科普 | 全场应变分布实时检测--数字图像相关方法

慈悲心

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为什么飞机、铁路、桥墩等的工程构件会随着服役时间的流逝而缓慢变形？
我们常说的“老化”到底是什么原因导致？快来和CEAM一起探秘吧~工程构件在服役过程中，会受到外载应力和温度场变化等影响。当上述影响超出构件可承受范围时，构件会发生缓慢变形，出现裂纹甚至发生断裂。而其引起的后果都将不堪设想。
1988年，阿罗哈航空公司的波音737飞机意外发生空难，同年阿罗哈航空243号班机在飞行途中发生爆裂。这一连串航空事故的发生，让人们意识到服役过程中构件应变测量的重要性，不能仅在构件发生失效后进行分析。

在材料科学及工程应用领域，实现不同材料的服役过程中的应变测量，对于研究其力学行为演变规律、提高尺寸稳定性、优化服役性能及使用寿命等都有着至关重要的影响。为进一步精确测量追踪检测，数字图像相关法应运而生。什么是数字图像相关法？数字图像相关法（Digital Image Correlation，简称DIC方法）的基本思路最初是在80年代，由美国南卡罗来纳州立大学的Peter和日本的Yamaguchi同时独立提出的。在1988年发生的一连串航空事故后也促使了NASA开始着手旧飞机研究计划。进入20世纪90年代，有关DIC方法的研究工作主要针对二维测量开展。1993年，Luo和Chao等人提出基于双摄像机系统的三维位移测量方法。1992-1996年，NASA兰利研究中心为南卡罗来纳大学提供资金支持，协助其继续研发能满足构件表面形变的全场测量方法。1998年，在NASA的资助下美国CSI（Correlated Solution, Inc.）公司成立。经过20多年的努力DIC方法逐渐从实验室走向工业测试，并成为世界上第一种能够在航空器发生飞行中结构故障之前即可进行检测的方法。DIC方法是一种在被测物体表面制作特征点（散斑图），通过捕捉散斑特征在像素级别的移动，采用优化的3D数字图像相关运算法则，为试验提供二维、三维空间内全视野的形貌、位移及应变数据测量的方法，通常分为散斑制作、系统标定、应变测量、图像分析四个步骤，如图1所示。

图1：DIC方法测量步骤包括：散斑制作、系统标定、应变测量、图像分析
目前，DIC方法被广泛应用于常规静态测量、高速冲击测量、疲劳全场测量、瞬态振动与模态测量、3D温度场和应变场耦合测量、基于断层图像数据的体应变测量（DVC）、介观尺度原位加载与测量、大尺度与小尺度测量、跨介质的精确测量等、实时全场云图数据测量等。NASA马歇尔中心曾对NASA战神5火箭一级发动机外壳进行为期10年的失稳试验实时监测，以确定壳体屈曲失稳因子。该试验在0到80万磅的垂直加压状态下进行，要求实时检测闭环加载控制过程中壳体表面的全场离面位移/应变数据，并实现图像的实时保存以便进行后期分析处理。通过使用DIC方法，能够很好地完成该实验目标，如图2所示。

图2：NASA战神5火箭
一级发动机外壳失稳试验实时监测
采用DIC测量断裂过程全场应变演化
为研究工程构件服役过程中的应变演化行为，CEAM应力测量技术研究所（简称“应力所”）使用三维DIC方法对纯钛板材进行模拟测量，以高分辨率和高精度对试样在不同拉伸状态下的应变分布进行实时在线检测，并取得显著成效。拉伸试验在INSTRON 8802电液伺服疲劳试验系统上进行，所用狗骨头状试样标距段的长、宽、厚分别为30mm、5mm、4mm，拉伸测试前分别使用哑光的白色底漆与黑色漆在试样表面制备散斑（图3）。拉伸测试速率为10-3/s，为准静态拉伸。

图3：拉伸-DIC试验机及拉伸测试前后的散斑试样拉伸过程中，使用VIC-3D全场应变测量系统检测试样表面的应变分布。
通过配备的高速CCD相机，测量系统能够以最高100Hz的频率捕捉散斑图像上特征点的位移变化，结果如图4所示。拉伸处理前试样处理无应变状态，随着拉伸测试的进行试样表面应变量不断增大，并开始出现应变集中区域。当拉伸应变超过试样的均匀延伸率时，应变集中区域中开始发生颈缩直至试样发生断裂

图4：拉伸过程中试样表面的二维应变分布

图5：低应变量条件下试验表面吕德斯带的形成与扩展
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