小尺寸低碳钢试件吕德斯效应的三维数字图像相关测量

吕德斯效应是多种金属和合金材料由于屈服阶段的不均匀变形而在材料表面产生条带状褶皱的现象,它会使冲压件表面质量降低.为了防止它的出现,对吕德斯效应进行研究变得非常重要.采用小视场(15 mm×15 mm)下三维数字图像相关方法对小尺寸低碳钢试件在单轴拉伸载荷作用下的变形场进行测量,实际观测了小尺寸试件的吕德斯效应,结合理论模型解释了其形成机理,并分析了吕德斯带传播过程中应变及应变率的变化规律.实验研究表明,运用三维数字图像相关方法测量试件表面变形场,实现了对小尺寸低碳钢试件的吕德斯带演化过程以及颈缩、断裂等细观力学行为的观测,该方法是研究材料变形细观机理的一种有效测量手段.     

MEASUREMENT OF LÜDERS BAND IN SMALL SIZE LOW CARBON STEEL SPECIMEN BY 3D DIGITAL IMAGE CORRELATION METHOD

吕德斯效应是多种金属和合金材料由于屈服阶段的不均匀变形而在材料表面产生条带状褶皱的现象,它会使冲压件表面质量降低. 为了防止它的出现,对吕德斯效应进行研究变得非常重要. 采用小视场(15mm×15 mm)下三维数字图像相关方法对小尺寸低碳钢试件在单轴拉伸载荷作用下的变形场进行测量,实际观测了小尺寸试件的吕德斯效应,结合理论模型解释了其形成机理,并分析了吕德斯带传播过程中应变及应变率的变化规律.实验研究表明,运用三维数字图像相关方法测量试件表面变形场,实现了对小尺寸低碳钢试件的吕德斯带演化过程以及颈缩、断裂等细观力学行为的观测,该方法是研究材料变形细观机理的一种有效测量手段.     

温度影响下砂岩的细观破坏及变形场的DSCM表征

通过扫描电镜(SEM)实时在线观察研究了温度影响下砂岩的细观破坏,观察到砂岩的脆性断裂可同时发生在不同地方、不同矿物可能独立承载和裂纹分叉等现象. 温度低于100°C时,主裂纹附近有许多微裂纹和支裂纹发生;而温度超过150°C之后,表面很少出现支裂纹或二次裂纹. 随着温度的升高,砂岩的断裂韧性有先升高后降低的趋势,150°C左右是断裂韧性变化的临界温度. 随着温度的升高,砂岩的细观断裂机制有由脆性机制向延性机制转变的趋势,抵抗和协调变形的能力都得到增强. 细观尺度下砂岩的破坏机制有沿颗粒断裂、穿颗粒断裂及其混合断裂,其中沿颗粒断裂机制占主导地位,这是由于沿颗粒破坏需要消耗较少的能量,而穿颗粒断裂需消耗较多的能量. 利用数字散斑相关方法(digital speckle correlation method, DSCM)对SEM下砂岩破坏的细观变形场进行了测量,这表明利用DSCM表征岩石的局部变形场的连续式测量是可行的.      

数字散斑相关方法与应用研究进展

数字散斑相关方法(digital speckle correlation method, DSCM)作为固体实验力学领域材料表面变形场测量的一种非接触式方法与其它技术相比具有一些独到的优点,其有效性已经在近20年中被众多的应用实例所证明.近年来该方法在理论上逐步完善,一些现代的数学理论和数学方法(例如:小波变换、遗传算法、神经网络等)逐渐被引入到该方法中;在实验中的各个技术环节上正在逐步的改进,其结果的精度逐步的提高,结果收敛的速度也逐渐的加快;其应用的领域正逐渐从常规材料的测试向一些新型材料测试、从宏观场逐渐向细微观尺度、从常规环境向比较恶劣的环境、从实验室测试逐步向工程现场应用、从静态准静态向动态准动态等方面发展.本文简要介绍了DSCM的基本原理和数学模型,在相关搜索的改进、相关系数的选择、灰度级的重建和图像识别方面的进展以及在材料力学性能测试,微尺度变形场测量等方面的应用.最后就这一实验测量技术的几个可能的发展趋势进行了预测.      

基于数字近景测量技术反演材料弹性模量新方法

将数字近景测量技术引入材料力学实验用于测量材料的弹性参数。在采用万能实验机进行实验时,由于实验机承压板与试件表面存在接触摩擦,影响试件均匀变形,导致测得参数精度不高。本文以高清数码相机Canon700D为工具,以边长为200mm的正方体均质橡胶试件为实验对象,通过AutoCAD提取摄像图像中试件表面各点变形前后的二维坐标,获得试件表面各点的变形数据;结合ANSYS对实验过程进行数值反演分析,修正实验获得的材料参数。研究结果表明:结合数字近景测量技术与ANSYS数值模拟,可以获得更精确的变形数据,相对误差仅为0.134%,对后续实际工程测量起到了理论指导作用。     

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。     

球形压痕的残余变形分析(英文)

球形压痕技术在材料力学属性,诸如硬度,弹性模量等的测量中得到了广泛的应用。应用Twyman-Green及云纹干涉法并配合相移技术,本文对IN783合金进行了一系列的球形压痕实验研究,并对残余压痕的面内(u, v)及离面( w)变形场进行了定量测量和分析。应用面内变形测量结果,进一步对试件表面的应力-应变分布进行了分析和计算,并在离面变形场的基础上,确立了压痕周围的弹塑性边界,从而进一步应用面内的分析结果,得到材料的屈服强度。应用压痕实验的接触半径和压力并配合Tabor经验公式,本文进一步得到了材料的应力应变曲线。实验结果与已知的IN783合金相吻合。对所涉及的一系列压痕实验,本文也进行了二维有限元分析并得到了比较一致的结果。     

白光DSCM方法用于岩石变形观测的研究

本文分析了白光DSCM（数字散斑相关测量）方法用于岩石材料表面变形观测的可行性及优越性，并根据岩石材料变形的特点将普通DSCM方法进行改进。DSCM方法应用于岩石变形观测中，使观测过程得到简化，同时有助于解决岩石力学中一些难题。文中的实验结果证实了该方法的可行性和优越性。     

球形压痕的残余变形分析

球形压痕技术在材料力学属性,诸如硬度,弹性模量等的测量中得到了广泛的应用.应用Twyman-Green及云纹干涉法并配合相移技术,本文对IN783合金进行了一系列的球形压痕实验研究,并对残余压痕的面内(u, v)及离面(w)变形场进行了定量测量和分析.应用面内变形测量结果,进一步对试件表面的应力-应变分布进行了分析和计算,并在离面变形场的基础上,确立了压痕周围的弹塑性边界,从而进一步应用面内的分析结果,得到材料的屈服强度.应用压痕实验的接触半径和压力并配合Tabor经验公式,本文进一步得到了材料的应力应变曲线.实验结果与已知的IN783合金相吻合.对所涉及的一系列压痕实验,本文也进行了二维有限元分析并得到了比较一致的结果.     

骨料粒径对混凝土Ⅰ型断裂裂缝扩展影响研究

为研究不同骨料粒径混凝土Ⅰ型断裂裂缝扩展特性,开展了骨料粒径为10、20、30、40 mm的混凝土三点弯曲梁断裂试验;结合数字图像相关技术(digital image correlation, DIC)测得试件表面计算区域全场位移变化数据;对不同骨料粒径混凝土断裂能、断裂韧度、断裂过程区(fracture process zones, FPZ)变化和发展进行研究,探讨了FPZ扩展过程与峰后荷载之间的关系。结果表明：随着骨料粒径增大,试件峰值荷载和断裂参数均呈现先增大后减小的趋势,M20试件FPZ长度的变化与峰后荷载的变化有很强的关联性,其骨料对微裂缝扩展的约束效果最好;此外,通过分析不同骨料粒径混凝土试件FPZ的发展规律,可知,骨料粒径为20 mm的混凝土试件,其峰后局部变形能力得到了改善,断裂能及断裂韧度得到了提高,在断裂过程中具有比其他骨料粒径混凝土更高的承载力和更小的FPZ,因此,合适的骨料粒径为20 mm。     

Deformation and failure mechanisms of single crystal superalloy under temperature gradient

The crystallographic constitutive model under temperature gradient is developed and introduced to study the deformation and failure mechanisms of single crystal superalloy. Tensile tests of thin-walled pipe specimen at different temperatures without cooled air flow were carried out. Based on the experimental results, the temperature dependence of constitutive model was studied and the basic parameters of constitutive model were obtained. To investigate the deformation and failure mechanisms, the thin-walled pipe specimen with cooled air flow under temperature gradient were tested. Considered the fluid-solid interface (FSI), a finite element method (FEM) was proposed to simulate the process of tension. In FEM, the activation rate of slip system was defined as the failure law of specimen under temperature gradient. The simulation result was in good agreement with the experiment result. Furthermore, the fracture surface of the specimen was observed by the scanning electron microscopy (SEM). The microstructure revealed that the slip deformation belonged to {1 1 1} crystalplane is a principal failure mechanism of single crystal superalloy under temperature gradient. The results of the SEM also implied that the proposed FEM method can be used to systemically study the deformation and failure behavior of single crystal superalloy cooled blade.     

Real-time Detection and Analysis of Damage in High-performance Concrete under Cyclic Bending

In order to quantitatively evaluate the damage level in high-performance concrete (HPC) with pozzolanic minerals under constant amplitude cyclic loads, three methods for real-time damage detection are employed in the present work, i.e., dynamic modulus instrument, real-time strain collector, and digital speckle correlative method (DSCM). Six mechanical parameters at different numbers of loading cycles are real-time captured by these three methods. For a maximum applied fatigue stress equal to 70% of the static flexural strength, a cohesive crack is detected on the specimen surface by the DSCM system from 10% of concrete fatigue life. The nucleation and propagation of the cohesive crack is reflected by the change of the strain concentration zone in 2-dimensional strain fields. The experimental results show that the admixtures of Class F Fly Ash (FA) and S95 Ground Granulated Blast-furnace Slag (GGBS) in high proportions increase the strain and cohesive-crack opening displacement as well as remarkably improve the fatigue performance of HPC.     

混凝土动态破坏过程超声波测试研究

混凝土在荷载作用下会产生损伤或破坏,用超声波的方法可测量损伤或破坏的程度。但在荷载作用下混凝土的破坏是一个动态过程,由于测试面发生变形,使常规超声波测试无法完成。本文研制了一个混凝土材料破坏过程超声波测试辅助装置,结合原有的非金属材料超声波检测仪,使测试混凝土材料动态破坏过程成为可能。同时通过辅助装置还可消除试件在破坏过程中由于变形带来的测试误差,可方便、快捷、准确地测试混凝土在荷载作用下的动态破坏过程。采用常规混凝土和冻融混凝土为试件,在材料万能试验机上进行了破坏实验,得到了不同荷载作用下超声波的波速。实验结果表明,混凝土的超声波波速随混凝土的破坏程度不断增大而减小,由此表示可采用超声波测试的方法确定混凝土的动态破坏过程。     

基于数字散斑相关法的紧凑拉伸试样断裂韧性实验研究

本文采用数字散斑相关方法对2A12T4铝合金紧凑拉伸试样的断裂韧性进行了实验研究。应用数字散斑相关方法计算了实验过程中试样的应变场、应力场以及位移场。针对实验所得的结果以及紧凑拉伸试样的裂纹特征,采用了矩形积分路径。选择沿裂纹方向和垂直裂纹方向的J积分路径,并且推导出各方向上J积分的数值计算公式。根据推导得到的公式选择不同的积分路径进行J积分的计算,得到了断裂韧性J0积分路径的合理选择范围,同时验证了J积分的路径守恒性。然后根据所得的路径选择标准,选择合理的积分路径,计算出2A12T4铝合金断裂韧性J0的值。将所得结果与国标计算的J0值对比,误差为1.22%,说明了此种方法的正确性。从而为数字散斑相关方法在紧凑拉伸试样断裂韧性的测试研究中提供参考。     

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。     

基于声发射矩张量分析混凝土破坏的裂纹运动

从细观上看, 混凝土是一种由骨料、水泥浆基体、裂纹等组成的非均匀复合材料. 单轴准静态加载条件下, 应力应变曲线表现出明显的准脆性特征. 其变形破坏过程实质上是内部微裂纹产生、扩展和汇合的过程, 研究细观尺度的裂纹扩展演化将有助于深入了解混凝土的变形和破坏过程. 声发射作为一种物理检测方法可以获取材料内部细观损伤演化的物理信息. 本文基于声发射技术, 结合改进的时差定位算法和矩张量理论对声发射信号进行分析, 反演了混凝土巴西劈裂破坏中裂纹位置、裂纹类型以及裂纹面运动方向, 揭示了混凝土宏观拉伸破坏的细观裂纹扩展机制. 结果表明: 裂纹运动过程清晰地显示了混凝土内裂纹源首先在试件与载荷接触面附近产生, 之后聚集形成局部损伤区域, 并沿轴线向中心扩展(加载平面)以及裂纹从试件中间向表面扩展的动态过程(厚度方向); 裂纹运动体积可以作为裂纹形成、扩展过程中弹性能释放的度量, 初始裂纹成核时体积参数较小, 峰值载荷时, 裂纹运动体积最大达到$5.93\times10^{-4}$ mm$^{3}$; 混凝土宏观尺度的拉伸破坏在细观尺度上存在有拉伸裂纹、混合裂纹以及剪切裂纹; 拉伸裂纹最多, 占裂纹总数约为60%, 剪切裂纹最少, 约占裂纹总数的10%; 拉伸裂纹运动主导了试件的宏观劈裂破坏.      

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.