线黏弹性材料数字图像相关实验教学探索

线黏弹性理论是固体力学原理课程的重要内容,目前实验教学一般采用电子万能试验机对线黏弹性材料进行单轴拉伸实验,实验结果不够直观。数字图像相关方法是一种高精度全场应变测量方法,近年来在实验力学领域应用广泛。本文以固体推进剂这种线黏弹性材料为例,采用数字图像相关方法设计了线黏弹性材料单轴拉伸实验,实现了全场变形测量并且实验结果可视化更直观,有助于调动学生积极性。实验发现,数字图像相关方法与国标规定的固体推进剂单向拉伸法测量的材料应变有明显差异,针对该问题设计了实验教学研讨环节,引导学生深入分析,有助于加深对线黏弹性理论的理解。

基于像素偏振相机的新型光弹技术应用

像素偏振相机与传统光弹方法相结合是近20年来发展起来的一种新型应力测试技术,其克服了传统光弹方法抗环境光干扰能力弱、定量测试操作复杂、很难实现实时测量等缺点。基于此,介绍了该方法的工作原理,并通过2个实例展示了该方法在适应复杂环境及高精度测试方面的巨大技术优势。给出了该新型光弹技术的若干前瞻性应用建议,包括玻璃幕墙安装应力的高效率检测及钢化玻璃内部缺陷的在线检测等。

微尺度散斑打印方法及应用

微尺度变形测量方法是探究包装材料破坏失效机理的重要研究手段。本研究提出了一种微尺度散斑打印方法,并结合数字图像相关(digital image correlation,DIC)技术实现了牛皮纸微尺度变形测量。首先,在牛皮纸上打印不同分辨率、不同灰度级的纯色图像作为微尺度散斑,并采用平均灰度梯度评价散斑质量,结果表明通过打印纯黑(灰度级为0)图像即可在可打印包装纸上制备较高质量微尺度散斑。接下来,结合光学显微镜及微拉伸台,进行了平移实验和单轴拉伸实验,结果表明基于打印的微尺度散斑结合DIC可以实现微米量级的位移测量,制备的散斑对牛皮纸原有力学性能无明显影响。最后,将微尺度散斑打印方法与DIC相结合应用于分析折痕对牛皮纸拉伸性能的影响,折痕微区的局部应变集中导致了折痕试样抗拉强度的明显下降。本研究为可打印包装材料的微尺度变形测量提供了一种有效手段。

基于单高速相机3D-DIC的涡轮叶片全场振动测量

采用成本较低、结构紧凑且使用便捷的单高速相机三维数字图像相关方法(single-camera high-speed three-dimensional digital image correlation,简称SCHS 3D-DIC)对涡轮叶片的振动特性进行试验研究。首先,介绍了测量装置和原理,以悬臂铝板为对象开展验证试验,结果证明了该测量系统的准确性与有效性;其次,开展了叶片的全场振动特性测量,得到了其三维形貌、模态特性、全场位移与应变分布,获得了叶片在振动载荷作用下的高应变区域位置及应变分布特点。研究表明,SCHS 3D-DIC方法相比常规双高速相机3D-DIC方法具有更高的视场利用率,适合于细长型的涡轮叶片的振动测量试验。

融入几何先验的圆柱表面三维应变场双目视觉测量方法

针对现有基于双目视觉的圆柱表面三维应变场测量方法从位移场计算应变场效率低下的问题,将圆柱结构几何先验信息融入子域投影法理论,利用圆柱标准坐标变换替代大量冗余的局部切平面最小二乘拟合求解,提出了一种融合圆柱拟合和子域投影的表面三维应变场计算方法;然后采用数值模拟方式,在不同应变区域和位移场噪声条件下,将所提方法与一般曲面子域投影法进行对比分析;最后开展圆柱拉伸实验,分别从单点和全场两个角度将所提方法的应变计算结果与应变片测量结果进行了对比。研究结果表明:在保证计算精度和位移场噪声鲁棒性的同时,所提方法将计算效率提高了约20%,且与应变片实验测量结果吻合较好,验证了该方法能够实现圆柱结构表面三维应变场的高效测量,也为规则结构表面三维应变场的计算提供了新思路。

高弹性橡胶止水模型实验及全周鼓起变形测量

针对涵洞、隧道等水工建筑物在长期运营过程中出现的渗漏问题,利用高弹性橡胶进行封堵止水是一种行之有效的措施.为了评价不同橡胶的封堵效果,提出一种高弹性橡胶止水实验模型,将橡胶安装在模型伸缩缝中,通过施加静水压力测试橡胶的封堵性能.同时,提出一种利用电动旋转台的全周三维数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)方法,利用单套三维DIC系统,即可测量得到内侧橡胶在不同静水压力、各个视角下的鼓起变形.按照1∶1比例浇筑了实物模型,开展了静水压力实验,并测得了所选橡胶能承受的最大水压力和全周鼓起变形,验证了止水模型实验的可行性和全周变形测量方法的有效性.

离子推力器栅极组件热变形测量方法

栅极组件是离子推力器的核心部件,其所包含的多层栅极结构在工作过程中会发生热变形,导致栅极间距发生改变,进而影响离子推力器的工作性能及寿命。为了实现栅极结构在实际工况下热变形的非接触测量与评估,改进和发展了基于摄像测量的栅极变形观测方法,评价了不同图像分析方法(灰度重心法、圆拟合法、灰度匹配法)对变形测量精度的影响。结果表明灰度匹配方法观测精度高,环境适应性好;同时,设计并实现了一套栅极热变形环境模拟与变形测量系统,可实现高温、通水、通气环境下变形的高精度观测。最后,对环境箱通水通气对测量精度的影响进行了评价,结果表明二者均会对测量精度造成影响,通水对实验结果的影响大于通气的影响。

非接触应变测量技术在高温应变测试中的应用研究

数字图像相关(DIC)方法作为一种典型的非接触应变测量技术,是一种强大而灵活的表面变形测量工具。该方法的优点是试验设置和试样制备简单,对测量环境的要求较低,测量灵敏度和分辨率范围大。本文主要介绍了DIC方法的基本理论、关键技术以及该方法在工程中的应用进展。

模型自适应的扫描视点自动规划

当进行扫描重建时,示教扫描繁琐且通用性差,目前视点规划的重点依然是自动获取覆盖模型的最少视点集。为了实现对不同复杂程度零部件的自动化三维扫描重建,本文对视点规划过程中可能发生的视点冗余、视点遮挡、双目重建约束等问题进行研究。首先,针对现有视点规划难以对模型进行完整扫描的问题,通过分析面结构光扫描特性,对Lloyd’s算法进行改进,提出使用欧式距离和法向量偏差的能量函数对模型进行Voronoi划分,生成初始扫描视点。接着,针对视点冗余问题,提出了对初始扫描视点进行分裂的迭代算法。最后,针对生成的视点容易产生遮挡的问题,提出了一种视线去遮挡策略,并以提高模型覆盖率为目的,提出了使用追扫视点的方法。实验结果表明:在最佳视点数量下,对于汽车铸件和壳体的覆盖率达到了94%以上,对于简单曲面汽车钣金的覆盖率达到了99.5%以上,并实现了汽车转向节的自动规划扫描,满足视点自动规划的覆盖率和效率以及对不同复杂程度零件的适应性要求。

Ex⁃situ Measurement of Internal Deformation in Ball Grid Array Package with Digital Volume Correlation

In spacecraft electronic devices,the deformation of solder balls within ball grid array(BGA)packages poses a significant risk of system failure.Therefore,accurately measuring the mechanical behavior of solder balls is crucial for ensuring the safety and reliability of spacecraft.Although finite element simulations have been extensively used to study solder ball deformation,there is a significant lack of experimental validation,particularly under thermal cycling conditions.This is due to the challenges in accurately measuring the internal deformations of solder balls and eliminating the rigid body displacement introduced during ex-situ thermal cycling tests.In this work,an ex-situ three-dimensional deformation measurement method using X-ray computed tomography(CT)and digital volume correlation(DVC)is proposed to overcome these obstacles.By incorporating the layer-wise reliability-guided displacement tracking(LW-RGDT)DVC with a singular value decomposition(SVD)method,this method enables accurate assessment of solder ball mechanical behavior in BGA packages without the influence of rigid body displacement.Experimental results reveal that BGA structures exhibit progressive convex deformation with increased thermal cycling,particularly in peripheral solder balls.This method provides a reliable and effective tool for assessing internal deformations in electronic packages under ex-situ conditions,which is crucial for their design optimization and lifespan predictions.

1064 nm激光入射角度对HfO_(2)薄膜材料损伤特性的影响研究

脉冲激光参数及其与物质作用方式,对薄膜材料的损伤过程与损伤识别至关重要。以单层HfO_(2)薄膜为对象,研究了改变波长为1064 nm、脉宽为10 ns的脉冲激光入射角度对薄膜材料损伤特性的影响。利用COMSOL对激光以不同入射角度作用于薄膜时的温度场变化,以及薄膜表面光斑形状的变化进行了仿真。以1-on-1测量方式,选择入射角度分别为0°、30°、45°、60°对样品进行测试,获得了各入射角度下的薄膜损伤形貌,用光学显微镜和白光干涉仪对其进行表征,对实验观察结果与仿真结果进行了分析对比后可知:相同激光功率条件下,随着激光入射角度变大,在薄膜表面的光斑图像逐渐变成椭圆光斑,光斑中心最高温度降低,损伤斑的横向和纵向尺寸均变大,横向尺寸变化尤其迅速,薄膜损伤面积变大,损伤最大深度变浅,激光损伤阈值增大,抗激光损伤能力变强。

混凝土粗糙表观对DIC测量误差的影响研究

混凝土构件在长期服役过程中受到风浪、温度应力、腐蚀等外部环境侵蚀,导致混凝土表观粗糙不平。采用数字图像相关技术(DIC)计算力学响应下的混凝土表面应变场时,粗糙表观超过相机景深会引起离焦现象致使散斑退相关,使得DIC测量误差增大。针对此问题,基于3D-DIC系统计算物体表面三维形貌并以Z轴高度极差与平均灰度共同表征混凝土表面粗糙度,结合DIC成像规律与混凝土表面粗糙度的大小预留足够的景深并通过混凝土三点弯实验验证。结果表明:对于粗糙度R_(S)(4.37mm,139)的混凝土,预留景深0.81mm,DIC数据平均偏差高达42%;预留景深4.48mm,DIC数据平均偏差仅12%。

多孔水凝胶支架内部变形测量方法研究

多孔水凝胶支架作为组织工程中临时的细胞外基质,不仅为种子细胞提供生存的空间支撑,还将外界力学刺激通过自身结构重新分配,构建出可以调控细胞生理活动的力学微环境.然而,如何定量表征和调控组织工程水凝胶支架内的力学微环境是实现组织原位再生的关键.针对多孔水凝胶支架内部变形测量的“半连续”问题,提出了一种半连续光学相干弹性成像(semi-continuous optical coherence elastography,SC-OCE)变形测量方法,该方法包括材料组分识别算法、改进的半连续数字体相关(semi-continuous digital volume correlation,SCDVC)方法和半连续结构应变计算,解决了多孔支架半连续结构测量中的跨界面子块的不连续变形产生的形函数欠匹配误差和应变拟合窗口跨界面不连续问题.基于反向映射法的模拟实验结果表明,SC-OCE方法的位移测量的均值绝对误差均小于0.0025体素,应变测量的均值绝对误差均小于0.0008,证明该方法具有较高的理论精度.在SC-OCE变形测量方法的基础上,定量表征了多孔的丝素蛋白/II型胶原蛋白组织工程支架的变形场,实验发现不连续结构展现出了非线性及非均匀的应变场.多孔水凝胶支架构建的力学微环境对于组织原位再生具有不可替代的作用,SC-OCE方法可以为力学微环境调控提供定量依据,进一步指导组织工程的原位再生.

基于脉冲激光的发射药参数快速检测方法

为了验证基于脉冲激光作用的发射药能量性能参数快速测量方法的有效性,采用实验方法研究了脉冲激光作用下单、双、三基发射药和单晶冰糖的冲击波及等离子体特性,得到了激光参数对脉冲激光作用过程的影响规律以及单基发射药与单晶冰糖的冲击波、等离子体图像差异。结果表明,单基发射药的冲击波及等离子体膨胀特性主要受其化学反应释能的影响,而冰糖主要受激光辐照度的影响;采用支持向量机回归算法,建立了单、双、三基发射药激光作用下的冲击波特征速度与其火药力、爆热、爆温的线性定标模型,得到的决定系数R^(2)值分别为0.9912、0.9998、0.9999。该方法对发射药火药力、爆热及爆温有较好的预测能力,为脉冲激光与含能材料作用的研究提供了参考。

激光修复中的若干关键问题及常用检测技术

作为金属增材制造的重要分支,激光修复技术是装备再制造等战略性新兴产业的核心技术之一,已在航空航天、国防装备等关键领域获得推广应用。研究结果表明应力、应变场的演化与成型后修复体的缺陷分布、几何形貌等紧密相关,是决定修复质量的关键因素之一。相关参量的在线测量与表征是工业界和学术界广泛关注的重要问题,然而激光修复过程复杂、测量环境恶劣,传统检测方法和技术难以直接应用,迫切需要发展适用于激光修复工程的检测新技术。目前,与激光修复过程相匹配的原位监测手段仍然较为匮乏,对此本文调研分析了激光修复中的关键问题、常用检测技术的优点和所面临的挑战,并进行了展望,可为激光修复工艺研究提供有益借鉴。

基于DIC-FEM的岩石Ⅰ型裂纹损伤扩展研究

针对岩石Ⅰ型裂纹的损伤演化,提出一种求解裂纹尖端区域损伤变量场的方法。采用含Ⅰ型预制裂纹的巴西半圆盘试件进行三点弯曲加载,通过数字图像相关方法和有限元方法分别得到裂纹尖端区域的应变场,建立含损伤变量的目标函数并采用最小二乘法求解损伤变量。研究结果表明:数字图像相关方法和有限元方法协同分析可得到裂纹尖端的损伤场;裂纹尖端损伤场的局部化带几何特征和演化过程同应变局部化带具有一致性,同裂纹扩展过程相关;损伤场的局部化带长度可表征断裂过程区长度,用于岩石裂纹失稳扩展前兆分析。

增量数字图像相关方法的误差分析及应用考量

增量数字图像相关方法(digital image correlation, DIC)常应用于变形后图像中被测物体出现大变形、环境光变化剧烈以及采用激光散斑追踪变形等容易发生图像退相关的场景。增量DIC充分利用局部图像序列的相关性,通过更新参考图像计算增量变形,再进行累加以获得整体变形,可解决采用固定参考图像的传统DIC方法在出现图像退相关时计算失效的问题。但是,由于DIC计算变形时存在系统误差,在增量计算以累加增量位移的过程中会导致误差累积。为实现更准确高效的增量DIC分析,需明确这一误差的累积规律并提出抑制误差的方法。本文通过模拟和真实实验研究了采用不同增量策略的增量DIC方法在不同场景下的误差累积规律。结果显示:为减少参考图像更新带来的累积误差,应采用条件增量计算策略以尽量减少参考图像的更新次数;同时,自适应参考图像子区平移策略和图像高斯低通预滤波方法可以显著降低插值带来的系统误差,应与增量DIC方法配合使用。

X80管线钢中微观组织非均匀性对残余应力影响的实验研究

目的从微纳尺度研究X80管线钢微观组织的不均匀性对残余应力分布及释放过程的影响。方法为了突出微观组织的非均匀特征,将X80管线钢升温到固溶温度(1200℃)后随炉冷却,得到由大量多边形铁素体(PF)和退化珠光体(DP)构成的显微组织。以腐蚀后的自然形貌为散斑模型,采用聚焦离子束技术在不同微观组织内部进行环芯槽的铣削加工,并获取芯柱表面的变形图像,最后通过数字图像相关方法计算芯柱表面的应变演化。同时,利用纳米压痕技术测试不同区域的弹性模量,结合弹性理论计算分析不同组织内部的微观残余应力。结果微观结构的不均匀性直接影响了残余应力的分布及释放路径。DP组织中的vonMises平均应变约是PF区域的2倍,残余应力主要存在于作为软质相的铁素体基底中。纳米压痕实验结果表明,DP中弹性模量的浮动比PF的更加剧烈。不同铣削深度下的残余应力呈现出非线性特征。当铣削深度达到1.1μm时,PF和DP区域松弛释放的残余应力分别为232.6 MPa和385.2 MPa。结论在微观尺度上,不同组织内的残余应力状态存在差异。微观组织在碳化物、结构形貌等方面的非均匀性将引起表面残余应力的梯度分布。

透明试样受集中载荷的应力应变同步测量方法

本文提出了一种结合数字梯度敏感(digital gradient sensing, DGS)方法和数字图像相关(digital image correlation, DIC)方法,可实现平面应力状态下透明试样受集中载荷的应力应变同步测量方法。分别在透明试样和散斑板表面制备蓝色和红色的荧光散斑,然后利用3CCD相机分离试样和散斑板上特定光谱的荧光散斑,从而实现前后两个散斑图像的独立成像。分别计算可得到透明试样的应变和应力梯度场。通过展开半平面集中力加载实验,进行实验结果与解析值的对比,验证了此方法的可行性。

基于结构光点云的变形测量方法研究

针对结构变形测量需求,提出一种基于结构光点云的变形测量方法。搭建了结构光相机测量系统,基于投影仪逆向相机的假设并借助棋盘格标定板完成了系统标定。采用格雷码辅助的四步相移技术设计投影仪投射的图案,并利用标定的系统参数,完成待测物表面的三维重建,获得结构表面点云。提出基于点云间距离计算结果的结构变形分析方法,并分析比较了基于点到点、点到面和面到面3种点云距离计算方法原理。通过实验验证了所提基于结构光点云的变形测量方法的可行性和精度,实验结果表明,该方法可以实现结构离面位移的高精度测量。