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。

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。

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。

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。

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。

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。

带状组织对微合金钢应变局部化及应变强化行为的影响

目的研究不同加载方向下带状结构对微合金钢塑性变形及应变强化行为的影响。方法将X80管线钢加热到1200℃后分别进行炉冷和空冷热处理,得到多边形铁素体/退化珠光体和粗/细铁素体晶粒带状组织以用于实验研究。将单轴微拉伸实验和数字图像相关方法相结合,通过零变形实验分析系统精度,获取RD、45°和TD取向带状组织试样的拉伸变形规律。同时,在DIC全场变形测量结果与实验数据统计分析结果的基础上,提出了可描述应变强化程度的参量K_(f),用于对比和分析不同加载方向下带状结构对应变强化行为的影响。结果零变形实验中位移平均值和标准差的最大值分别为0.004 pixels和0.006 pixels,系统精度较高。加载方向会影响带状组织的塑性变形演化情况,45°试样中产生了明显与带状取向一致的应变分布特征。在相同应力下45°试样首先达到了较大的应变强化程度,其抗变形能力最低。结论不均匀带状组织对局部变形的影响程度与2个组成带的力学性能差异有直接联系,参量K_(f)可在一定程度上描述应变局部化引起的各向异性特征。

复杂曲面零件面结构光扫描视点规划

为了实现复杂曲面零件高效自动化测量,本文提出了一种基于改进栅格法的面结构光扫描视点规划方法,并将其应用在汽车复杂曲面零件自动化测量中。首先,针对人工示教视点冗余严重,扫描完整性差的问题,提出了一种基于改进栅格法的面结构光扫描视点规划算法,根据面结构光扫描仪的有效测量范围,确定栅格尺寸,改进候选视点生成策略,并通过扫描仪的测量约束条件得到候选视点的有效测量范围,利用视点质量评价函数确定最优视点。其次,针对视点规划过程中算法耗时长,特征重建精度低的问题,采用体素网格法简化模型,通过八叉树算法分割复杂曲面模型,根据法向量一致性误差确定体素网格尺寸,并且对于几何特征不同的模型,分析权重系数对扫描质量的影响,给出最佳权重系数。最后,进行了汽车钣金件和减速器壳体扫描视点规划和测量实验。结果表明,汽车钣金件视点规划耗时21.93 s,扫描完整性为99.124%,扫描精度为0.025 mm;汽车减速器壳体视点规划耗时158.29 s,扫描完整性为93.231%,扫描精度为0.032 mm。本方法能快速完成复杂曲面视点规划,并且采用规划视点扫描的模型完整性好,精度高,能够满足复杂曲面零件自动测量的要求。

混凝土测试中光强对数字图像相关测量精度的影响研究

在复杂光照条件下采用数字图像相关技术(DIC)测量混凝土结构表面应变场时,光强变化会引起图像的退相关效应。针对此问题,基于传统2D-DIC测量系统,探究了光强变化对DIC测量精度与计算效率的影响规律。试验结果表明:平均灰度190为最优光强;以最优光强下的图片作为参考图像,光强增大时应变误差呈指数增长,光强减小时应变误差呈线性增长;计算时间与计算点匹配率对光强的小范围波动不敏感,但光强的剧烈变化会导致计算时间增加1~3倍以及25%的计算点匹配失败。结合图像质量评估指标,验证了实验结果的准确性。为了获得高质量的图像,本文建立了绿光带通滤波成像系统,该系统在外界环境光剧烈变化条件下依然能够保持图像的亮度与对比度基本不变,应变误差与计算效率均接近于最优光强。相对于传统2D-DIC测量系统,绿光带通滤波成像系统可较好地应用到室外环境测量。

数字光弹性法综述

将光弹性法与计算机图像处理技术相结合 ,来自动采集光弹性数据和分析应力的方法 ,称为数字光弹性法 ,与传统光弹性法相比 ,它可以进一步提高实验速度和精度。本文详细讨论了以下两个方面 :一是光弹性条纹的细化和倍增处理技术 ;二是自动确定光弹性参数的技术 ,包括相移法、傅立叶变换法、逐步载荷法、广谱分析法和RGB光弹性法等。通过对近二十年来国内外在这些方面的研究、应用和进展作了综述 ,认为采用白光的彩色域相移技术计算光弹性等倾角 ,结合采用白光源或三色光源的相移法来确定光弹性等色线级数 ,有望成为解决静态二维和三维冻结模型薄切片应力分析的最佳方法 ;另外 ,设计一种能实时和同步采集多幅条纹图的实验装置 ,通过相移法来自动获取动态光弹性数据 。

微拉曼光谱技术及其在微结构残余应力检测中的应用

多孔硅薄膜 硅基底结构是微机电系统 (micro electro mechanicalsystem ,MEMS)中的一个基本组元 ,其厚度为微米量级。由于薄膜与基底材料之间存在着晶格错配 ,在薄膜 基底间的界面上会出现残余应力 ,严重时会导致裂纹出现而发生断裂。微拉曼光谱法 (micro Ramanspectroscopy ,MRS)是近些年来在化学、物理、材料和力学等学科领域迅速发展的光学测量方法。文中对这一方法进行介绍 ,并且用来测量化学腐蚀多孔硅薄膜结构的残余应力 ,发现随着孔隙率的增加 ,多孔硅表面的拉伸应力逐渐增大。特别对某一样品出现裂纹区的拉曼测量表明 ,在裂纹区的残余应力急剧上升 ,达到了 0 .92GPa。使用金相显微镜观察不同孔隙率的多孔硅薄膜表面的微观形貌 ,这种不同程度的微观孔穴结构与残余应力的分布存在着紧密的联系。

离轴非球面反射镜补偿检验的计算机辅助装调技术研究

利用零补偿器实施离轴非球面元件面形的干涉检测中,为了实现反射镜的高准确度检测,对其干涉结果中的误差信息进行了分析.根据零补偿器的补偿原理,提出一种新的调整误差分离方法,建立了离轴非球面补偿检验的调整误差分离模型,并利用该模型对一块离轴非球面反射镜进行了仿真实验.调整前由调整误差引入的波像差为0.2332λRMS(λ=632.8nm),根据仿真结果调整后的波像差为0.0026λRMS,表明该方法具有较高的准确度,可有效提高检测效率.

数字图像相关方法最优散斑尺寸

综合分析了图像灰度噪声和亚像素插值误差这两种最主要的误差源对数字图像相关方法位移测量精度的影响,并在此基础上建立了计算数字图像相关方法的总测量误差数学模型.在综合考虑这两种误差的基础上具体分析了散斑尺寸对数字图像相关方法的位移测量精度的影响,运用理论分析和数值模拟得到了不同参数下的最优散斑尺寸.研究结果表明,对于一定的测量参数而言,存在一个散斑尺寸的最优区间,在这个区间内的散斑越多,数字图像相关方法的位移测量精度越高.

数字图像相关方法测量芳纶纤维复合材料I型裂纹应力强度因子

将数字图像相关方法用于芳纶纤维复合材料单边裂纹在拉伸载荷作用下的断裂问题研究。介绍数字图像相关方法的基本原理,建立数字图像相关方法中位移场与裂纹尖端应力强度因子之间的关系。通过搭建数字图像相关方法光学非接触测量系统,试验表征含单边裂纹芳纶纤维复合材料试验件在拉伸载荷作用下的全场位移。由数字图像相关方法所得位移场提取不同载荷作用下裂纹尖端应力强度因子,并分析最小二乘拟合项数、数字图像相关计算子区域和步长大小对计算结果的影响。结果表明,增加最小二乘拟合项次和合理选择数字图像相关计算子区域和步长大小可以提高应力强度因子计算精度。

含缺陷结构的冲击断裂试验研究

利用新型数字激光动态焦散线试验系统和落锤冲击加载平台,以缺陷端部曲率为单一变量,将孔状缺陷和裂纹缺陷纳入同一个试验研究体系。研究了冲击荷载下,含不同端部曲率中央缺陷的PMMA条形试件的三点弯曲动态断裂过程,断裂破坏经历三个阶段:前期为冲击应力波作用下,试件下边界裂纹的起裂与扩展;中期为裂纹在缺陷处的应力释放和停滞;后期为落锤自重作用下,缺陷端部的起裂与试件贯穿。在相同的试验条件下,不同端部曲率的缺陷对前期裂纹起裂与扩展基本没有影响;缺陷端部曲率越大,中期缺陷处停滞时间越短,并得出二者之间的近似函数关系;后期缺陷端部起裂时的应力强度因子随着缺陷端部曲率的增大呈现出先减小后增大的变化趋势。

用数字相关测量方法研究纸浆模塑材料拉伸时的力学性能

研究纸浆模塑材料的力学性能,包括纸浆模塑材料拉伸时弹性模量、泊松比等参数的检测,从而为纸浆模塑缓冲包装结构的有限元分析和设计打下基础。由于纸浆模塑材料单向拉伸时横向变形非常小且不宜采用接触式应变测量方法,变形测量比较困难,所以文中将数字相关测量技术应用于横向变形的测量,较好地解决了纸浆模塑材料的横向变形系数测量问题。