新型汽车结构胶剪切实验研究

利用数字图像相关方法(DICM),分别测定了准静态单向剪切拉伸试验条件下,新型汽车结构胶粘接试件和传统点焊连接试件粘接部分的剪切力学性能。实验采用了非接触测量物体应变的方法,运用CCD及其计算机图像处理系统,实时获取变形前后试件表面图像。利用数字相关软件对变形前后的图像进行分析,从而获得试件该时刻的应变。最后确定了试件拉伸过程中的力-位移曲线及应力-应变关系曲线。测试结果及分析表明:采用新型结构胶粘接试件的力学性能与点焊结构相比有明显的优势。这为该结构胶进一步改进提供了一定的实验依据。测试中的数字图像相关法是非接触测量物体应变的方法,在实际应用中有很大的意义。     

基于数字图像相关的激光修复镍基合金疲劳损伤表征方法研究

开展激光修复镍基合金的疲劳试验，对研究修复材料疲劳性能及分析其失效行为具有重要意义。疲劳过程中，试件产生局部损伤，会导致材料力学性能恶化。如何建立光学变形场与疲劳损伤参数的定量关系实现对疲劳损伤的有效表征，是实验力学领域备受关注的问题。从激光修复镍基合金疲劳失效行为研究的需求出发，本文建立了基于单相机三维数字图像相关的疲劳光力学测试系统，并设计了包含“修复基体-修复边界-修复区”的组合型拉伸疲劳试件，在建立的测试系统下可同时测量和表征试件三种区域的全场变形。利用所建立的测试系统，实现了激光修复材料在拉-拉疲劳过程中的全场变形在线测量，得到了不同疲劳周次下的试件基体、修复边界和修复区的位移场与应变场；根据测量得到的应变场提出了疲劳中以试件历经不同循环周次后的残余应变为损伤参量的表征方法，并获得了修复镍基合金试件疲劳过程中残余应变场的演化规律。试验结果表明，在疲劳过程中，试件残余应变场内存在应变集中现象，应变集中幅值随疲劳周次的提高而增加，试件残余应变集中区域内的应变集中值远高于非应变集中区域，因此根据该结果可有效地预测疲劳裂纹萌生的时机与位置。     

中应变率下材料动态拉伸关键参数测试方法

通过高速液压伺服材料试验机进行金属材料的中等应变率动态拉伸力学性能测试。为获取精确的动态拉伸载荷数据,提出了一种拉伸载荷的间接测量方法,在不改变试验机原有结构的情况下,解决了试验机自带载荷传感器测试数据在塑性段振荡导致材料真正动力学行为被掩盖的问题;通过数字图像相关的非接触测量方式进行动态拉伸应变的测量。实验验证表明,提出的载荷和应变测试方法可实现金属材料动态拉伸试验中的力学性能参数测试。     

数字图像相关法测量局域变形场中形函数和模板尺寸的影响

数字图像相关法测量均匀变形场已被普遍接受, 其测量结果可与应变片测量结果比较. 然而, 在工程测量中, 针对局域变形场(应变高度集中, 如波特文-勒夏特利埃带、试件缺口附近和裂纹尖端等), 应变片受限于其尺寸, 其测量结果是接触面内的平均应变值. 此时, 采用数字图像相关法能够测量这些局域变形场. 但形函数和模板尺寸等计算参数对计算结果影响很大, 这也导致使用者很难判断计算结果的可靠性. 论文通过对合金拉伸实验获得的不同应变梯度的波特文-勒夏特利埃带和模拟生成的带的计算分析, 发掘了形函数和模板尺寸作用于计算结果的深层机制, 证明了二阶形函数比一阶形函数更适用于高度非均匀的局域变形场. 提出了在局域应变场测量中, 当一阶和二阶形函数计算结果的相对误差小于10% 时, 二阶形函数的结果是可靠的判据.      

金属表面改性中界面力学性能的实验研究

提出了适用于微区测量的两步数字图像相关法,采用二阶泰勒多项式子区位移模式有效地降低了截断误差;采用B-样条插值函数提高了亚像素重建的精度;采用拟牛顿迭代法提高了计算速度等,使微区内应变测量精度控制在100~150με。在残余应变测量中通过数字标记点相关技术实现了试件的精确复位,提高了其测量精度。文中利用上述方法测量了镀层改性试件跨界面的位移场和应变场,分析了裂纹对镀层的影响以及测出了基材中引起的残余应变;同时对镀层改性界面结合性能作了定量比较。     

软化桁架模型理论在钢筋煤矸石砼低剪力墙中的应用

本文通过对六榀试验钢筋煤矸石砼低剪力墙的分析研究，提出了煤矸石砼软化应力－应变曲线，并结合桁架模型理论，对其受力全过程进行了分析，结果表明，考虑其横向应变后的计算结果与试验结果吻合较好，最后，建议了一个钢筋煤矸石砼低剪力墙抗剪强度实用计算公式。     

软化桁架模型理论在钢筋煤矸石砼低剪力墙中的应用

本文通过对六榀试验钢筋煤矸石砼低剪力墙的分析研究，提出了煤矸石砼软化应力－应变曲线，并结合桁架模型理论，对其受力全过程进行了分析，结果表明，考虑其横向应变后的计算结果与试验结果吻合较好，最后，建议了一个钢筋煤矸石砼低剪力墙抗剪强度实用计算公式。     

基于图像分析法的水稻茎秆力学性能测量与分析

水稻茎秆力学性能的准确描述是水稻抗倒伏力学分析的关键。由于茎秆是由生物活性材料组成的形状不规则柔性结构,传统的测试方法难以对其力学性能进行准确测量。以南方水稻为研究对象,采用拉伸试验机对水稻茎秆进行了拉伸试验。首先采用传统的应变片方法测量应变,继而探索采用图像分析法实现非接触、高精度地测量水稻茎秆的截面尺寸、拉伸变形。用数字摄像机记录不同荷载水平下试件表面的数字图像,采用数字图像相关分析法(DIC)进行分析,通过两种方法计算茎秆的轴向应变;将完成拉伸实验的试件切片,采集其横截面的数字图像,通过数字图像分析技术得到其几何特性,并对大量实验数据进行了统计分析,实现了对水稻茎秆弹性模量、抗弯刚度等的合理描述。实验结果表明,采用传统的应变片测量求得的水稻茎秆的弹性模量的离散性极大,超出样本差异性的范围,而采用数字图像分析方法得到的弹性模量、抗弯刚度的结果有一定的离散性,但分布比较合理,比较准确地反映了水稻茎秆相关的力学性能。     

高温变形测量中热流场造成畸变的修正方法

目前高温环境中材料的变形测量是研究的热点,基于数字图像特征识别的非接触测量方法促进了高温环境变形测量的发展,但由于高温环境的复杂性,存在很多测量影响因素,其中高温环境中热流场的存在对数字图像法的影响尤为明显。本文提出了一种对高温变形测量中热流场造成畸变影响的修正方法。针对基于光学成像方法的材料高温变形测量中常见的热流场扰动,通过数值仿真得到热流场模型及热流场分布状况,再结合光线追迹原理对热流场造成的图像畸变影响进行分析,用数值分析结果对高温变形测量实验结果进行修正。对比扰动修正结果与真实位移有很好的一致性,从而证明了所提方法的可行性和有效性。     

激光光栅显微图像检测技术及其应用

介绍一种可以用来测量曲面试件表面应分量（εｚ,εθ,εｚθ）的激光光栅显微图像检测技术（ＩＧＭ）,它能实现从小应变到大应变全过程的高精度定量测量。我们将这一技术成功地应用在铁基形状记忆合金（ＦＳＭＡ）管接头的结构设计中,在这项研究中,首先在管接头结构表面制作了变形的载体－位相型干涉光栅,由结构表面产生的衍射光通宵我学系统后形成新的干涉光栅,我们利用数字图像系统接收了逆相变前后各自的干涉图像,采用带     

利用分形相关法测量股骨头剖开面的面内位移

由于股骨头内松质骨结构的复杂性,对股骨头内骨小梁的应力和变形的分析与测试十分困难。在已经开展的这一方面的研究工作中主要是进行松质骨试样的宏观力学性能测试。随着计算机和图像技术的发展,图像及图像相关方法开始被用来进行松质骨的生物力学研究,这是非接触的测量方法,可以用来测量松质骨的表面位移场。本文利用图像相关方法在宏观尺度下测量了股骨头受外力作用时冠状面的面内的位移分布,作为进一步探索的开端。尽管松质骨表面的凹凸不平性对测量精度有影响,但是,还是可以分析出面内位移的分布特点。     

Research on synchronous measurement technique of temperature and deformation fields using multispectral camera with bilateral telecentric lens

The hot-section parts easily occur the creep-fatigued interaction under the condition of mechanical-thermal coupled load during the period of service, which may lead to the damage of the parts, and therefore, the measurement and characterization of thermal-deformed fields of the parts are important to understand its damage process. Aiming at relevant demand, the bilateral telecentric-multispectral imaging system was established, the research of synchronous measurement technique of the temperature and deformation fields was developed. On the one hand, the measurement technology for surface temperature of the object was developed using the two-color images captured by the multispectral camera with bilateral telecentric lens and combined with colorimetric method. On the other hand, the 2D-DIC measurement technique of the multispectral camera was developed by conducting digital image correlation analysis using the blue light images before and after deformation, which can measure the high temperature deformation field of the object (the blue light images were filtered by multispectral camera). Results showed that the bilateral telecentric lens is used to replace the ordinary optical lens for imaging, which can effectively eliminate the distortion of the multispectral imaging system. Since the temperature measurement process of this measurement system is little affected by the emissivity of the object, therefore, it has excellent robustness. The thermal expansion coefficients of the nickel alloys are evaluated at the temperature ranges of 700–1000 ℃, indicating this system can achieve the synchronous and precise measurement of the temperature and deformation fields of the object.     

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．     

基于主应变场的混凝土全表面开裂特征实时测量与分析

测量裂纹的扩展过程对于揭示混凝土结构的破坏机理和评价其力学性能十分重要. 本文提出了一种基于混凝土表面变形场的裂纹定位和宽度测量方法, 首先基于多相机数字图像相关方法得到混凝土试件表面的高分辨变形场, 发现开裂引起的位移梯度使裂纹附近的虚主应变场明显区别于未开裂处, 且主应变场在裂纹法线方向近似高斯分布. 借鉴在激光条纹中心线定位中广泛采用的Steger算法思想, 提出了基于主应变场的裂纹定位方法, 并将裂纹两侧位于法线上的面内位移向量做差沿裂纹法线方向上的投影为Ⅰ型裂纹宽度, 沿裂纹切线方向上的投影为Ⅱ型裂纹宽度, 最终得到了裂纹每一点的位置和宽度. 利用高精度平移台设计了模拟裂纹扩展的实验, 以验证Ⅰ型裂纹宽度的测量精度. 实验结果表明: 裂纹宽度的测量误差在0.010 ~ 0.017像素之间, 与理论预测相符; 测量误差的标准差在0.006 ~ 0.008像素之间, 测量结果比较稳定. 在同等分辨率下, 本文方法的测量精度优于基于图像的裂纹测量方法. 本文提出的方法可以全自动、实时地测量裂纹扩展, 为混凝土实验提供了一种可靠、精确的全场裂纹测量手段.      

扫描电镜下的数字散斑相关方法及其应用

对数字散斑相关方法(digital speckle correlation method,DSCM)在扫描电镜(scanningelectron microscope,SEM)下的应用进行了研究。将DSCM与带电液伺服试验系统的SEM结合起来,对二者结合的过程进行了分析,实现了SEM下细微观变形场的测量,扩展了DSCM和SEM的应用范围。为了定量地把握SEM在扫描图像时放大倍数的不稳定性、非线性和内部噪声对DSCM的影响,还对SEM下的DSCM精度和误差进行了实验分析。统计结果表明,SEM下应用DSCM进行变形场的测量,其位移测量误差最大可达2像素,其精度可以满足一般变形场测量的需要。作为应用实例,对混凝土试件在SEM下的断裂行为进行了研究,得到了混凝土试件表面随着载荷的变化而变化的表面细观变形场。     

Elastic constants characterization on graphite at 500°C by the virtual fields method

In this paper the elastic constants of graphite at elevated temperature were experimentally investigated by using the virtual fields method (VFM). A new method was presented for the characterization of mechanical properties at elevated temperature. The three-point bending tests were performed on graphite materials by an universal testing machine equipped with heating furnace. Based on the heterogeneous deformation fields measured by the digital image correlation (DIC) technique, the elastic constants were then extracted by using VFM. The measurement results of the elastic constants at 500°C were obtained. The effect on the experimental results was also analyzed. The successful results verify the feasibility of using the proposed method to measure the properties of graphite at high temperature, and the proposed method is believed to have a good potential for further applications.     

刃型位错理论模型的实验验证

刃型位错芯周围变形场的实验测量是多年来非常困难的研究任务,它导致目前有多种位错理论模型并存。为了检验刃型位错理论模型的适用性,使用透射电子显微镜直接观察并获得了多晶金中刃型位错的高分辨电子显微图像,并采用几何相位分析方法测量了刃型位错周围的位移场和应变场。将实验测量结果与线弹性理论位错模型、Peierls-Nabarro位错模型及Fore-man(a=4)位错模型进行了比较。结果表明,三种位错理论模型在远离位错芯的区域都能描述刃型位错变形场,但在距离位错芯较近的区域,Peierls-Nabarro模型是最适当的位错理论模型。     

Digital Image Correlation with Self-Adaptive Gaussian Windows

A novel subpixel registration algorithm with Gaussian windows is put forward for accurate deformation measurement in digital image correlation technique. Based on speckle image quality and potential deformation states, this algorithm can automatically minimize the influence of subset sizes by self-adaptively tuning the Gaussian window shapes with the aid of a so-called weighted sum-of-squared difference correlation criterion. Numerical results of synthetic speckle images undergoing in-plane sinusoidal displacement fields demonstrate that the proposed algorithm can significantly improve displacement and strain measurement accuracy especially in the case with relatively large deformation.     

Three-dimensional Full-field Measurements of Large Deformations in Soft Materials Using Confocal Microscopy and Digital Volume Correlation

A three-dimensional (3-D) full-field measurement technique was developed for measuring large deformations in optically transparent soft materials. The technique utilizes a digital volume correlation (DVC) algorithm to track motions of subvolumes within 3-D images obtained using fluorescence confocal microscopy. In order to extend the strain measurement capability to the large deformation regime (>5%), a stretch-correlation algorithm was developed and implemented into the Fast Fourier Transform (FFT)-based DVC algorithm. The stretch-correlation algorithm uses a logarithmic coordinate transformation to convert the stretch-correlation problem into a translational correlation problem under the assumption of small rotation and shear. Estimates of the measurement precision are provided by stationary and translation tests. The proposed measurement technique was used to measure large deformations in a transparent agarose gel sample embedded with fluorescent particles under uniaxial compression. The technique was also employed to measure non-uniform deformation fields near a hard spherical inclusion under far-field uniaxial compression. Introduction of the stretch-correlation algorithm greatly improved the strain measurement accuracy by providing better precision especially under large deformation. Also, the deconvolution of confocal images improved the accuracy of the measurement in the direction of the optical axis. These results shows that the proposed technique is well-suited for investigating cell-matrix mechanical interactions as well as for obtaining local constitutive properties of soft biological materials including tissues in 3-D.     

使用单彩色相机的单相机三维数字图像相关方法

介绍了一种基于单个彩色相机的新型全靶面、单相机三维数字图像相关(3D-DIC)方法。借助于设计巧妙的颜色分光光路,被测物体表面图像可以通过两条不同的光路达到相机靶面,采集的标定靶和实验件表面的彩色图像可以分离得到蓝色和红色子图像。通过使用3D-DIC分析标定靶和实验件表面分离后的蓝色和红色子图像,可以获得物体表面的三维形貌和变形。形貌测量、面内和离面平移、以及静动态三维变形实验验证了该单彩色相机3D-DIC方法的有效性和测量精准度。由于可避免双相机同步,且能实现无分辨率损失的全靶面三维形貌和变形测量,本文方法在需要实现瞬态位移和变形测量的爆炸、冲击、振动等领域中具有广阔重要的应用前景。