应用数字图像相关方法测量含缺陷试样的全场变形

利用数字图像相关方法测量表面带孔洞、裂纹、缺口等缺陷试样的全场变形是许多实际测量任务中经常遇到的问题.就此问题,本文阐述了一种先对要避免计算的缺陷区域进行标记,在随后进行的相关计算中直接避免这些标记区域的方法.在已计算得到全场位移的情况下,文中提出了基于局部位移场最小二乘拟合的方法来计算区域边界、孔洞、裂纹或缺口附近等区域应变.最后对单侧边带半圆缺口试样的单向疲劳拉伸实验的计算结果充分显示本文方法的有效性和可靠性.     

带裂纹的椭圆孔口问题的应力分析

断裂现象与材料和结构中的孔洞、缺口或裂纹等缺陷密切相关,这是因为缺陷附近的应力集中明显.该文利用复变方法,通过保角映射研究了带裂纹的椭圆孔洞的平面弹性问题,给出了应力强度因子的解析解.并由此计算了两互相垂直的裂纹问题.     

微小缺口/孔洞的激光衍射无损检测

基于裂纹和孔洞的小尺寸特征,提出了微小缺口/孔洞的激光衍射无损探测技术,给出了解析表达式.通过这一技术,对单向拉伸试件中所含单边缺口和中心孔洞在外载作用下的演化过程进行了实时原位检测,获得了缺口/孔洞孔径随载荷的变化曲线及模拟裂纹时裂纹的张开位移、裂纹开裂长度及应力强度因子等一系列断裂参数.     

一种基于DIC测量单边缺口拉伸试件CTOD阻力曲线的简便方法

针对测量单边缺口拉伸(SENT)试样的裂纹尖端张口位移(CTOD)阻力曲线时,延性裂纹扩展量的计算过于复杂的问题,提出了一种由数字图像相关技术(DIC)计算的变形场来确定裂纹尖端位置,并快速推算延性裂纹扩展量的方法。该方法首先在缺口和裂纹上下方的弹性区域设置两条平行横线;然后通过两条横线间的位移差构建曲线,曲线变化幅度的临界点即为裂纹端部的位置;根据临界点位置计算裂纹扩展量,最后测量CTOD并构建阻力曲线。将本文方法与另一种通过DIC测量SENT试样CTOD阻力曲线的方法进行对比,结果表明本文方法经过简便的计算后拟合的阻力曲线效果更好。     

平面弹性介质多孔多裂纹问题的一种数值方法

提出了平面弹性介质中多孔洞多裂纹相互作用问题的一种数值计算方 法. 通过把适于单一裂纹的Bueckner原理扩充到含有多孔洞多裂纹的一般体系，将原问题 分解为承受远处载荷不含裂纹不含孔洞的均匀问题，和在远处不承受载荷但在裂纹面上和孔 洞表面上承受面力的多孔洞多裂纹问题. 于是，以应力强度因子作为参量的问题可以通过考 虑后者(多孔洞多裂纹问题)来解决，而利用提出的杂交位移不连续法，这种多孔 洞多裂纹问题是容易数值求解的. 算例说明该数值方法对分析平面弹性介质中多孔洞多裂纹 相互作用的问题既简单又有效.     

基于数字散斑相关方法测定Ⅰ型裂纹应力强度因子

提出了一种通过数字散斑相关方法测定金属材料Ⅰ型裂纹尖端位置和应力强度因子的实验方法.实验采用疲劳试验机对含Ⅰ型缺口的Cr12MoV钢试件预制裂纹,通过数字散斑相关方法测试试件在三点弯曲加载条件下裂纹的扩展过程及裂尖区域的位移场.将位移场数据代入裂尖位移场方程组,采用牛顿-拉普森方法求解含未知参量的裂尖非线性位移场方程组,计算裂尖位置和应力强度因子.实验结果表明,采用该方法可以准确地测定金属材料Ⅰ型裂纹应力强度因子、裂尖位置及裂纹扩展长度,解决了以往研究中因不能准确测定裂纹尖端位置,而无法准确计算Ⅰ型裂纹裂尖断裂参数的难题,揭示了金属材料裂纹扩展过程中应力强度因子演化特征.     

光学透视测量玻璃纤维增强复合材料板离面应变场分布

本文通过激光波数扫描干涉测量系统和方法,透视测量商用玻璃纤维增强复合材料板前、后表面的离面应变场分布。实验中分别对有缺陷和无缺陷的商用玻璃纤维增强复合材料样品进行了离面位移场测量和平均轴向正应变场分布计算。无缺陷样品的离面位移场及压缩应变场分布均匀连续,随加载呈现递增压缩变化;有缺陷样品的缺陷周围的离面位移场分布变化无规则,其压缩正应变分布以缺陷孔洞为中心,加载量越大,孔洞周围其压缩正应变值较小的区域越大,压缩正应变集中在远离孔洞的边缘区域,随加载量变化压缩应变场分布无线性规律。实验结果证明,激光波数扫描干涉测量系统和方法准确可靠,它为玻璃纤维增强复合材料板的力学性能测量提供了一个新技术平台。     

应用云纹干涉法测量力电耦合作用下铁电陶瓷的破坏行为

本文采用云纹干涉系统对的电陶瓷在力电耦合载荷作用下裂纹尖端的力学行为进行全场实时非接触动态细观测量,采用三点弯实验获取裂纹尖端区域在力电耦合作用下与电场集中有关的电致伸缩位移场,应变场,通过分析实验取得的云纹图得到了裂尖区域的位移场,应变场,发现裂尖区域就变随着与裂尖距离的增加衰减的速率比没有电场作用下的理论计算结果要快。     

分子动力学模拟含不同初始缺陷单晶镍的断裂行为与应力演化

断裂是一个跨尺度复杂的物理过程，对宏观尺度的断裂行为已有深入的研究和发展，然而对微观尺度的断裂行为及断裂过程中应力场的变化缺乏深入的理解。本文通过分子动力学模拟，研究了具有不同初始缺陷(尖锐裂纹、钝裂纹和孔洞)的单晶镍的断裂行为和应力分布特征。结果表明，不同的初始缺陷导致了不同的断裂机制、断裂强度和抗断裂性能。含初始孔洞的单晶镍样品有最高的断裂强度和最强的抗断裂性能，这与孔洞扩展过程中堆积层错的形成密切相关。其次是含初始钝裂纹的样品，在裂纹扩展过程中出现由[100]超位错发射引起的裂尖钝化；含尖锐裂纹的样品表现为脆性断裂，裂尖原子没有出现微结构的变化，其强度和抗断裂性能最低。此外，不同的初始缺陷也会导致断裂过程中应力分布的变化，对含有尖锐裂纹的脆性断裂试样，高应力(拉伸应力、平均应力和米塞斯应力)总是出现在扩展裂纹的裂尖。而对于含有钝裂纹或孔洞的韧性断裂试样，高应力不仅分布在裂尖，也分布在位错发射和堆积层错形成的区域，在裂纹/孔洞扩展之前，应力随着加载时间的增加而迅速增加，而一旦裂纹或孔洞开始扩展，应力增加非常缓慢或几乎不增加，但拉伸应力值始终大于平均应力和米塞斯应力值。这表明，在I型...     

孔洞裂纹问题的一种数值方法

研究孔洞与裂纹的相互作用问题,通过把适于单一裂纹的Bueckner原理扩充到含有多孔洞多裂纹的一般体系,将原问题分解为承受远处载荷不含裂纹不含孔洞的均匀问题,和在远处不承受载荷但在裂纹面上和孔洞表面上承受面力的多孔洞多裂纹问题.于是,以应力强度因子作为参量的问题可以通过考虑后者来解决,而利用笔者提出的杂交位移不连续法,这种多孔洞多裂纹问题是容易数值求解的.算例说明该数值方法对分析平面弹性介质中孔洞与裂纹的相互作用既简单又有效.     

Submicron deformation field measurements: Part 1. Developing a digital scanning tunneling microscope

A new experimental method has been developed for studying deformations of micromechanical material systems at the submicron scale. To that end, a special digital scanning tunneling microscope (STM) was designed to be coupled to a mechanically deforming specimen. Operating in constant current mode, this digitally controlled STM records detailed topographies of specimen surfaces with a resolution of 10 nm in-plane and 7 nm out-of-plane over a 10 μ × 10 μ area. Three-dimensional displacement field information is extracted by comparing topographies of the same specimen area before and after deformation by way of a modified digital image correlation algorithm. The resolution of this (combined) displacement measuring method was assessed on translation and uniaxial tensile tests to be 5 nm for in-plane displacement components and 1.5 nm for out-of-plane motion over the same area. This is the first paper in a series of three in which the authors delineate the main features of this specially designed microscope and describe how it is constituted, calibrated and used with the improved version of the digital image correlation method to determine deformations in a test specimen at the nanoscale.     

一种考虑旋转位移分量的数字图像相关法及其精度分析

提出了一种新的考虑旋转位移分量的数字图像相关法[CD2]旋转相关匹配法,其特点是先对图像子区进行预旋转,再进行相关匹配、相关系数、整像素和亚像素位移的计算。在物体产生旋转位移分量时,该方法可有效提高变形前后图像子区间的相关系数和位移计算精度。通过斜拉伸、剪切和悬臂梁弯曲实验,对旋转相关匹配法和直接相关匹配法进行了对比研究,并用灰度梯度法计算旋转后新图像子区和变形后图像子区间的亚像素位移。结果表明,在旋转位移分量小于10°的情况下,相比于直接相关匹配法,旋转相关匹配法可以得到更高的相关系数;在用灰度梯度法计算亚像素位移条件下,位移精度与试件位移不产生旋转时的直接相关匹配相当。     

Effect of the mesh size of the vector displacement field on the strain estimate in the digital image correlation method

The influence of the mesh size of the displacement vector field on the strain estimate in the digital image correlation method is considered. The reasons for the emergence and the magnitude of the strain estimate error in processing optical images of material surfaces with different textures are analyzed. The dependence of the mesh size for strain estimation on the magnitude of displacements and also on the presence and size of the discontinuity region in the strain field is studied. An adaptive algorithm for choosing the mesh size is proposed, which allows the strain calculation error to be reduced by a factor of 1.9 with simultaneous reduction of computational expenses by a factor of 2.1.     

基于双线性位移模式数字图像相关方法的误差分析及应用

探讨数字图像相关方法测试结果的误差分布规律对提高该方法的测试精度具有重要意义。本文从理论上分析了基于双线性位移模式数字图像相关方法的子区变形场测试误差分布规律,结果表明,当试件的真实变形可由双线性位移模式描述时,变形场最大测试误差通常出现在子区的边界或节点处。因此,若试件发生均匀拉伸等常应变变形,可利用相关系数选取一个最优子区,认为测得最优子区中心应变为试件真实应变。零变形实验验证了该测试方法的可靠性。最后对手机导光板试件在单轴拉伸载荷下的数字图像进行分析,并利用本文方法测试了其弹性常数。     

数字图像相关曲面拟合法相关系数修正算法的实验研究

为了提高数字图像相关曲面拟合法亚像素定位精度,经研究发现,在实际应用中,曲面拟合法在亚像素位移为0.5像素左右时会发生较大的波动,与实际亚像素位移发生一定偏离,导致此位置位移的不连续。本文通过分析曲面拟合法亚像素位移偏离真实位移的原因,给出了具体修正方法,用模拟平移实验讨论了修正系数k和子区大小对修正结果的影响,用三点弯曲实验验证了修正方法在复杂变形情况下的有效性,提高了曲面拟合法在实际应用中的测量精度。     

Displacement fields denoising and strains extraction by finite element method

Optical full-field measurement methods are now widely applied in various domains. In general, the displacement fields can be directly obtained from the measurement, however in mechanical analysis strain fields are preferred. To extract strain fields from noisy displacement fields is always a challenging topic. In this study, a finite element method for smoothing displacement fields and calculating strain fields is proposed. An experimental test case on a holed aluminum specimen under tension is applied to validate this method. The heterogeneous displacement fields are measured by digital image correlation (DIC). By this proposed method, the result shows that the measuring noise on experimental displacement fields can be successfully removed, and strain fields can be reconstructed in the arbitrary area.     

非连续数字图像相关方法在裂纹重构中的应用

数字图像相关方法作为一种新的非接触式位移测量方法,在力学工程中有广泛的应用前景,然而受限于标准方法对图像变形的连续性要求,这种高效的测量方法在断裂力学领域的推广受到了限制. 为解决这一问题,提出采用引入子区分离数学模型,代替标准方法的连续模型,来对非连续区域进行精确识别和匹配的非连续数字图像相关方法. 研究子区被裂纹等非连续分割后原始像素点的位移情况,并引入裂纹张开向量用以表征被分割子区的主区和副区的位移关系;从而建立子区分离模型的数学表达式,并且为所提出的模型设计相应的图像相关算法;然后将所提出的非连续数字图像相关方法应用于重构平板拉伸试验开裂过程中图像的位移. 研究结果表明,相比于标准的数字图像相关方法,所提出的非连续数字图像相关方法解决了图像相关法在非连续区域失效的问题,提高了数字图像相关方法对位移测量的正确率,特别是能够准确重构裂纹面及附近的位移场,其测量精度能够达到亚像素级别.      

基于数字散斑相关实验测量的材料构型力的计算方法

材料构型力学主要研究材料中的缺陷(夹杂、空穴、位错、裂纹、塑性区等)的构型(形状、尺寸和位置)改变时,所引起的系统自由能的变化。本研究将基于数字散斑相关技术,实验测量材料试件的位移场分布,随后通过材料构型力的定义式,计算求得弹塑性材料中缺陷构型力的分布。其方法概括如下:位移场通过数字图像相关技术测得;应变及位移梯度场利用三次样条拟合获得;线弹性材料应力通过简单线弹性本构方程获取,而塑性材料的表面应力场通过Ramberg-Osgood本构方程计算求得;弹塑性应变能密度分布则由应力-应变曲线数值积分获得。该方法对普通弹性材料或者弹塑性材料均适用,可以用于各种不同的缺陷及缺陷群的材料构型力测量。     

Mixed numerical–experimental technique for orthotropic parameter identification using biaxial tensile tests on cruciform specimens

This paper presents a mixed numerical–experimental method for the identification of the four in-plane orthotropic engineering constants of composite plate materials. A biaxial tensile test is performed on a cruciform test specimen. The heterogeneous displacement field is observed by a CCD camera and measured by a digital image correlation (DIC) technique. The measured displacement field and the subsequently computed strain field are compared with a finite element simulation of the same experiment. The four independent engineering constants are unknown parameters in the finite element model. Starting from an initial value, these parameters are updated till the computed strain field matches the experimental strain field. Two specimen geometries are used: one with a centered hole to increase the strain heterogeneity and one without a hole. It is found that the non-perforated specimen yields the most accurate results.     

基于时序变形预测的数字图像相关加速方法

利用数字图像相关求解连续变形物体的位移场和应变场时,会遇到处理速度非常慢的问题,原因是相关算法计算量大且忽略了物体在时间轴上的变形规律。本文提出了一种基于变形预测的数字图像相关方法,该方法利用物体在时间轴上的变形规律,通过已经得到的变形值来预测后面时刻的变形初值。首先分析了物体在时间轴上的变形规律,然后结合实际应用对其进行修正,得到物体下一步变形的初值,最后通过NR方法(Newton-Raphson Method)得到物体的位移场和应变场。通过计算机模拟和金属试件拉伸实验并结合GPU(Graphic Processing Unit)编程验证了该方法的有效性。计算机模拟和金属试件拉伸实验的计算结果表明,该方法能够在计算精度保持不变的情况下,使计算速度提高4~7倍。