三维DIC在GFRP锚杆拉伸力学性能测试中的应用

随着玻璃纤维增强塑料(GFRP)广泛运用于轨道交通及边坡加固中,其力学性能的测试显得尤为重要。基于三维数字图像相关(DIC)方法,研究了三种不同加载速率下GFRP锚杆的拉伸力学性能,分别得到了应力-应变曲线及弹性模量、抗拉强度、最大力总延伸率等参数。实验结果表明,螺旋状变截面锚杆的轴向应变呈非均匀分布,由三维DIC得到的锚杆弹性模量结果一致性优于传统的接触式引伸计方法,GFRP锚杆几乎呈线性分布的应力-应变曲线表明该材料为典型的脆性材料。     

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。     

接触式与非接触式引伸计应变和泊松比测量精度比较

接触式电子引伸计方法和非接触式视频引伸计方法是当前材料力学性能测试中应变测量的两种主要方法,其测量原理迥异,亦各具优缺点。本文对商业接触式电子引伸计和最新研制的基于数字图像相关方法(DIC)的先进视频引伸计的性能进行了系统比较,设计标准铝板试样单向拉伸实验定量比较了两种引伸计横纵应变与泊松比的测量结果。结果显示,两者测量纵向应变结果比较接近,接触式引伸计的精度略高,但两者的不确定度在相同的量级。考虑到视频引伸计使用便捷、适用测量对象和测量范围广泛的特点,因此应用前景更为广阔。     

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．     

数字散斑相关法在聚偏氟乙烯压电薄膜力学性能测试中的应用

利用数字散斑相关方法对PVDF透明压电薄膜进行了单轴拉伸力学性能研究。首先比较了喷漆与不喷漆两种条件下不同厚度薄膜的单轴拉伸曲线,发现当薄膜厚度超过一定值时,样品表面喷漆与否对测试结果无显著影响。然后,利用数字散斑相关方法对PVDF挤出薄膜进行了单轴拉伸下的应力-应变关系研究,得到了PVDF薄膜的应力-应变曲线和反映PVDF薄膜全场应变信息的三维信息图,以及线性阶段的弹性模量和泊松比。实验结果表明:数字散斑相关方法用于PVDF压电薄膜的力学性能研究是一种行之有效的方法。     

锂离子电池隔膜的力学性能测量

隔膜是锂离子电池的重要组成部分,其力学性能的综合表现是保证电池电化学性能的关键因素。本文通过单向拉伸实验和数字图像相关(DIC)技术来研究表面涂敷聚偏二氟乙烯的聚乙烯隔膜的基本力学性能;结合工程应力-应变曲线,分别确定了隔膜横轴(TD)和纵轴(MD)方向在不同拉伸速率下的弹性模量和强度;利用DIC技术得到的应变-时间曲线,确定了隔膜TD和MD方向的泊松比。单向拉伸实验表明,隔膜TD和MD方向的弹性模量和极限强度值都与测试方向无关,且拉伸速率越快,弹性模量越大,但极限强度值基本不变。DIC测试结果表明,隔膜TD和MD方向的泊松比也相等。研究发现,与很多已有隔膜具有明显各向异性性质不同,测试隔膜不但具有较高的弹性模量和极限强度,而且具有明显的各向同性性质。     

利用位移引伸计测定薄板单轴损伤演化曲线的试验方法研究

一套准确而又简便的测试损伤变量的实验方法，对于推动连续介质损伤力学的工程应用是至关重要的。本文系统研究了利用位移引伸计测定薄板材料单轴损伤演化曲线的试验方法。采用引伸计测量大圆弧变截面试样中心部位某一标距段的伸长量，然后计算得到弹性模量的变化，进而确定损伤变量。文中就试样形状尺寸的确定、主损伤区弹塑性大应变的测控和卸载弹性模量的稳定性、与精确测量等关键测试技术问题进行了深入细致的分析和实验研究，并从多角度对该试验方法的正确性进行了实验验证。文中还介绍了该试验方法在确定LY12-CZ铝合金薄板单轴损伤演化曲线的应用，实验表明本文建议的试验方法是简便有效的，初步奠定了发展标准化损伤曲线测试方法的基础。     

低碳钢拉伸的真应力——应变曲线测量1)

针对低碳钢拉伸的真应力-应变曲线测量问题,开发了基于单相机三维数字图像相关的实验教学系统。该系统可测量低碳钢拉伸过程中的表面三维形貌和表面应变,并由此获得低碳钢拉伸的真应力-应变曲线。该实验有助于学生深入理解塑性金属材料的力学性能,培养其科研兴趣。     

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。     

不同应变率下聚乙烯材料的压缩力学性能

为了研究聚乙烯材料在不同应变率下的压缩力学性能,通过准静态实验和动态实验获得聚乙烯材料不同应变率下的应力应变曲线,分析发现:聚乙烯的弹性模量和屈服强度随应变率增大而增大,具有明显的黏弹塑性;聚乙烯材料进入塑性阶段,其应力应变曲线在不同应变率下具有相近的变化趋势,即塑性切向模量近似相同。根据聚乙烯材料的压缩力学性能,建立了弹性区、屈服点和塑性区的分段本构模型。该模型的屈服点和塑性段与实验结果吻合较好,由于弹性段采用线弹性模型,与实验结果存在一定偏差,可近似描述材料的弹性行为。     

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。     

Membrane Curvatures and Stress-strain Full Fields of Axisymmetric Bulge Tests from 3D-DIC Measurements. Theory and Validation on Virtual and Experimental results

The bulge test is mostly used to analyze equibiaxial tensile stress state at the pole of inflated isotropic membranes. Three-dimensional digital image correlation (3D-DIC) technique allows the determination of three-dimensional surface displacements and strain fields. In this paper, a method is proposed to determine also the membrane stress tensor fields for in-plane isotropic materials, independently of any constitutive equation. Stress-strain state is then known at any surface point which enriches greatly experimental data deduced from the axisymmetric bulge tests. Our method consists, first in calculating from the 3D-DIC experimental data the membrane curvature tensor at each surface point of the bulge specimen. Then, curvature tensor fields are used to investigate axisymmetry of the test. Finally in the axisymmetric case, membrane stress tensor fields are determined from meridional and circumferential curvatures combined with the measurement of the inflating pressure. Our method is first validated for virtual 3D-DIC data, obtained by numerical simulation of a bulge test using a hyperelastic material model. Afterward, the method is applied to an experimental bulge test performed using as material a silicone elastomer. The stress-strain fields which are obtained using the proposed method are compared with results of the finite element simulation of this overall bulge test using a neo-Hookean model fitted on uniaxial and equibiaxial tensile tests.     

准静态压缩应力-应变曲线测量方法的探索

本文介绍了用应变片直接测量材料的准静态应力-应变曲线的试验研究。在MTS810材料试验机上分别对93W、G50、砂浆等几种材料进行了准静态压缩试验。由于仪器的系统误差不能由MTSCod规准确的得到材料的真实的弹性变形。为此在试件的中部贴应变片得到材料的弹性变形,塑性变形仍旧由MTSCod规记录,从而得到试样的真实的应变,准确获得准静态压缩应力-应变曲线。试验结果表明:在试件中部贴应变片的方法能够准确得到该材料的杨氏模量;在试件两端垫块的刀口上安置Cod规可得到材料的应力应变曲线。两者的合理组合即可得到准确而完整的准静态压缩应力-应变曲线。试验中还发现准静态实验中试件的断面加工不平,偏心压缩等都会影响E的准确测量。     

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...     

A Transparent Indenter Measurement Method for Mechanical Property Evaluation

An optical Transparent Indenter Measurement (TIM) method was developed for measurement of material surface mechanical properties. During the spherical indentation test, in-situ measurements of indentation-induced surface out-of-plane displacements were obtained using an integrated phase-shifting Twyman-Green interferometer. Based on elastic recovery theory and 2D finite element analyses, a procedure was developed to determine the material Young's modulus using the measured surface out-of-plane displacements. During the spherical indentation test, contact radii were also measured and used to estimate the material post-yielding true stress-strain curve using Tabor's empirical relation. An experimental TIM apparatus was assembled to test on two engineering alloys and the results showed good agreement with known material properties.     

基于BP神经网络与小冲杆试验确定在役管道钢弹塑性性能方法研究

为了能够在不停输油气工况下获得在役管道材料的弹塑性力学性能, 提出了一种人工智能BP (back-propagation)神经网络、小冲杆试验与有限元模拟相结合,通过确定材料真应力-应变曲线从而获得材料弹塑性力学性能的方法. 首先,通过系统改变Hollomon公式中的参数$K$, $n$值,获得457组具有不同弹塑性力学性能的假想材料本构关系, 其次,将得到的本构关系代入经试验验证的含有Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)损伤参数的小冲杆试验二维轴对称有限元模型,通过有限元计算得到了与真应力-应变曲线一一对应的457条不同假想材料的载荷-位移曲线,最终将两组数据作为数据库输入BP神经网络进行训练,建立了同种材料小冲杆试验载荷-位移曲线与真应力-应变曲线之间的关联关系.通过此关联关系,可利用试验得到的小冲杆载荷-位移曲线获取在役管道钢的真应力-应变曲线,从而确定其弹塑性力学性能.通过对比BP神经网络得到的X80管道钢真应力-应变曲线与单轴拉伸试验的结果以及引用现有文献中不同材料的试验数据对此关系进行验证,证明了该方法的准确性与广泛适用性.      

多晶石墨烯拉伸力学性能及其影响因素的灵敏度分析

晶粒尺寸、温度和应变率等对纳米材料的力学性能有重要影响。本文通过分子动力学（MD）数值模拟,分析了不同晶粒尺寸多晶石墨烯在不同温度、拉伸应变率下的杨氏弹性模量、极限应力、极限应变等拉伸力学性能。结果表明,晶粒尺寸、温度和拉伸应变率对拉伸力学性能有较大影响。利用正交实验法,分别分析了杨氏弹性模量、极限应力和极限应变对晶粒尺寸、温度和拉伸应变率的敏感程度。结果表明,杨氏弹性模量和极限应力对影响因素的敏感程度由大到小依次为晶粒尺寸、温度和拉伸应变率;极限应变对影响因素的敏感程度由大到小依次为晶粒尺寸、拉伸应变率和温度。研究结果可为多晶石墨烯的理论研究和工程应用提供参考。