基于3D-DIC 技术的老化UHMWPE 无纬布准静态拉伸性能研究

目的通过研究老化后的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)无纬布力学特性,了解防弹衣在自然环境下的抗老化性能,为防弹装备使用和存储提供科学指导。方法采用三维数字图像相关技术(3D-DIC)和万能材料试验机开展了其准静态拉伸力学性能测试。结果十年自然老化后的UHMWPE无纬布应力应变曲线仍呈近似线性特征,但平均拉伸模量仅为18.0 GPa。结合试验过程中的全场应变变化过程,分析了UHMWPE无纬布试件的变形特性,发现拉伸过程中应变在分析区域内的分布较均匀。结论十年自然老化后的UHMWPE无纬布软质防弹衣平均拉伸模量明显降低,防弹性能无法满足使用要求。

基于3D-DIC系统的白砂岩单轴压缩应变率效应的力学性能试验研究

通过选取典型岩样,研究了白砂岩在10^(-5)~10^(-3)s^(-1)应变率范围内的单轴压缩性能,采用3D-DIC系统观测和采集岩样表面位移云图,并分析不同应变率下岩样变形破坏特征差异。结果表明,岩样表面位移场变化反映了破坏面演化规律,剪切破坏面与位移场集中存在对应关系。全局轴向应变差异主要发生在微裂隙压密到弹性变形期间;加载初期,全局径向应变存在差异,在峰值强度时下端部区域径向位移最大,岩样上端部变形受到端部效应影响,径向向外膨胀受端面与垫片间摩擦限制;此外,下端部局部轴向应变大于上端部区域。随着加载速率增大,岩样从延性特征向脆性特征转变。加载速率较低时,岩样破坏过程中孔隙坍塌使得部分裂隙再次闭合、滑移而产生摩擦效应,从而使峰值强度附近的应力-应变曲线出现波动。白砂岩峰值强度、弹性模量、泊松比等力学参数随加载速率增大而增加。

小视场下基于可移动3D-DIC的全场应变测量方法

由于试件工作环境空间有限,全场应变分析面临着相机光轴和试件表面不垂直和不同区域图像拼接获得的全景图像中存在拼接缝的问题。基于此,提出了基于可移动三维数字图像相关法(3D-digital image correlation,3D-DIC)全场应变测量方法,用于高分辨率形变和应变测量。该方法将双目相机安装在稳定的滑动台结构上,通过控制相机采集叶片不同位置图像,重建试件表面完整图像。提出基于散斑点匹配融合算法,将不同区域图像拼接为叶片全景图像。静态误差分析试验和均匀应变场分析试验被设计验证该方法的有效性。试验结果表明,该方法的横向和轴向应变误差分别为0.98%和1.03%,表明应变分析中具有较高的精度。该方法有效地实现了小视场环境下样本的全场应变测量。

基于光斑投影3D-DIC的动态液面波高场测量方法研究

动态液面波高场测量与面型三维重建是流体力学、晃荡动力学等研究领域中的重要问题,但目前仍缺乏一种简易且高效的高精度全场测量手段.基于光斑投影和三维数字图像相关(3D digital image correlation,3DDIC)原理,提出了一种动态液面波高场的测量方法.通过液体染色和光斑投影,在液体表面形成光斑纹理,设置双目相机拍摄动态液面的散斑图像.运用交比不变性标定板及张正友标定法获得双目相机内外参矩阵,并基于反向组合高斯牛顿(inverse-compositional Guass-Newton,IC-GN)的3D-DIC算法实现动态液面波高场的高精度三维重构.进一步建立光斑投影的几何光学模型,模拟规则波液面的双目图像,开展数值模拟测量以验证本方法的理论精度,同时开展真实液面波高场的测量验证.结果表明,本方法可实现动态液面波高场的高精度全场测量,模拟液面测量的均方差为0.004 mm,真实静态液面抬升测量的均方差为0.022 mm,真实动态液面测量的均方差小于0.037 mm.本文方法具有高精度、非接触和全场测量等优势,可在实验室流体测量和相关工程场景中推广应用.

3D-DIC技术在SHPB实验教学中的应用与实践

为了优化传统分离式霍普金森压杆(SHPB)实验教学内容,帮助学生理解实验原理和变形概念,将三维数字图像(3D-DIC)相关技术引入到SHPB实验教学中。分析了SHPB实验原理和3D-DIC基本原理,介绍并演示了基于3D-DIC技术的SHPB实验流程,并以混凝土动态压缩实验为例,指导学生进行散斑场布置、动态实验和数据处理分析等。结合3D-DIC技术的动态压缩实验,获得了试样在动态荷载作用下的破坏过程,揭示了试样中裂纹的扩展及应变场的变化规律,弥补了应变片单点测量的不足,激发了学生的学习兴趣和主观能动性,加深了学生对动态力学中变形和破坏机理的理解,取得了较好的教学效果。

基于3D-DIC的多裂隙灰岩裂纹扩展及连接规律研究

为深入了解中间裂隙倾角对含裂隙灰岩裂纹扩展和连接的影响,对含预制裂隙的灰岩试样进行单轴压缩试验。通过3D-DIC技术得到了试样破坏过程应变场演化图,并结合裂纹扩展过程图分析灰岩试样破坏的全过程。研究发现:主应变场的演化过程就是高应变区的扩展过程,该过程与裂纹起裂、扩展和贯通过程具有很好的一致性。随着中间裂隙倾角的增大,中间裂隙上的应力集中区域会由裂隙中部向裂隙两端转移,而平行裂隙上的应力集中区域会由裂隙端部向裂隙中部转移,同时,平行裂隙与中间裂隙之间的连接裂纹种类并不会随着中间裂隙倾角的改变而发生改变,皆为拉伸连接裂纹。中间裂隙倾角的改变对灰岩试样最终破坏模式影响较小,试样破坏大多为劈裂或拉伸破裂。该试验的研究方法和结果对研究处在层状岩体地质条件下的工程围岩稳定性具有一定的参考价值。

基于3D-DIC的UHMWPE软质防弹衣性能测试

软质防弹衣可有效拦截常规手枪弹和低速破片,是警察等执法人员的主要防护装备。为研究某超高分子量聚乙烯(UHMWPE)软质防弹衣在枪弹冲击下的动态力学响应,使用三维数字图像相关技术(three-dimensional digital image correlation,3D-DIC)进行了9 mm手枪弹侵彻软质防弹衣试验。试验获得了软质防弹衣背后鼓包(back face signature,BFS)的变形场、速度场和应变场等数据。结果表明:软质防弹衣在受子弹撞击后1 000μs内BFS高度急剧增加,达到了34.2 mm;随后增长变缓,约在3 000μs时BFS高度达到最大值60.2 mm;BFS形状由最初的四棱锥形变为最后的“金字塔形”;BFS速度在受撞击后200μs内迅速增长,达到最大值约为126.3 m/s,随后缓慢下降并趋向于0;防弹衣背后vonmises应变场分为4个L型区域,应变最大值出现在“L”的拐点处,400μs时防弹衣的最大vonmises应变为0.27。最后,采用改进的Gauss函数对不同时刻的BFS轮廓进行了曲面拟合,为快速估算任意时刻BFS形状提供了一种有效技术手段。

基于3D-DIC技术的砂岩变形局部化荷载速率效应试验研究

利用可视化三轴压缩伺服控制试验系统研究了不同加载速率条件下砂岩的变形局部化特征。通过3D-DIC测试系统,获得了砂岩在三轴应力条件下的轴向及径向应变场云图,分析了加载速率对砂岩变形局部化的影响规律。研究表明:在峰值强度前,砂岩表面变形较为均匀;在峰值强度时出现应变集中现象,且在峰后阶段迅速扩展,最终形成贯穿试样表面的变形局部化带;随着荷载速率增加,砂岩的峰值强度、弹性模量、泊松比、峰值点轴向应变和峰值点径向应变均增大;当荷载速率从1×10^–6 s^–1增大到1×10^–3 s^–1时,变形局部化启动应力随之增大,且轴向及径向变形局部化启动应力水平即比值σA/σpeak和σR/σpeak分别从峰后的92.00%、93.75%变至峰前的97.17%、96.00%,表明砂岩变形局部化具有较为明显的荷载速率效应。

基于3D-DIC技术岩石广义应力松弛特性试验研究

基于可视化三轴压缩伺服控制试验系统和三维数字图像相关技术(简称3D-DIC技术),开展了不同流变方向系数α下的广义应力松弛试验,对广义应力松弛过程中砂岩表面的应变演化规律进行了探讨。研究结果表明:在流变过程中若砂岩有发生破坏的趋势,其表面的轴向、径向应变场的应变集中区域逐步显现,轴向应变集中区域由层状离散分布逐渐向即将出现裂纹的位置集中,而径向应变场中在裂纹即将形成区域附近应变增长速率最快。不同表面位置轴向、径向应变差异的演化速率与其整体演化速率的变化趋势呈现正相关,在即将形成裂纹附近的轴向、径向应变变化量发展经历减速、等速、加速3个阶段,而远离裂纹处的应变则可能先增大后减小,不同位置应变值的等时曲线演化则预示裂纹即将形成的区域。随着流变方向系数α由0.3、0、-3.0、∞、3.0依次变迁,流变过程中轴向、径向应变场整体演化的均值与方差均上升,说明其演化速率加快,应变集中现象更显著,且砂岩破坏前后的应变场演化差异增大。

基于3D-DIC的砂岩裂纹扩展及损伤监测试验研究

裂纹监测对岩石损伤演化的认识至关重要。为研究岩石裂纹扩展及损伤变形特性,开展了含不同倾角(0°~90°)预制裂隙的标准细黄砂岩样的单轴压缩试验。利用三维数字图像相关技术(3D-DIC)获取岩样三维空间坐标下的应变分布,并结合声发射从光学与声学的角度监测了裂纹的扩展演化。由此提出了一种裂纹主应变的计算方法,定量表征岩石劣化的损伤变量D值。最后,探讨了由声发射与损伤变量D值确定岩样特征强度的影响因素。结论如下:(1)裂纹主应变反映了岩样受荷过程中同源裂纹在时间上的变化速率与空间上的扩展趋势,能较好地表征岩石的开裂行为;(2)声发射适用于确定岩样的起裂应力,不适用于损伤应力的确定,损伤变量D值所确定的起裂应力滞后于声发射,但适用于损伤应力特征值的确定;(3)结合声发射与DIC技术确定的归一化起裂应力范围为0.63~0.94、归一化损伤应力的范围为0.83~0.99;(4)预有裂隙会影响岩石的材料力学性能。随着倾角的增加,岩石的起裂应力、损伤应力及峰值应力呈增长的趋势,由于难以形成局部应变场聚集,裂纹的萌生与起裂更加困难。结果表明,3D-DIC技术的利用可以提高对岩石开裂行为的理解,对岩石的损伤监测与判识更有重要的意义。

3D-DIC技术颌面外科导航的体外初步研究

目的通过体外头颅模型试验,测量基于三维图像关联技术(3D-DIC)搭建的导航系统定位精度及跟踪精度。方法通过3D-DIC导航系统在3D打印头颅模型上选取不同分布模式的标记点进行注册,测量定位误差,比较注册点分布不同对于注册精度的影响,于3D打印头颅模型上模拟Lefort I型截骨线进行截骨,机械臂把持牙槽突骨段在三维空间内作任意移动,3D-DIC系统测量其运动轨迹,并与机械臂末端记录相对比,测量跟踪精度。采用独立样本t检验比较不同运动方向的跟踪精度。结果3D-DIC导航精度为(0.694±0.017)mm。3D-DIC跟踪精度为(0.174±0.089)mm,跟踪精确性良好。结论 3D-DIC导航系统拥有良好的定位精度及跟踪精度。

基于高速3D-DIC技术的砂岩动力特性粒径效应研究

利用分离式霍普金森压杆(SHPB),对粗砂岩、中等粒径砂岩和细砂岩进行了应变率为69~83 s–1的动态单轴抗压实验,研究了粒径尺寸效应对砂岩动力特性的影响。通过三维数字图像相关(3D-DIC)技术分析高速摄像图像,获得了砂岩的实时应变场,据此分析了动态荷载下3种粒径砂岩的动力变形特性和裂纹开展行为。结果表明,砂岩弹性应变储能可逆释放的临界应变率随着粒径的减小而升高,动态压缩强度随着粒径减小而增大,动态强度应变率敏感度则与强度规律相反。相较于静态条件下,中等粒径砂岩和细砂岩的动态弹性模量增长了2~3倍,粗砂岩的动态弹性模量增长达5倍以上。细砂岩的动态泊松比相较于静态提高了约25%,中等粒径砂岩的动态泊松比约为静态时的70%。动态裂纹首先出现于试件内部,然后传播至表面,呈现出应变局部化,动态荷载下岩石裂纹的孕育和扩展相比静态条件下均有所提前,其中细砂岩在动态荷载条件下的归一化裂纹起裂阈值仅为峰值强度的10%。微观分析表明,矿物粒径大小和黏土矿物含量分别在砂岩的动力力学性质和裂纹开展行为方面发挥主要作用。

高速3D-DIC测试技术在装甲钢贯穿试验中的应用

数字图像相关(digital image correlation,DIC)技术作为一种非接触、非干涉的全场无损光学量测技术,可获取材料表面的动态变形信息和破坏过程。为了评估装甲钢的抗弹性能并探索高速三维数字图像相关(3D-DIC)技术在钢板贯穿试验测试中的应用,基于氢氧爆轰驱动弹道枪开展了7发15 mm口径可变形弹体以不同速度(255~568 m/s)冲击不同厚度(5、8和10 mm)高强高硬装甲钢板的试验,并结合帧率为144000 s^(−1)的高速3D-DIC测试技术获取了靶板的离面位移和应变时程。随后,基于前期标定并验证的装甲钢本构模型参数,对上述试验进行了数值模拟。通过对比弹体残余速度和长度验证了有限元分析方法的可靠性。进一步通过对比试验与数值模拟得到的靶背离面位移时程曲线和不同时刻靶背的应变云图,验证了高速3D-DIC测试结果的准确性。最后,对比分析了靶板最大离面位移与弹体冲击速度和装甲钢板厚度的关系。高速3D-DIC测试技术的应用可为相关试验测试提供参考,靶板最大离面位移分析结果可为屏障类防护结构的分析验证和优化设计提供试验依据。

基于3D-DIC的预制孔洞大理岩破坏过程研究

采用3D-DIC(三维数字图像技术)观测系统研究了预制孔洞大理岩单轴压缩破坏全过程。完整记录了试样在单轴压缩状态下表面裂纹的产生、扩展和贯通的全过程,计算分析得到了预制孔洞大理岩破坏过程观测区位移场和应变场的演化过程,以及时间-位移-应变曲线。结果表明:在线弹性变形阶段,应变场会出现局部化带,位移场则会出现明显的分区现象,位移场分区交界带和应变场局部化带往往是裂纹扩展贯通区域。在脆性破坏阶段,部分试样存在极具“突发性”的现象,表面裂纹萌生至贯通时间极短,位移和应变会出现跳跃性变化。3D-DIC技术为岩石力学研究和岩石破坏预测提供了一种有效方法。

基于3D-DIC技术的防弹头盔性能测试与评估

为研究防弹头盔在非贯穿侵彻情况下,头盔的瞬态力学响应规律以及对人体头部造成的钝性损伤程度,采用三维数字图像相关技术(3D-digital image correlation, 3D-DIC)开展了试验研究,获得了头盔内部鼓包高度、变形速度和变形区域的面积等数据,并结合钝性准则和简明损伤定级标准对头盔变形可能造成的头部损伤程度进行了评估.试验结果表明,在非贯穿侵彻过程中,瞬时鼓包的最大高度平均值为27.8 mm,静态鼓包高度平均为9.5 mm.头盔与颅骨间的间隙对头部钝击损伤严重程度有显著影响,当间隙为12.7 mm时,平均AIS分值为5,平均颅骨骨折概率为22.3%;当间隙为15 mm时,平均AIS分值为2,平均颅骨骨折概率为3.8%.

利用3D-DIC评价超高性能混凝土裂缝扩展行为

为研究钢纤维掺量对超高性能混凝土裂缝扩展行为的影响,利用3D-DIC定量评价超高性能混凝土裂缝扩展规律。首先利用三点弯曲试验测试纤维掺量对UHPC弯曲性能影响。然后利用3D-DIC监测弯曲荷载作用下UHPC裂缝扩展行为。实验结果表明:钢纤维显著改善了UHPC的抗压强度和劈裂拉伸强度,随着纤维掺量的增加,抗拉强度和劈裂拉伸强度呈现出先增大后减小的趋势,当纤维体积掺量为2.0%时,其抗压和劈裂拉伸强度达到最大值。当Vf=0.5%时,荷载-挠度曲线呈现“挠度软化”现象,P_(LOP)<P_(MOR);V_(f)≥1.0%时,荷载-挠度曲线呈现“挠度硬化”现象。随着纤维掺量的增加,裂缝扩展路径曲折程度增加,裂缝开口位移逐渐增大。

基于3D-DIC技术的8.8级高强螺栓延性断裂研究

应力三轴度是控制建筑结构钢材延性断裂的一项重要因素。以国产8.8级高强螺栓为试验材料,借助三维数字成像技术(Three-Dimensional Digital Image Correlation,3D-DIC)研究了典型建筑结构钢材在高应力三轴度水平的断裂行为。研究结果表明:对于建筑结构钢,应力三轴度和断裂应变间呈典型的线性相关关系,据此提出了应力三轴度的简化计算方程;Johnson-Cook断裂模型可以有效反映8.8级高强螺栓的应力三轴度—断裂应变关系,并给出了相应的断裂参数。

基于3D-DIC对爆炸作用下碳纤维层合板的变形研究

针对3种不同铺层的碳纤维复合材料层合板,设计了开放式爆炸加载实验,研究不同的炸药质量和爆炸距离下层合板的动态力学行为。基于两台高速相机,搭建了高速三维变形场的实验测量系统,记录层合板在爆炸作用下动态变形过程。通过三维数字图像相关方法(3D-DIC)软件计算得到层合板在冲击波作用下的动态位移场和应变场。研究发现:层合板在弱冲击波作用下只发生弹性变形,正交铺层和准均质铺层均表现出良好的抗冲击能力;在强冲击波作用下层合板会产生分层、基体开裂、纤维断裂等形式的损伤,铺层顺序对损伤形式有很大影响。

基于3D-DIC的花岗岩SHPB压缩冲击动态应变场研究

本文利用三维散斑数字图像相关(3D-DIC)技术获得花岗岩在压缩冲击条件下应变场的变化,得到随着应力波在花岗岩反射和透射传播过程的应变场变化细节,对了解花岗岩各向异性介质动态破坏特性具有重要意义。通过全场应变、位移、加速度、速度云图,可以反映出应力波的传播过程,应力波从试件左端开始传播,在试件中来回反射,直至应力波逐渐衰弱,形成拉压应力交替的现象。通过冲击过程中花岗岩表面应变的可视化,可以将试件表面应变局部化区域孕育发展的过程直观地显示出来,试样的变形破坏具有显著的应变局部化特征,试样最终破坏区域与应变局部化区域位置基本相同。

基于3D-SLDV和高速3D-DIC的离心轮模态分析

全场振型对于研究发动机结构动特性至关重要,介绍了基于3D-SLDV和高速3D-DIC两种全场振动测试方法的测试原理。以液体火箭发动机离心轮为例,分别采用两种技术获得了5 kHz内离心轮的固有频率和振型,对比分析了两种测试方法的优缺点,结果表明:3D-SLDV技术比3D-DIC技术具有更低的位移本底噪声,对高频振型辨识更有利,但该方法属于逐点扫描测试,测试时间长;3D-DIC技术全场数据同时采集,采集时间短,具有更精细的振型,但图像的数据量大,数据传输和分析时间长,同时这种基于位移的测试方法存在本底噪声限制。