試樣加載到相對(duì)位移1mm后卸載（試驗(yàn)編號(hào)為0201），再加載至斷裂（試驗(yàn)編號(hào)為0202）。共進(jìn)行了四組靜態(tài)拉伸試驗(yàn)。

編織材料的試樣，在中央選取對(duì)稱的四個(gè)點(diǎn)，選取其中三個(gè)粘貼應(yīng)變片，測(cè)量軸向應(yīng)變，另一個(gè)噴涂散斑，如圖2所示。試驗(yàn)加載速率為0.5mm/min。第1，2個(gè)試樣加載的相對(duì)位移為1mm，第3個(gè)試樣加載至斷裂。共進(jìn)行了三組靜態(tài)拉伸試驗(yàn)。

45號(hào)鋼為各向同性材料，在試件正面中心位置噴涂散斑，散斑上下對(duì)稱位置和背面中心粘貼應(yīng)變片，測(cè)量軸向應(yīng)變。同時(shí)采用引伸計(jì)，完成一組靜態(tài)拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)加載速率為0.5mm/min，加載的相對(duì)位移為0.5mm。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 復(fù)合材料層合板

復(fù)合材料層合板2個(gè)試樣共完成4組拉伸試驗(yàn)。0102試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。圖中CH1和CH2為應(yīng)變片測(cè)量的數(shù)據(jù)，R0和R1為DIC測(cè)量的數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置與應(yīng)變片粘貼位置一致）。兩種測(cè)量方法的誤差如圖4所示。所有試驗(yàn)的兩種測(cè)量方法的誤差列于表1。

試驗(yàn)初始階段，DIC與應(yīng)變儀的數(shù)據(jù)有較大誤差，這是由于DIC的分辨率為50個(gè)微應(yīng)變，在試件應(yīng)變不大的情況下，會(huì)有較大影響。但是隨著載荷的上升，應(yīng)變逐漸增加，經(jīng)DIC采集的圖像分析所得的數(shù)據(jù)和應(yīng)變儀所采集的數(shù)據(jù)擬合度較好，誤差在5%-10%。DIC的圖像相較于應(yīng)變片采集的圖像有抖動(dòng)是由于分析圖片信息時(shí)選取的是一個(gè)區(qū)域進(jìn)行分析，計(jì)算這一區(qū)域的平均應(yīng)變，如果區(qū)域選擇較大，就能得到平滑的直線。

觀察表1可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)于第2個(gè)試樣，應(yīng)變片粘貼位置2兩種測(cè)試手段的誤差較大，可能的原因是應(yīng)變片粘貼有偏角，應(yīng)變片粘貼不牢固等。

3.2 編織材料

編織材料3個(gè)試樣共完成3組拉伸試驗(yàn)。第1個(gè)試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示，圖中CH1，CH2和CH3為應(yīng)變片測(cè)量的數(shù)據(jù)，R0為DIC測(cè)量的數(shù)據(jù)。兩種測(cè)試手段的測(cè)量誤差如圖6所示。

三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)當(dāng)中，應(yīng)變儀采集的應(yīng)變和DIC設(shè)備自帶軟件計(jì)算出的應(yīng)變數(shù)值總體趨勢(shì)一致，曲線平滑，誤差均在5-8%。誤差原因可能是由于貼片位置造成的，試件邊緣應(yīng)力分布不均一，同時(shí)也還有可能是由于編織材料本身的特性，材料性能分散性較大。

3.3 45號(hào)鋼

45號(hào)鋼1個(gè)試樣共完成1組拉伸試驗(yàn)，該試驗(yàn)增加了引伸計(jì)的測(cè)試方法。圖7為應(yīng)力應(yīng)變曲線，圖8為三種測(cè)試方法的測(cè)量誤差。觀察圖8發(fā)現(xiàn)：DIC和應(yīng)變儀與引伸計(jì)的誤差均在5%以內(nèi)。

4 結(jié)語

（1）由于應(yīng)變片采集的只是點(diǎn)應(yīng)變，而DIC采集的是場(chǎng)應(yīng)變，因此DIC比應(yīng)變儀具有更為廣泛的實(shí)用性。

（2）在靜態(tài)拉伸試驗(yàn)中，試樣在接近強(qiáng)度極限時(shí)會(huì)有較大應(yīng)變，這時(shí)應(yīng)變片可能已經(jīng)破壞，無法記錄數(shù)據(jù)，但是只要試樣表面散斑未發(fā)生剝脫，DIC就能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理。

（3）將應(yīng)變儀、引伸計(jì)和DIC技術(shù)采集的應(yīng)變進(jìn)行比較分析，可以看出，DIC的計(jì)算結(jié)果具有較高的精度，且能同時(shí)采集某一點(diǎn)或者某一區(qū)域的各個(gè)方向的位移和應(yīng)變，這是引伸計(jì)和應(yīng)變儀所不具有的優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1]Hubert Schreier， Jean-JoséOrteu， Michael A.Sutton. Image Correlation for Shape，Motion and Deformation Measurements[M].Boston：Springer，2009：1-2.

[2]劉小勇.數(shù)字圖像相關(guān)方法及其在材料力學(xué)性能測(cè)試中的應(yīng)用[D].吉林大學(xué)博士學(xué)位論文，2012：2-5.