三维DIC在铸铁拉伸试验中的应变测量精度研究

基于三维数字图像相关方法(3D-DIC)的拉伸实验研究了铸铁的拉伸力学性能,分别得到了应力-应变曲线、弹性模量、抗拉强度、延伸率等拉伸力学性能参数．将3D-DIC应力-应变的测试结果与目前实验中使用广泛的接触式引伸计方法的实验结果作了对比,得到两者的应力-应变曲线基本重合,弹性模量相差不超过4%．此外,还对3D-DIC和机械引伸计的应变绝对误差和相对误差作了详细比较,实验表明3D-DIC在铸铁拉伸力学性能测试中具有足够的应变测量精度,完全可以取代传统引伸计成为一种有效的非接触式变形测量手段．     

基于三维DIC方法的高强钢拉伸力学性能测定

高强度钢在建筑等工程领域发挥着极为重要的作用,因此准确测定其力学性能具有至关重要的意义．鉴于传统机械引伸计在小尺寸试样变形测试中的不便性,利用三维数字图像相关(3D-DIC)方法,对8.8级螺栓和Q690钢这两类试样在单轴拉伸试验全过程中的变形进行了测试,分别得到了应力-应变曲线、弹性模量、屈服强度、强度极限、断后延伸率和断面收缩率,由于试样在屈服阶段应变增加而应力基本不变,因此同时研究了该阶段中试样从弹性变形演化到塑性变形的发展规律．实验结果表明三维DIC在小尺寸试样力学性能测试方面具有很强的优越性,可用来灵活地测量变形并研究变形的演化规律．     

基于二维DIC的脆性材料拉伸应力-应变曲线测定

在应变测量中,基于普通二维数字图像相关(2D-DIC)的光学引伸计易受到离面刚体位移的影响,从而使得应变测量精度不高。为此,提出了基于双反射镜成像技术的光学引伸计,将试样正反面同时记录在单相机的成像靶面上。在试样正反面对应位置各置一个光学引伸计,取两者应变平均值,则可消除离面刚体位移对光学引伸计应变测量结果的影响。基于该引伸计,开展了环氧树脂和铸铁两类脆性材料的单轴拉伸实验,分别得到了应力-应变曲线。实验结果表明,本文提出的引伸计比基于普通二维DIC的光学引伸计具有更高的应变测量精度,是一种便捷、高效、高精度的应变测量方法,非常适用于脆性试样的应变测量。     

基于双向光学引伸计的材料弹性常数测量

当前,光学引伸计虽然应用较为广泛,但仍然存在泊松比测量精度不高的不足,主要原因是难以同时获得具有高精度的轴向应变与横向应变．因此,本文提出将基于双向视场分离技术的远心光学引伸计应用到材料泊松比测量中．利用该引伸计,可以同时采集试件两个方向四个视场的表面信息;通过测得的双向应变—荷载曲线,得到准确的材料泊松比和弹性模量．基于该引伸计,开展了水泥试件压缩试验、不锈钢试件与环氧树脂试件拉伸试验,分别得到试件的弹性模量与泊松比．结果表明：与电测法的数据对比,该引伸计具有较高精度与较好稳定性的特点,在准确测量材料弹性常数方面具有广泛的应用前景．     

基于DIC的印制线路板三维形貌高精度测量

生产过程中对产品三维形貌的高精度实时测量是有效的质量监控手段,具有迫切的需求。本文基于三维数字图像相关(DIC-3D)方法,全场测量了印制线路板上的台阶状焊点和印制线路,得到焊点大小、高度和印制线路线宽、线高等三维形貌数字图像数据;使用台阶仪采集面内和离面形貌数据,并进行比较。实验结果表明,三维数字图像相关方法在测量印制线路板形貌时,可测量出十数微米高的印刷线路台阶,精度达3μm;对500×500pixels图像,在i7 4790k CPU硬件条件,步长3pixels、子区19×19pixels的参数下,立体图像的重建速度小于1s,可满足线路板的在线实时检测。     

实时三维数字图像相关方法在材料力学教学中的应用1)

实验教学是理工科院校极为重要的教学环节,为使学生深刻理解理论知识,将现代光测力学方法用于实验教学具有重要意义。本文以铝合金拉伸实验和梁模型的三点弯实验为例,采用自主研制的实时三维数字图像相关方法进行教学内容展示。该方法可实时测量物体表面的三维形貌及变形,更直观地揭示材料力学中的变形规律和力学原理。实践表明,课堂演示易于调动学生的积极性,将理论与实验相结合,有助于增强学生分析问题的能力,相比传统电测方法具有无可比拟的优势。     

多相机3D-DIC及其在高温变形测量中的应用

将基于双目视觉的三维数字图像相关方法 (Three-dimension digital image correlation,3D-DIC)与多相机同步采集系统相结合,形成基于多相机的3D-DIC系统。依据三维空间误差(Three-dimensional residual,3Dresidual)最小原则,确定各点对应的最佳双目视觉系统,获得物体全场三维变形。以四相机3D-DIC系统为例,与测量精度达10~20nm的电子散斑干涉测量系统同时对平板的离面位移进行测量,并对测量得到的离面位移最大值进行了对比分析。结果显示,荷载较小时,四相机3D-DIC与电子散斑干涉测量系统误差稍大,最大达到2.7%;荷载增大,物体变形增大时,两种测量系统结果基本相同。文中讨论了四相机测量系统的不稳定对实验结果的影响。利用该四相机3D-DIC系统对镍合金不锈钢材料在高温场中的变形进行测量,获得了物体的三维变形场,并分析了材料的膨胀系数,得到了试件的热应变-温度曲线和膨胀系数随温度变化的关系式。     

数字图像相关测试技术在材料力学实验教学中的应用

为丰富实验教学手段和提高教学质量,我们引入了基于数字图像相关的平面应变测试技术并应用于材料力学实验教学.籍由此技术,学生获得了低碳钢和铝镁合金材料在单轴拉伸下的力学性能参数和全场应变等丰富的可视化信息,加深了学生对应变等理论知识的理解,显著调动了学习积极性,培养了他们的科学思维能力.     

聚氨酯(PU)在力学性能测试中的摩擦效应与变形均匀性研究

作为防弹玻璃夹层材料,PU的动态力学性能一直受到学者们的关注。为准确表征其动态力学性能,本文采用ABAQUS有限元软件对不同摩擦系数下的单轴压缩试验进行数值仿真,分析试样加载端面的摩擦效应和几何尺寸对单轴压缩试验结果的影响;结合高速摄影技术(HSP)与数字图像相关技术(DIC)观测到试样在拉伸试验中的动态变形场和应变场,探讨标距段的应力均衡性;同时对PU材料在不同应变率下的单轴压缩、拉伸力学性能进行测试。结果表明:压缩试样的端面摩擦效应限制横向变形,影响了试样内部的受力分布,使得测量得到的应力值偏大;试样长径比越小,端面摩擦效应的影响越大;在单轴动态拉伸试验中,板状拉伸试样的标距段选取应当考虑两端倒角尺寸。通过测试PU的拉、压力学性能,发现材料具有显著的应变率敏感性。     

球形薄膜的变形测量与力学分析研究

目前对于薄膜材料力学性能研究多采用单轴拉伸的实验方法,此方法在测量有特殊构型薄膜材料时有一定误差,也只能测量单一方向的力学性能。本文选用球面乳胶薄膜为实验材料,在考虑球形外形结构的基础之上,测量了整个薄膜表面的力学性能。实验在自制的装置之上结合三维数字图像相关技术(3D-DIC)测出整个薄膜表面位移场,并且结合相关公式计算出乳胶球面薄膜制品表面的拉格朗日应力场和应变场,并对膨胀后薄膜厚度变化做了相应分析。结果显示乳胶薄膜表面的变形并非均匀,圆周方向抗变形能力大于子午线方向。     

钢纤维混凝土力学性能优化与裂纹扩展特性试验研究

为探究复掺钢纤维下混凝土力学性能和裂纹扩展特性,利用云南会泽某深部矿山现场所取的砂、石、水泥等材料制成不同钢纤维掺量的混凝土试样,通过四点弯曲、劈裂拉伸和单轴压缩等试验获取试样抗折、抗拉和抗压强度,并借助数字图像相关技术(DIC)分析试样破坏和表面应变演化特征,优选出钢纤维混凝土配方应用于矿山竖井衬砌支护。同时对观测图像进行形态学处理,求算裂纹长度与裂纹扩展速度。试验结果表明：相较于对照组,添加钢纤维后混凝土试样的抗拉强度提升了46%～83%、抗折强度提升了24%～39%。钢纤维混凝土配方中,三掺钢纤维配方(40kg/m³长纤维,5kg/m³中长纤维,10kg/m³短纤维)对混凝土抗拉、抗折强度提升效果最佳,对残余强度和韧性指数的提升幅度最大。随着钢纤维尺寸种类的增加,试样位移-荷载峰后曲线斜率逐渐降低,同时混凝土试样内部固结后形成金属网结构的孔隙度降低,混凝土试样表面剥落量和裂纹衍生数量不断减少,到达峰值荷载时试样最大主应变降低。随着钢纤维种类增加,混凝土表面裂纹扩展平均速度减缓,相对起裂应力(起裂应力与峰值应力比值)...     

用于物体表面形貌和变形测量的三维数字图像相关方法

使用单个摄像机的二维数字图像相关方法通常仅局限于平面物体的面内变形测量,而使用两个摄像机基于双目立体视觉原理的三维数字图像相关方法克服了这一局限,可对平面和曲面物体表面的三维形貌和载荷作用下的三维变形进行测量。本文介绍了三维数字图像相关方法的基本原理及其关键技术,并用两个典型的实验验证了该方法的有效性。     

基于数字图像相关的裂纹端部全场三维变形实验研究

基于三维数字图像相关技术(3D-DIC),结合裂尖定位、链式匹配、相关系数阈值化算法,测量金属焊接件裂纹端部的全场三维变形,分析焊接对材料断裂力学行为的影响。实验中采用预制疲劳裂纹的紧凑拉伸试件,以Q235钢为母材,通过改变焊缝位置制备四种不同试件:无焊缝母材试件、焊缝位于中央试件、焊缝偏离中央5mm试件、焊缝偏离中央8mm试件。实验结果显示,3D-DIC既能获得裂纹张开导致的面内变形,提取裂纹尖端张开位移,还能测量裂尖材料屈服导致的局部离面凹陷。对比不同焊接件的裂纹端部场发现,裂纹与焊缝的相对位置对试件断裂力学行为有很大影响。当裂纹位于焊缝处,裂尖张开位移与局部凹陷最为显著,热影响区内裂纹端部的变形也明显大于母材,因此都具有比母材更高的断裂韧度。随着载荷增加,裂纹周围的焊缝边界处容易产生应力集中和局部损伤,最终影响材料的破坏行为。上述结果表明,3DDIC可用来分析非均匀材料的断裂力学行为,有望为实际断裂问题的解决和断裂力学理论的验证与完善提供有效的实验依据。     

基于视场分割的双远心镜头高精度视频引伸计

本文设计了一种基于视场分割的双远心镜头视频引伸计.该视频引伸计通过4个平面反射镜将双远心镜头的视场分割为2个空间上分离的视场,并通过视场标定技术确定了测量系统的放大率和两视场间的距离.在此基础上,通过数字图像相关法(DIC)跟踪试件上2个标记点的运动,获得标距段的伸长量,进而计算出应变.本文通过视场分割的方法扩大了双远...     

基于超灵敏视频引伸计的飞行器舵机连杆拉压刚度准确测量

舵机连杆拉压刚度的准确测量对于飞行器舵机的安全服役至关重要,而拉压刚度的准确测量则高度依赖于舵机连杆变形的高精度测量.传统的夹持式引伸计虽然可用于材料或结构拉压变形的精确测量,但其测量标距通常较为有限,不能满足复杂工程结构(如飞行器舵机连杆等)变形测量的实际需求.基于远心成像镜头的非接触光学视频引伸计也能满足结构变形的...     

材料断裂内聚力区牵引-分离曲线的测量方法研究

内聚力模型是模拟复合材料界面分层、脱粘等力学行为的有效工具。本文分别提出了改进的直接测量法和交互M积分反解法来测量材料的内聚力区牵引-分离关系曲线。在紧凑拉伸断裂力学实验的有限元数值模型中,分别应用两种方法测取了内聚力模型的牵引-分离曲线。通过与有限元数值解和交互J积分反解法的比较,验证了方法的准确性。本文以20%和49%纤维体积含量的随机云杉短纤维增强聚丙烯复合材料(云杉/PP)为例,分别应用改进的直接测量法、交互M积分反解法和交互J积分反解法得到了该材料内聚力区的牵引-分离曲线。三种方法结果的对比验证表明:三种方法得到的牵引-分离曲线变化趋势一致,曲线所反映的材料内聚力区强度、初始损伤和完全破坏分离量大小以及断裂的能量释放率等主要内聚力参数能够吻合,它们的测取结果都能够完整地描述内聚力区材料的力学行为。     

An experimental study of spallation criterion in phenolic-resin based woven roving glass fibre reinforced composite material

An experimental study of spallation in phenolic-resin based woven roving glass fibre reinforced composite material under uniaxial strain condition is reported in this paper. Experiments were carried out with a 101 mm bore single-stage light gas gun. The stress waves induced by plate impact propagate along the normal to glass fibre mats. The experiments show that the threshold of incipient spallation in this material depends strongly on the duration of stress wave and that this incipient spallation appears essentially in one layer. The criterion of spallation in this material given in this paper is in good agreement with experimental results. Besides, the spallation in phenolic-resin based obliquely laminated woven roving glass fibre reinforced composite material is also discussed in this paper.