增材制造Ti合金數(shù)字散斑相關(guān)方法應(yīng)變檢測(cè)及成形極限構(gòu)建綜述

李艷芹，張德海，何文斌，白代萍，王勝永，田淑俠

增材制造Ti合金數(shù)字散斑相關(guān)方法應(yīng)變檢測(cè)及成形極限構(gòu)建綜述

李艷芹，張德海，何文斌，白代萍，王勝永，田淑俠

（鄭州輕工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450002）

增材制造Ti合金的制件性能能否優(yōu)于傳統(tǒng)鑄件、鍛件的性能是研究人員關(guān)注的重點(diǎn)，亟需開展系統(tǒng)化的檢測(cè)與評(píng)價(jià)方法研究。主要綜述了增材制造Ti合金構(gòu)件材料應(yīng)變檢測(cè)及相關(guān)成形性能基礎(chǔ)理論研究中存在的不足和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，結(jié)合筆者的研究經(jīng)歷，圍繞增材制造現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)，數(shù)字散斑相關(guān)方法（Digital Speckle Correlation Method，DSCM）應(yīng)變精度檢測(cè)進(jìn)行了概述，進(jìn)而綜述了DSCM應(yīng)用于增材制造應(yīng)變檢測(cè)的可行性，提出了DSCM方法構(gòu)建檢測(cè)評(píng)價(jià)體系的關(guān)鍵科學(xué)問題和解決思路，論述了增材制造環(huán)境下DSCM方法應(yīng)變檢測(cè)及成形極限可視化的實(shí)驗(yàn)方案，分為數(shù)字散斑測(cè)量系統(tǒng)、應(yīng)變測(cè)量方法及理論、應(yīng)變比對(duì)及成形極限可視化實(shí)現(xiàn)機(jī)理。最后，對(duì)該方向的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)其發(fā)展前景和主要發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

數(shù)字圖像相關(guān)法；應(yīng)變檢測(cè)；鈦合金；成形極限

增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing，AM）又稱3D打印技術(shù)，是一種新興的革命性技術(shù)。該技術(shù)以激光、電弧或電子束為熱源，將金屬粉末或金屬絲按軟件設(shè)定好的二維分層路徑逐層沉積，直到制造出目標(biāo)零件或毛坯[1-3]。AM技術(shù)可用材料多樣，常用的材料主要為單一金屬（如Cu，Al，Ag等）與合金（如Ti6Al4V和Ti48Al2Cr2Nb等）。隨著專家學(xué)者對(duì)增材制造成形工藝、制件性能及組織缺陷的深入研究，增材制造成形件的精度越來越高，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，該技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大[4-5]。

鈦合金具備耐腐蝕性強(qiáng)、生物相容性強(qiáng)、無磁性、密度低等優(yōu)點(diǎn)，是增材制造技術(shù)重點(diǎn)研究材料之一，目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)、國(guó)防軍工等領(lǐng)域[6-7]。傳統(tǒng)的制造技術(shù)（如鑄造、鍛造等）已具有成熟的力學(xué)性能檢測(cè)和評(píng)價(jià)體系，增材制造的制件性能能否優(yōu)于傳統(tǒng)鑄件、鍛件的性能是研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。另外，成形件的表面粗糙度、內(nèi)部層間的結(jié)合強(qiáng)度、內(nèi)部殘余應(yīng)力-應(yīng)變的控制也直接影響著零件力學(xué)性能的優(yōu)劣，而相關(guān)的檢測(cè)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)尚未完善和統(tǒng)一，這也是限制AM技術(shù)廣泛應(yīng)用的原因之一，亟需開展系統(tǒng)化的檢測(cè)與評(píng)價(jià)方法的研究[8]。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及必要性

1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品功能及性能的要求越來越高，增材制造技術(shù)（AM）的出現(xiàn)為解決上述難題提供了新方法。與鑄造、鍛造技術(shù)相比，增材制造零部件的顯微組織及力學(xué)性能優(yōu)異，可用于大型復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)件、精密復(fù)雜構(gòu)件的制造。但AM技術(shù)也存在一些問題，如零件成形精度低，內(nèi)部存在微觀組織缺陷，基礎(chǔ)理論薄弱，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不完善等，這些問題都嚴(yán)重影響了增材制造技術(shù)的發(fā)展。美國(guó)聯(lián)合技術(shù)研究中心提出利用激光多層涂覆制造鎳基高溫合金零件的方法并取得了專利，該專利尚處于技術(shù)保護(hù)階段。顏永年等[9]在國(guó)內(nèi)較早開展了增材制造技術(shù)研究，研發(fā)出了L-SS大功率金屬激光熔覆-熔化-燒結(jié)成形制造平臺(tái)，該平臺(tái)具有極大的制造柔性，不需要預(yù)先制造砂型（芯），但構(gòu)件表面粗糙度較低。楊平華等[10]針對(duì)TC18激光、電子束增材制造鈦合金及變形鈦合金3種不同制造工藝的材料開展了超聲檢測(cè)特征試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，TC18鈦合金應(yīng)用3種不同制造工藝獲得的增材制造材料的超聲波聲速、材料衰減及檢測(cè)靈敏度均存在較大差異，與變形鈦合金相比具有明顯的方向性。WEN等[11]對(duì)選擇性激光熔化（SLM）形成的熔池邊界的宏觀力學(xué)性能和微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)熔池邊界對(duì)在不同方向施加拉伸載荷的SLM零件的微觀滑移、宏觀塑性和斷裂均有顯著影響。楊永強(qiáng)等[12]研究了孔隙率等參數(shù)可控的自動(dòng)超輕結(jié)構(gòu)化金屬零件的增材制造，發(fā)現(xiàn)總孔隙率誤差能較好地反映超輕結(jié)構(gòu)網(wǎng)格孔隙的控制精度，但存在成形時(shí)實(shí)體部分的致密性難以精密控制的問題。王忻凱等[13]采用4 mm厚的5A03-H鋁合金板材作為基材，利用無傾角成形工具進(jìn)行攪拌摩擦增材制造工藝實(shí)驗(yàn)，獲得優(yōu)化的增材制造寬度，但是存在基材類型選擇單一的問題，難以實(shí)現(xiàn)選材的多樣化。黃衛(wèi)東等[14]認(rèn)為在金屬增材制造專用合金開發(fā)、無損檢測(cè)以及系統(tǒng)化標(biāo)準(zhǔn)等方面存在的問題限制了金屬增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用。張琦等[15]在950 ℃同應(yīng)變和應(yīng)變速率條件下對(duì)SLM成形的Ti6Al4V合金試樣進(jìn)行精密鍛造處理，發(fā)現(xiàn)精密鍛造處理試樣在水平截面和豎直截面的顯微硬度差小于SLM成形原件在兩個(gè)截面的顯微硬度差，但該方法局限于精鍛處理，常規(guī)鍛造和增材制造過程難以適應(yīng)。上述研究主要涉及增材制造構(gòu)建的成形方法制造和工藝優(yōu)化等，但均未涉及制造構(gòu)件的力學(xué)成形性能研究及評(píng)價(jià)。因此，采用DSCM在增材制造構(gòu)件材料全場(chǎng)應(yīng)變檢測(cè)和成形極限機(jī)理方面的研究具有一定的創(chuàng)新性。

數(shù)字散斑相關(guān)方法（Digital Speckle Correlation Method，DSCM）是基于機(jī)器視覺技術(shù)、人工智能技術(shù)、圖像處理技術(shù)、攝影測(cè)量技術(shù)、經(jīng)典力學(xué)等多學(xué)科的集成產(chǎn)物，機(jī)器視覺技術(shù)和人工智能技術(shù)在產(chǎn)物中屬于上游指導(dǎo)作用，圖像處理技術(shù)是核心原理，攝影測(cè)量和經(jīng)典力學(xué)則是產(chǎn)物的基礎(chǔ)理論和實(shí)現(xiàn)根本。光測(cè)方法需要在特定的測(cè)量環(huán)境下制造光學(xué)干涉產(chǎn)生的條紋來獲得變形數(shù)據(jù)，目前局限于在實(shí)驗(yàn)室階段的應(yīng)用。數(shù)字散斑相關(guān)方法則避開了其缺點(diǎn)，通過在物體表面制作隨機(jī)斑點(diǎn)或偽隨機(jī)散斑場(chǎng)來提取變形數(shù)據(jù)的全場(chǎng)光測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了工程上的應(yīng)用。DSCM具有非接觸、全場(chǎng)、高空間分辨力和高精度測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，包括干涉方法和非干涉方法在內(nèi)的各種光學(xué)測(cè)量方法在先進(jìn)材料成形機(jī)理方面研究中扮演著不可替代的重要角色[16-17]。YAMAGUCHI[18]、RANSON等[19]提出的DSCM方法已經(jīng)成為材料力學(xué)領(lǐng)域中一種有眾多應(yīng)用的非接觸全場(chǎng)光學(xué)測(cè)量方法，研究多集中在如何提高其位移測(cè)量精確度上，如何從含噪聲的離散位移數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確提取人們更關(guān)注的應(yīng)變信息成為該方法的一個(gè)關(guān)鍵問題。WANG等[20]對(duì)數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)和圖像匹配技術(shù)進(jìn)行了技術(shù)比較，發(fā)現(xiàn)將圖像匹配技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)中可以大幅度提高數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的性能。DAI等[21]提出了將DSCM和徑向基函數(shù)結(jié)合對(duì)鋁合金棒標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變?cè)嚇舆M(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的方法，研究發(fā)現(xiàn)該方法能對(duì)力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)試樣的工藝參數(shù)起到一定的簡(jiǎn)化，另外試驗(yàn)中的四點(diǎn)彎曲試樣也為應(yīng)變檢測(cè)提供了一個(gè)參考范本。CHENG等[22]提出采用3D-DIC技術(shù)研究5456鋁合金變形，并進(jìn)行2D-DIC和3D-DIC精度測(cè)量的對(duì)比試驗(yàn)來解決動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效（Portevin-Le Chatelier）現(xiàn)象的方法，該方法為全場(chǎng)應(yīng)變檢測(cè)在2D和3D方向提供了可行性。LIONELLO等[23]將數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于生物軟組織（韌帶），發(fā)現(xiàn)治療的韌帶比未治療的韌帶在硬度上有不顯著的上升（最大增加了1.7%）。MARZOUK等[24]利用散斑圖分析了未改性的A356復(fù)合材料的性能測(cè)試，研究了彎曲實(shí)驗(yàn)過程中全厚度全場(chǎng)應(yīng)變的初始微觀結(jié)構(gòu)，該類材料也是增材制造重點(diǎn)關(guān)注開發(fā)的材料。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞DSCM應(yīng)變檢測(cè)精度也開展了大量的研究工作，先后提出了多種相關(guān)系數(shù)計(jì)算模型，主要包括互相關(guān)計(jì)算模型和平方差求和相關(guān)計(jì)算模型[25]。POZZI等[26]對(duì)模型進(jìn)行了指數(shù)平滑加權(quán)，發(fā)現(xiàn)指數(shù)平滑可以使動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)更加可靠，相關(guān)性更加平滑。ALBRECHT等[27]根據(jù)多幅連續(xù)拍攝的散斑圖像獲得了單個(gè)像素的灰度值，提高了空間分辨率，減少了強(qiáng)曲面或臺(tái)階表面產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。HARENDT等[28]將時(shí)間方法與空間技術(shù)相結(jié)合，提出了一種時(shí)空相關(guān)性，用以測(cè)量包含靜態(tài)和移動(dòng)對(duì)象的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景。在計(jì)算速度上，采用極限約束[29]、視差約束、灰度約束[30]等條件減小同名點(diǎn)搜索范圍，計(jì)算流程上則采用GPU并行加速[31]等減少重建時(shí)間。梁晉等[32]基于數(shù)字散斑相關(guān)法和雙目立體視覺技術(shù)開發(fā)了三維數(shù)字散斑動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)（XJTUDIC），并將該系統(tǒng)應(yīng)用于手機(jī)跌落測(cè)試中，得到了其跌落過程中的全場(chǎng)位移及應(yīng)變值。目前還尚未有將DSCM技術(shù)應(yīng)用于增材制造Ti合金的變形應(yīng)變檢測(cè)及成形性能研究的相關(guān)文獻(xiàn)。因此，通過DSCM技術(shù)控制增材制造Ti合金的成形極限，并對(duì)其變形過程中的位移及應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤是發(fā)展增材制造的重要突破[33]。

1.2 研究的必要性

隨著智能制造和數(shù)字化技術(shù)的飛躍發(fā)展，DSCM測(cè)量精度也得到了顯著提高[34-36]。將數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)與數(shù)字圖像技術(shù)相結(jié)合，對(duì)被測(cè)物體變形過程中的位移、應(yīng)變值實(shí)時(shí)監(jiān)控，現(xiàn)已能夠直接顯示變形體的三維全場(chǎng)應(yīng)變，且該方法具備非接觸、高精度、所得結(jié)果直觀準(zhǔn)確的特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)的精準(zhǔn)測(cè)量[37-41]。王亞軍等[42]采用DSCM和有限元仿真相結(jié)合的方法得到了0Cr18Ni9不銹鋼裂紋區(qū)域的應(yīng)變和應(yīng)力場(chǎng)，結(jié)果表明，斷裂力學(xué)有限元仿真驗(yàn)證了DSCM的適用性，DSCM能夠比較準(zhǔn)確地表征裂尖“奇異區(qū)”外的結(jié)構(gòu)應(yīng)變場(chǎng)。謝瑞山等[43]認(rèn)為由于增材制造材料逐層堆積成形的工藝特點(diǎn)，無法按照傳統(tǒng)制造散斑的方法在工件表面制備隨機(jī)散斑，這就使DSCM法應(yīng)用于增材制造過程的應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量仍存在較大挑戰(zhàn)。吳大方等[44]發(fā)現(xiàn)大氣層內(nèi)飛行的高超聲速飛行器外表面因氣動(dòng)加熱處于極為惡劣的高溫環(huán)境中，而氣動(dòng)熱模擬試驗(yàn)中，飛行器部件受熱，前表面在高溫環(huán)境下的變形測(cè)量非常重要且十分困難。他們通過建立水冷式高超聲速飛行器部件受熱前表面應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，結(jié)合DSCM，實(shí)現(xiàn)了有氧環(huán)境下耐高溫Al2O3陶瓷材料受熱前表面溫度高至1200 ℃時(shí)的應(yīng)變測(cè)量。該應(yīng)變測(cè)試方法與Hillman給出的Al2O3材料熱膨脹系數(shù)-溫度關(guān)系式進(jìn)行了對(duì)比，具有良好的吻合性，為高超聲速飛行器受熱部件的熱強(qiáng)度分析及安全可靠性設(shè)計(jì)提供了非常重要的試驗(yàn)測(cè)試手段。劉洪濤等[45]為了實(shí)現(xiàn)榫卯構(gòu)件大面積全場(chǎng)變形測(cè)量，采用散斑自標(biāo)定方法對(duì)三維數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。該方法可以更加方便可靠地獲得構(gòu)件的變形分布、掌握構(gòu)件破壞過程中的變形情況。許仁超等[46]將時(shí)間相關(guān)和空間相關(guān)技術(shù)結(jié)合，應(yīng)用于被測(cè)物體三維面形重建，研究表明僅需拍攝5幀散斑圖像就可以重建復(fù)雜物體的三維形貌。趙兵等[47]利用軋制及釬焊方法制備了蜂窩夾芯板，借助數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)對(duì)蜂窩板拉伸性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，并將所得結(jié)果與利用等剛度法計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，研究發(fā)現(xiàn)采用DSCM法測(cè)得彈性模量為4.01 GPa，采用等剛度法計(jì)算得到的等效彈性模量為4.88 GPa，結(jié)果吻合較好，說明了該方法的實(shí)用性。牛靖等[48]采用DSCM法對(duì)X70大變形管接頭拉伸過程中的斷裂機(jī)制進(jìn)行了研究，結(jié)果表明X70焊接接頭軟化區(qū)最大應(yīng)變達(dá)到37%以上，在拉伸過程中軟化區(qū)出現(xiàn)的明顯應(yīng)變集中是X70焊接接頭斷裂的主要原因。由此可見，DSCM理論更適合于增材制造構(gòu)件的應(yīng)變檢測(cè)和成形性能研究，可以從理論上解釋增材制造構(gòu)件的成形極限狀態(tài)，揭示其應(yīng)變漸進(jìn)的數(shù)據(jù)演化機(jī)制，因此，在增材制造成形極限的研究中，引入DSCM理論勢(shì)在必行[49]。

2 存在的科學(xué)問題及解決思路

2.1 存在的關(guān)鍵科學(xué)問題

1）針對(duì)增材制造過程固有特性“瞬態(tài)熔凝過程”所導(dǎo)致的制件內(nèi)部的缺陷進(jìn)行機(jī)器視覺數(shù)據(jù)采集，分析成形件應(yīng)變開裂、熔化不良以及形狀尺寸偏差與粉末材料的松裝密度、打印速度、金屬液體溫度關(guān)系，獲得增材制造層間結(jié)合的演化規(guī)律，實(shí)時(shí)觀測(cè)其在DSCM界面的形貌演變機(jī)制、熔體流動(dòng)及固/液界面前沿的遷移和結(jié)合規(guī)律是擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。

2）針對(duì)增材制造材料應(yīng)變成形研究的局限，將DSCM應(yīng)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)及復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)尤其是現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)變檢測(cè)方面的研究工作中，直接采用DSCM生成的成形極限圖來判斷材料力學(xué)性能的優(yōu)劣，建立不同層間厚度、不同形狀、工件內(nèi)部質(zhì)量?jī)?yōu)良、外形尺寸精確的加工極限參數(shù)，達(dá)到指導(dǎo)合金成分設(shè)計(jì)，解釋形變強(qiáng)化機(jī)制的目的是擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題之二。

2.2 解決思路

總體研究構(gòu)想如圖1所示。利用已有的三維數(shù)字散斑測(cè)量系統(tǒng)，構(gòu)建拉伸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，圖2為采用不同技術(shù)分別獲得的理論應(yīng)變值、實(shí)驗(yàn)應(yīng)變值、模擬應(yīng)變值、自主應(yīng)變值，四者可以互相驗(yàn)證，彼此找出差值及差異性的原因，對(duì)自主設(shè)計(jì)的算法進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以便使捕獲的數(shù)值差異性最小，通過記錄合理的工藝技術(shù)參數(shù)，建立不同切片厚度、不同形狀、工件內(nèi)部質(zhì)量?jī)?yōu)良、外形尺寸精確的加工極限參數(shù)，構(gòu)建內(nèi)部應(yīng)力、組織結(jié)構(gòu)和外形尺寸的檢測(cè)評(píng)價(jià)體系成形極限圖，獲得最終的理想算法和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖1 總體研究構(gòu)想

3 研究方案

3.1 DSCM的應(yīng)變計(jì)算系統(tǒng)

研究采用的采集設(shè)備是MVVS120FM數(shù)字相機(jī)，如圖3所示，其主要參數(shù)為：分辨率為1280 pixel×960 pixel（1pixel約1/3 mm），CCD尺寸為6.4 mm× 4.8 mm，采用的采集卡為微視PCI-E 1394圖像采集卡。

DSCM的工作過程需要采集變形前后的2幅散斑圖像，即給定試樣變形前后的2個(gè)數(shù)字散斑場(chǎng)，要求在變形后的散斑場(chǎng)中識(shí)別出對(duì)應(yīng)于變形前的同名點(diǎn)或者同名子區(qū)，其中變形前的圖像如圖4a所示，變形后的圖像如圖4b所示，其實(shí)現(xiàn)方法為：首先通過數(shù)字相機(jī)拍照（見圖4a），在該圖像上選取一個(gè)同名點(diǎn)為中心，規(guī)劃×大小的參考子區(qū)，把該區(qū)域命名為，這里為任意像素；其次，在圖4b中，按照有效的計(jì)算方法，如遺傳算法、蟻群算法、廣義粒子群優(yōu)化模型算法、NSGA-Ⅱ算法、爬山法等搜索方法，建立多目標(biāo)匹配問題的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)最小化像素應(yīng)變精準(zhǔn)匹配、最小化運(yùn)行時(shí)間的目標(biāo)函數(shù)。針對(duì)建立的多目標(biāo)問題模型，提出基于NSGA-Ⅱ的求解方法，以快速非支配排序及像素精度值最小為適應(yīng)度評(píng)價(jià)方法，將2幅圖像的灰度特征問題與塑性變形的三維應(yīng)變問題的共性特點(diǎn)進(jìn)行類比，提出一種問題假設(shè)與數(shù)據(jù)處理方法，將所有該區(qū)域需要處理的各個(gè)像素的變形數(shù)據(jù)，采用按照變形數(shù)據(jù)大小排序和灰度特征值2部分共同結(jié)合的編碼方法，經(jīng)計(jì)算最終確定一組解集，該解集中的每個(gè)解都能得到兼顧。最后按照某一相關(guān)函數(shù)對(duì)參考子區(qū)與變形圖像子區(qū)進(jìn)行相關(guān)性比較，尋找與參考子區(qū)相關(guān)系數(shù)最大的以點(diǎn)'為中心的子區(qū)，則點(diǎn)'即為點(diǎn)在變形圖像中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。通過三維重建算法來比較'點(diǎn)和點(diǎn)3個(gè)方向上的差值，可以獲得三維立體場(chǎng)的應(yīng)變數(shù)值，圖像上所有的點(diǎn)集匯總到一起，就可以獲得整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)變數(shù)值，并以云圖的形式展現(xiàn)出來。數(shù)字散斑相關(guān)方法也可看成是一種變分方法[50]，它與彈性力學(xué)變分方法的區(qū)別見表1。

圖2 應(yīng)變對(duì)比分析

圖3 MVVS120FM數(shù)字相機(jī)

表1 數(shù)字散斑相關(guān)方法與彈性力學(xué)變分法的異同

Tab.1 Similarities and differences between digital speckle correlation method and elastic variational method

圖4 變形前、后采集的散斑圖像

3.2 增材制造Ti合金的應(yīng)變測(cè)量方法

針對(duì)增材制造的環(huán)境和Ti合金的成形環(huán)境，構(gòu)建新的散斑標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別算法、三維重建算法、多組虛擬攝站測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)一坐標(biāo)系和姿態(tài)計(jì)算，以適應(yīng)科學(xué)研究和工程需要。

3.2.1 新的散斑標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別算法

相機(jī)標(biāo)定過程和Ti合金增材制造應(yīng)變視頻圖像檢測(cè)過程都要進(jìn)行標(biāo)志點(diǎn)的識(shí)別和三維重建，計(jì)算出標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)。在識(shí)別算法研究方面，要對(duì)增材制造環(huán)境（如震動(dòng)、激光能量、光照等）對(duì)光學(xué)成像的影響進(jìn)行研究和分析，以便校正這些影響對(duì)圖像識(shí)別的干擾，提高圖像識(shí)別的精度。

3.2.2 三維重建算法研究

利用CCD相機(jī)拍攝被測(cè)物體的變形圖片，并通過匹配某一點(diǎn)周圍的灰度特征來追蹤該點(diǎn)在變形過程中不同狀態(tài)的位置，利用雙目立體視覺中存在的外極線約束條件可加速相關(guān)匹配。使用相機(jī)同時(shí)拍攝變形物體，利用相機(jī)的標(biāo)定參數(shù)，以及數(shù)字圖像相關(guān)匹配的結(jié)果，可以得到對(duì)應(yīng)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，進(jìn)而對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行三維重建。

3.2.3 散斑圖像的跟蹤和識(shí)別算法

散斑變形值主要是通過比較同一點(diǎn)位在同一基準(zhǔn)條件下不同觀測(cè)周期的坐標(biāo)值差值來確定的，為探明這些差異主要是測(cè)量誤差還是真實(shí)變形造成的位移，需要進(jìn)行位移量顯著性檢驗(yàn)。

3.2.4 多組虛擬攝站測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)一坐標(biāo)系

借助三維光學(xué)散斑測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量增材制造Ti合金的三維成形過程，建立Ti合金構(gòu)件的動(dòng)態(tài)三維數(shù)據(jù)，完成增材制造模型的快速建模；將多組虛擬攝站測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換統(tǒng)一坐標(biāo)系，從而實(shí)現(xiàn)Ti合金構(gòu)件成形過程的完美檢測(cè)。

3.3 構(gòu)建增材制造Ti合金多工況下應(yīng)變對(duì)比及成形極限可視化

增材制造構(gòu)件材料的成形性能如圖5所示，依據(jù)DSCM系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)增材制造Ti合金進(jìn)行應(yīng)變的動(dòng)態(tài)跟蹤和測(cè)試，研究激光能量密度、多道間搭接率以及軸單層行程等對(duì)內(nèi)應(yīng)力及應(yīng)變場(chǎng)的影響規(guī)律，獲得增材制造構(gòu)件材料、組分材料的成形極限圖（FLD），通過復(fù)合材料混合定律（ROME法則）獲得組分材料與構(gòu)件材料之間的相互作用關(guān)系及影響規(guī)律；采用Hosford's高階屈服準(zhǔn)則，對(duì)成形極限圖中負(fù)應(yīng)變比部分采用Hill's失穩(wěn)準(zhǔn)則，正應(yīng)變比部分采用修正M-K理論推導(dǎo)出增材制造構(gòu)件材料的成形極限應(yīng)變計(jì)算式，運(yùn)用損傷力學(xué)或失穩(wěn)判據(jù)，建立成形極限理論計(jì)算公式，并用應(yīng)變測(cè)試實(shí)驗(yàn)獲得的成形極限修正現(xiàn)有的成形極限理論計(jì)算模型，建立Ti合金增材制備過程內(nèi)部組織控制和凝固溫度梯度引起形狀變化等關(guān)系，獲得構(gòu)件材料在不同成形速率穩(wěn)定作用下應(yīng)力-應(yīng)變曲線與恒定成形速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，構(gòu)建相關(guān)唯象性本構(gòu)方程。

圖5 增材制造構(gòu)件材料的成形性能

將圖5獲得的本構(gòu)方程作為基本參數(shù)輸入ABAQUS中進(jìn)行分析，主程序傳遞給用戶單元子程序（UEL）位移和位移增量，更新子程序相應(yīng)的變量，利用UEL可以計(jì)算出單元?jiǎng)偠染仃嚕ˋMATRX）及單元?dú)堄噍d荷矩陣（RHS），通過對(duì)外部載荷疊加得到的殘余應(yīng)力值來判斷收斂性。如果此次迭代收斂則進(jìn)入下一個(gè)增量步，如果不收斂則繼續(xù)進(jìn)行下一次迭代，直至收斂為止。通過MATLAB將計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)位移進(jìn)行相應(yīng)后處理，每一個(gè)由UEL計(jì)算得到的AMATRX和RHS都可在DAT文件中進(jìn)行查看。實(shí)驗(yàn)獲得的本構(gòu)方程可以作為輸入量輸入有限元軟件，結(jié)合邊界條件、摩擦類型、求解算法等關(guān)鍵技術(shù)用以獲得理想的數(shù)值。

借助數(shù)字散斑[51]分析結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化激光能量密度、多道間搭接率以及軸單層行程等參數(shù)，根據(jù)變形梯度張量的物理意義，材料的變形可看作是純拉伸（或壓縮）和純旋轉(zhuǎn)共同作用的結(jié)果，即先拉伸（或壓縮）再旋轉(zhuǎn)，反之亦然，如圖6所示，其中為變形梯度，為單位正交矩陣，和為對(duì)稱正定矩陣。

圖6 變形梯度張量的2種變換過程

依據(jù)增材制造Ti合金建立適應(yīng)工藝參數(shù)的有限元模型，應(yīng)用CAD與CAE一體化的邊界面算法進(jìn)行應(yīng)變分析[52]，添加增材制造構(gòu)件材料應(yīng)變計(jì)算的核心算法，包括基于特征識(shí)別對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行自動(dòng)劃分的算法、近奇異積分和奇異積分算法、大規(guī)模復(fù)層板高效快速算法等。摸索增材制造過程的典型結(jié)構(gòu)形狀參數(shù)與激光功率、打印速率和搭接率等關(guān)系，得出優(yōu)化的配置比例關(guān)系，構(gòu)建內(nèi)部應(yīng)力、組織結(jié)構(gòu)和外形尺寸的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

針對(duì)Ti合金增材制造的成形性能的應(yīng)變檢測(cè)開展研究，考察增材制造Ti合金構(gòu)件材料的成形性能，擬采用攝影測(cè)量學(xué)、機(jī)器視覺方法獲取有關(guān)結(jié)合面強(qiáng)度、應(yīng)變、成形極限、斷裂趨向等信息，揭示了DSCM對(duì)增材制造彈塑性變形過程的機(jī)理和規(guī)律，構(gòu)建新的散斑標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別算法、三維重建算法、多組虛擬攝站測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)一坐標(biāo)系和姿態(tài)計(jì)算。

通過借助對(duì)增材制造Ti合金構(gòu)件材料整體的力學(xué)性能、成形性能及其層間組合部分之間的多重耦合實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出其成形性能及其整體的力學(xué)性能關(guān)系，揭示增材制造材料層間結(jié)合機(jī)理，構(gòu)建內(nèi)部應(yīng)力、組織結(jié)構(gòu)和外形尺寸的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到完善DSCM理論體系、優(yōu)化鈦合金材料力學(xué)性能、增強(qiáng)增材制造材料的連接關(guān)系且實(shí)現(xiàn)整體力學(xué)性能最優(yōu)的目的。該研究對(duì)于指導(dǎo)增材制造精密成形，拓展其工業(yè)應(yīng)用，具有重要的理論和實(shí)際意義。

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Strain Detection and Forming Limit Construction of Digital Speckle Correlation Method for Ti Alloy by Additive Manufacturing

LI Yan-qin, ZHANG De-hai, HE Wen-bin, BAI Dai-ping, WANG Sheng-yong, TIAN Shu-xia

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, China)

Whether the properties of Ti alloy by additive manufacturing is better than that of traditional castings and forgings is the focus of researchers' attention, and there is an urgent need to carry out systematic detection and evaluation methods. The shortcomings in the basic theoretical research on material strain detection and related formability of Ti alloy components by additive manufacturing and the research status at home and abroad were mainly summarized. Combined with the research experience, the research hotspot of additive manufacturing at the present stage and the digital speckle strain accuracy detection were generalized. Then, the feasibility of applying digital speckle correlation method to additive manufacturing strain detection was reviewed, and the key scientific problems and solutions of DSCM method in constructing detection and evaluation system were put forward. The experimental scheme of DSCM strain detection and forming limit visualization in additive manufacturing was discussed, which was divided into digital speckle measurement system, method and theory of strain measurement, realization mechanism of strain compare and forming limit visualization. Finally, the research progress in this direction was concluded, and the development prospect and main development direction were prospected.

digital speckle correlation method; strain detection; Ti alloy; forming limit

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.03.009

TG142.1+5

A

1674-6457(2022)03-0068-10

2021-07-20

國(guó)家自然科學(xué)基金（51975324）；2020年度河南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)（20IRTSTHN015）；江蘇省鹽城市“515”創(chuàng)新領(lǐng)軍人才項(xiàng)目；河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（202102210087）；鄭州市科技局產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目（鄭科函[2020]3號(hào)）

李艷芹（1974—），女，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樵霾闹圃臁?/p>

張德海（1973—），博士，教授，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)材料成形過程控制、逆向工程等。