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。     

二维数字图像相关法在准静态拉伸实验中的应用

对二维数字图像相关法在准静态拉伸实验中的应用进行了研究。二维数字图像相关法采用Newton-Raphson方法和逆匹配结合的算法,首先对Newton-Raphson迭代式中的相关函数的一阶偏导和二阶偏导进行了简化,对于Newton-Raphson法的初值估计采用仿射变换方法和RG-DIC结合的方法;然后在计算域全场采用双三次插值,保证计算精度的同时降低了计算量。散斑仿真实验和准静态拉伸实验显示,二维数字图像相关法获得的分析值与应变片测量值相对误差约小于10%,表明二维DIC算法具有较高的准确性,能够用于实际工程测量。     

实验力学最新进展——————2008国际实验力学会议概况

介绍了2008国际实验力学会议的基本情况.大会报告内容涉及数字图像相关测量、激光干涉测量、光栅应变传感技术、非制冷型红外探测技术等当今实验力学的热点研究领域,以及其它科学领域的发展对实验力学带来的挑战和机遇,尤其是微纳米和多尺度力学问题的研究给实验力学提出的诸多具有挑战性的研究课题.分会场邀请报告和交流论文也充分展示了实验力学各个研究领域的最新研究成果和发展动向.      

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。     

数字图像相关中的亚像素位移定位算法进展

数字图像相关方法 (DIC) 已经作为一种常用的光学计量有效手段应用于实验力学及其它科学研究和工程应用领域中. 经过 20 多年的发展, 该方法日渐成熟和完善. 作为提高测量精度的亚像素位移定位算法被认为是该方法的关键技术之一. 本文对二维数字图像相关的基本原理及其中为提高测量精度而提出的各种亚像素位移定位算法做了概括性的介绍. 在总结已有研究成果的基础上, 分析了各种方法优缺点. 并对数字图像相关方法的最新进展作了简要介绍, 随着算法精度、效率以及硬件设备性能的提高, 该方法必将会获得更广泛的应用.      

橡胶材料弹性模量数字图像相关测定法

利用数字图像相关方法测量了小应变下柔性橡胶的弹性模量.用CCD相机记录单轴压缩实验中圆柱体橡胶试样表面人工散斑图像,作为数字图像相关测量技术中的变形信息载体.分析了镜头畸变对位移测量的影响,运用数字图像相关法得出小应变范围内像胶的应力应变曲线,计算出橡胶的弹性模量.并与采用千分表所得到的结果进行了比较,两者符合较好.实...     

数字图像相关方法的准确度与速度增强

数字图像相关方法已经成为近几年来最为广泛使用的实验力学方法之一.本文从算法的角度提出了增强该方法准确度与速度的几个技术.由于插值算法在数字图像相关方法测量中扮演着重要的角色,文中采用了几种基于B样条表示的递归插值算法来提高数字图像相关方法的分析准确度与计算速度.在实践中,三维的测量在许多数字图像相关方法的应用中成为主导...     

有限厚度模型校准二维MoS2的Bimodal-AFM杨氏模量测量

二维材料因其独特的晶体结构、新奇的物理特性和优异的力学性能, 在微纳机电系统、柔性电子器件等诸多领域有着广阔的应用前景. 弹性模量是二维材料的基本力学特性参量之一, 对其器件应用及应变调控有重要影响. 受限于二维结构和原子级厚度特征, 难以实现二维材料弹性模量的精确测量. 双模原子力显微镜的振幅调制-频率调制模式是一种高效测量二维材料杨氏模量的方法, 但刚性衬底对测量结果的影响不可忽视. 本工作通过双模原子力显微镜直接测得衬底与二维硫化钼的杨氏模量分布图, 并基于有限厚度模型对衬底效应进行修正, 得到了样品的本征杨氏模量值. 利用第一性原理计算得到了二维二硫化钼的弹性系数和杨氏模量, 对比发现实验和计算结果相当. 这说明双模原子力显微镜测量是一种可靠的二维材料杨氏模量直接测试方法, 且该方法无需制备悬空二维材料等繁琐步骤, 避免了常规测试中的不足. 本工作为大面积二维材料薄膜力学性能的程序化测试分析以及高通量力学实验数据的统计分析提供了可靠的实验基础.      

虚位移场方法在石墨材料力学参数测量中的应用

光测实验技术在现代力学研究中得到了广泛的应用。对于材料力学参数如杨氏模量和泊松比的测量,可利用典型加载试验如拉伸试验、弯曲试验并结合光测方法(如云纹和数字图像相关技术)得到位移值,利用载荷信息和应变场信息通过计算获得相关的力学参数。本文利用虚位移场方法测量石墨材料的力学参数。结合石墨材料的三点弯曲实验,由数字图像相关法测量得到试件表面的非均匀变形场。通过选择两组不同的虚位移场,可以反算出材料的力学参数:杨氏模量和泊松比。结果表明这种方法可以有效测量石墨材料的弹性参数。该方法可望在材料力学行为检测中得到推广应用。     

基于超高速相机的数字图像相关性全场应变分析在SHTB实验中的应用

基于超高速相机和数字图像相关性全场应变分析方法对传统的分离式Hopkinson拉杆(SHTB)实验系统进行改进,获得尼龙和铝合金材料的动态拉伸应力应变曲线,验证了数字图像相关性全场应变分析在SHTB实验中的有效性。实验结果显示:该方法测量的平均应变与应变片测量结果一致性很好, 而传统的SHTB实验原理计算的应变结果则明显偏大,需要对试件原始标距进行修正后才能获得有效的试件应变,并且在试件的材料和几何尺寸不变的条件下标距修正不依赖于应变率。基于数字图像相关性全场应变测量,讨论了应变均匀性问题:脆性的尼龙试件在标距范围内应变均匀性良好,而韧性的铝合金试件表现出比较严重的应变不均匀性,归因于颈缩变形的影响。     

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。     

数字图像相关方法在闭孔泡沫铝压缩试验中的应用

为了了解相对密度与胞孔结构对闭孔泡沫铝力学性能的影响,本文采用放大成像及数字图像相关技术对两种不同密度的泡沫纯铝试样进行了实验研究.利用数字图像相关方法对泡沫纯铝变形前后的图像进行相关计算,获得了弹性范围内静态压缩情况下闭孔泡沫铝材料表面的全场变形及局部孔结构的变形,同时根据试验结果计算了试件的名义弹性模量.实验结果表明泡沫铝整体孔结构的变形与泡沫金属材料相对密度有关,而单个孔结构的变形主要与孔壁面光滑程度和皱褶有关.实验结果还表明图像相关方法能够有效地应用于闭孔泡沫金属的力学性测量和评估的研究.     

混凝土内部应变光纤测量结果及分析

本文采用迈克尔逊（Michelson)光纤白光应变测量干涉系统,利用新型光纤传感探头,对混凝土内部的一维和二维应变状态进行了测量,给出了混凝土试件单轴和两轴的力学实验结果并与Instron8505液压伺服材料实验机得到的结果进行了比较和分析。     

不同加载状态下TA2钛合金绝热剪切破坏响应特性

一般认为绝热剪切现象在宏观上表现为材料动态本构失稳,即热软化大于应变硬化.本文采用帽型受迫剪切试样研究TA2钛合金的动态力学特性和本构失稳过程.首先对剪切区加载应力状态进行理论和数值分析,通过合理设计帽型试样,剪切区变形可近似按剪切状态处理;结合二维数字图像相关法(two-dimensional digital image correlation,DIC-2D)直接测试试样剪切区应变演化,给出帽型受迫剪切实验的等效应力-应变响应曲线.进一步,利用Hopkinson压杆对TA2钛合金开展动态压缩及帽型剪切对比试验研究,比较压缩、剪切试验得到的等效应力-应变曲线,采用"冻结"试样方法分析试样中绝热剪切局域化演化过程,探讨不同加载状态下TA2钛合金的绝热剪切破坏现象及其动态力学响应特性.实验结果表明,在塑性变形初始阶段,动态压缩及剪切加载下的等效应力-应变曲线符合较好,但随塑性损伤发展及绝热剪切带形成,两者出现分离,表明损伤及绝热剪切演化过程与应力状态相关.剪切试样实验得到的本构"软化"特性能够反映绝热剪切带起始、破坏演化过程的力学响应特性,而在动态压缩实验中,即使试样中已出现双锥形的绝热剪切带及局部裂纹分布,其表观等效应力-应变曲线并不出现软化特征,动态压缩实验无法得到关于绝热剪切起始、发展以及破坏的本构软化响应特性.     

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.     

有限宽板孔边弹塑性变形测试

测量应变集中区域的弹塑性变形，对于研究材料损伤或微裂纹的产生，以预防宏观裂纹的产生及扩展具有重要的意义。为给航空发动机轮盘的损伤容限设计研究提供相关材料的力学实验参数，做了两个有限宽中心带孔试件的拉伸试验。试验中，采用单调逐级加、卸栽的循环加栽方式，并应用自动网格法和数字图像相关技术测量了孔用的全场位移分布。再应用最小二乘法将离散的位移分量拟合成二元多项式函数，求解出拉伸方向的应变分布，并给出孔边应力σ与孔边应变εy的关系曲线。     

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.     

基于DIC的渐开线直齿轮接触变形实验研究

基于数字图像相关(DIC)技术,对渐开线直齿轮在不同啮合状态下的接触变形特性进行了实验研究.通过测量齿轮在一个啮合周期内的全场变形演化过程,分析轮齿接触区域以及齿根区域这两个关键位置的变形规律,并研究了中心距偏差对轮齿变形的影响.实验结果表明,轮齿接触区域和齿根区域有明显的应变集中现象,并且轮齿应变分布随着齿轮运动变化...     

全场热源分析方法及其在实验固体力学研究中的应用

金属材料在塑性变形及疲劳过程中均伴随着能量的耗散,耗散能的大小与分布可充分反映材料内部的应力应变状态与损伤程度。全场热源分析方法借助于红外热成像技术,通过建立合适的热传导模型将由实验获取的温度场转化为热源信息,进而实现对耗散能的估值。本文介绍了基于实验力学的全场热源分析方法,建立从二维到"零维"的热传导模型,解决由温度场到热源的计算反求问题;然后利用该方法针对三种典型的固体力学问题展开研究,包括应力集中效应、塑性失稳现象以及疲劳问题。研究结果表明,全场热源分析方法可有效表征非均匀变形过程及疲劳损伤。     

皮下组织对羟基磷灰石力学性质的影响

将羟基磷灰石试样植入大白鼠的皮下组织20\,d后取出,然后采用数字图像 相关方法研究纤维组织对人造羟基磷灰石的力学性质的影响. 测量了两种试样：植入大白鼠 皮下组织的羟基磷灰石试样和未经植入的羟基磷灰石试样. 得到了羟基磷灰石完整的应力- 应变曲线;还测量了压缩极限应力. 实验结果表明羟基磷灰石的应力-应变曲线在断裂前呈良 好的线性关系;皮下纤维组织能使羟基磷灰石材料的弹性模量和强度增加, 20\,d后使羟基磷 灰石的弹性模量增加了29.06{\%}, 压缩极限应力增加了28.71%.