基于DIC测量技术的高桩码头结构性能检测试验

为探索高桩码头结构性能检测试验中数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)检测技术应用的要点,以某水运港口码头为背景,从试件制备,3D-DIC试验测试系统构建,试验装置与环境模拟系统建立,海洋环境下试件表面裂缝发展、挠度变化、侧表面应变观测等方面对高桩码头结构性能检测试验过程展开分析。分析结果拓展了DIC测量技术的应用范围,也为高桩码头水工建筑物稳定运行提供了可靠保证。

开孔结构应力场的DIC测试技术研究

工程结构破坏通常发生在结构的薄弱部位,如含有圆孔、裂纹及材料结合界面等部位,因为结构在这些部位易产生应力集中。以含有圆孔构件的轴向拉伸为例,对于韧性材料,圆孔区域在应力集中作用下往往发生塑性变形。数字图像相关法(digital image correlation method,DIC)通过对变形前后两幅数字图像进行对比,确定所测量构件表面的变形场。文章采用DIC技术测量开圆孔结构在外荷载作用下的全场变形,进而通过图像处理技术获得圆孔部位大梯度变化的应力场。将测试结果与理论计算结果和ABAQUS有限元数值模拟结果对比,表明DIC测试方法能准确分析含缺陷结构大梯度变化的集中应力场。

TC4钛合金在准静态拉伸下的本构模型及失效参数

高速碰撞有限元模拟中经常涉及材料的大变形和断裂过程。基于Johnson-Cook断裂失效模型,设计了不同缺口尺寸的TC4钛合金试件,采用试验和有限元模拟相结合的方法研究了试样的断裂应变和应力三轴度。试验中制作了散斑,利用二维数字图像相关(DIC)技术获取试件在室温准静态拉伸条件下的断裂应变;利用Abaqus软件对准静态拉伸过程进行模拟,获取各试件的平均应力三轴度。将断裂应变与平均应力三轴度进行拟合,得到了Johnson-Cook断裂失效模型参数。将断裂失效模型参数带入Pamcrash软件中进行仿真,对比试验和Pamcrash仿真的断裂形貌和载荷位移曲线,两者均呈现出较好的一致性,验证了失效模型参数的正确性。

6061-T6铝合金断裂应变与应力三轴度关系研究

研究材料断裂应变与应力三轴度的关系,从而建立其断裂失效模型,对分析6061-T6铝合金断裂失效过程具有重要理论意义和应用价值。分别借助数字图像相关(DIC)测量技术和Abaqus软件对6061-T6铝合金光滑圆棒试件与缺口圆棒试件准静态拉伸过程进行试验和数值模拟,基于所得结果对后者应力三轴度进行分析和修正,从而得到Johnson-Cook(J-C)失效模型的部分材料参数,并建立了6061-T6铝合金断裂应变与应力三轴度的关系模型。将建立的失效模型输入到Abaqus中进行断裂数值模拟,模拟结果与试验结果基本一致,验证了失效模型的正确性。研究表明:6061-T6铝合金的断裂应变随应力三轴度的增加而减小;采用J-C失效模型可以较好的描述6061-T6铝合金在不同应力三轴度下的断裂失效行为。

基于石英灯辐射正面加热的高温数字图像相关方法研究

石英灯辐射加热是目前飞行器典型整结构热试验使用最广泛的一种加热方式,本文围绕飞行器辐射加热面的工程测量需求,考虑DIC方法的原理和典型热试验的实际工程环境,分析了应用高温DIC测量方法研究石英灯辐射加热面变形信息的技术难点和误差来源,从制作高质量的标准高温散斑场和消除长波段辐射光干扰方面入手,提出了一种基于石英灯正面加热的高温DIC方法改进方案。最后设计C/SiC小板缝隙试验,结合石英灯辐射热流模型,优化设计满足DIC测量窗口的石英灯加热器,成功测量缝隙尺寸随温度增加的变化量,证明了基于石英灯辐射正面加热的高温DIC方法改进方案的可行性。该方法可以为研究结构或重要部件地面热试验中的局部变形、位移、缝隙等测试问题提供解决方案,对未来新型飞行器的试验研究具有非常高的实用价值。

飞秒脉冲激光辐照半导体材料的热/力特性

利用构建的实验系统研究飞秒脉冲激光辐照单晶硅的力/热特性,找出影响飞秒脉冲激光辐照单晶硅的力/热效应的主要影响因素,得到飞秒脉冲激光辐照单晶硅的力/热特性演化过程。结果表明:激光辐照单晶硅晶圆靶板时,温度呈高斯分布;随着激光辐照单晶硅过程的进行,靶板表面温度不断升高;距离光斑辐照中心越远,径向应力呈现先增大后减小的趋势。得到如下结论:飞秒脉冲激光辐照单晶硅产生的汽化冲击波和等离子体爆炸反应不断地带走表面被加热的单晶硅;激光辐照单晶硅产生的温升效应呈现不断震荡上升并逐渐趋于恒定温度的特征;激光辐照单晶硅产生的径向应力为压应力,数值为MPa量级,环向应力为压应力,该值约为径向应力的1/10。

轻量化坑道钻机的研制及应用

为解决坑道钻机质量大,在巷道中搬迁运输困难的问题,采用轻型结构设计与模块化组装思路,结合轻质材料应用,研制了由5052-H38态高强度铝合金作为主材的ZDY1200G型轻量化坑道钻机,钻机快速拆解后单部件最大质量292.5kg。采用三维DIC散斑变系统对钻机铝合金给进机身在极限载荷下的应变与位移进行了测量分析,测得最大回转负载工况最大主应变为0.87%,最大起拔工况机身关键部位最大位移6.317 mm,未产生塑性变形,满足使用需求。钻机研制成功后在云南省沧源县某矿进行了现场工业性试验,完成了斜向下43°、深度512.68 m的取心钻孔。试验结果表明,采用铝合金的坑道钻机在强度、刚度、可靠性上与碳钢为主材的坑道钻机相当,并且具有搬迁运输方便的优点,能较好地应用于坑道钻探施工。

CFRP加固紧凑拉伸钢试件的疲劳试验研究

以紧凑拉伸试件(Compact-tension specimen,CT试件)为研究对象,针对未补强及不同碳纤维增强树脂复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)粘贴补强工况的CT试件开展疲劳试验。以CFRP材料类别、单/双面粘贴与CFRP材料用量作为变量,运用沙滩纹加载制度与非接触式全场应变测量(Digital image correlation,DIC)技术记录测量疲劳裂纹扩展长度与试件CFRP表面应变场,分析CFRP粘贴延长疲劳寿命的作用,从疲劳寿命与疲劳裂纹扩展速率入手,比较疲劳试验结果用以指导CFRP粘贴加固疲劳损伤钢构件。结果表明粘贴CFRP发挥其抗拉和抗压作用可以减小乃至抑制疲劳裂纹扩展速率的增长,从而有效推迟试件疲劳破坏,在特定工况下可最多延长试件疲劳寿命至未补强状态下的3.14倍。其中,双面粘贴的加固效果明显优于单面粘贴;增加碳纤维布的铺贴层数对疲劳寿命的增长具有一定的贡献;碳纤维复材板与试件粘接边缘的脱胶导致其补强效果不及刚度相似的碳纤维布;粘接界面是补强体系破坏过程中的薄弱环节,碳纤维复材板加固试件的破坏模式主要为胶层破坏与复材板脱胶,碳纤维布加固试件的破坏模式为以最内层碳纤维布脱胶与分层主导,含有小范围胶层破坏的混合状态。含裂纹钢构件CFRP粘贴加固的材料与工艺值得进一步改良研究。