動(dòng)態(tài)斷裂韌性實(shí)驗(yàn)中DIC技術(shù)應(yīng)用研究

曲　嘉，李東昌，黃　超

（1.哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱理工大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150080）

動(dòng)態(tài)斷裂韌性實(shí)驗(yàn)中DIC技術(shù)應(yīng)用研究

曲嘉1，李東昌1，黃超2

（1.哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱理工大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150080）

高速?zèng)_擊動(dòng)態(tài)斷裂韌性的加載和測(cè)試技術(shù)一直是近年關(guān)注的熱點(diǎn)，隨著計(jì)算機(jī)和光學(xué)傳感器的發(fā)展，采用數(shù)字圖像相關(guān)方法測(cè)量材料的動(dòng)態(tài)斷裂韌性已成為重要選擇。該文基于分離式Hopkinson壓桿原理的加載技術(shù)，通過(guò)高速攝影機(jī)拍攝高速?zèng)_擊下三點(diǎn)彎曲試樣裂紋的起裂和擴(kuò)展，運(yùn)用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)分析裂尖場(chǎng)的散斑圖像，計(jì)算得到相應(yīng)的應(yīng)變場(chǎng)變化，試樣外表面處于平面應(yīng)力狀態(tài)，其裂尖應(yīng)變場(chǎng)呈現(xiàn)“0”型，而非試樣對(duì)稱面所處于的平面應(yīng)力狀態(tài)下呈“8”型。結(jié)果表明，DIC技術(shù)可以應(yīng)用于動(dòng)態(tài)斷裂韌性實(shí)驗(yàn)，也證明裂尖場(chǎng)粘貼的應(yīng)變片測(cè)量試樣起裂的有效性。

數(shù)字圖像相關(guān)；動(dòng)態(tài)斷裂韌性；分離式霍普金森壓桿；不銹鋼

0　引　言

斷裂韌性是材料抵抗破壞的重要參數(shù)，隨著斷裂力學(xué)工程應(yīng)用的逐步深入，已成為研究者關(guān)注的熱點(diǎn)［1］。三點(diǎn)彎曲試樣作為測(cè)定準(zhǔn)靜態(tài)載荷作用下的標(biāo)準(zhǔn)試件已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但由于動(dòng)態(tài)斷裂題的復(fù)雜性，目前還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法。盡管如此，由于三點(diǎn)彎曲試樣比較簡(jiǎn)單，加載也很方便，因此采用三點(diǎn)彎曲試樣，并通過(guò)分離式霍普金森壓桿技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)斷裂韌性實(shí)驗(yàn)研究。

數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量方法是由美國(guó) Peters和Ranson教授及日本的Yamaguchi在20世紀(jì)80年代初期共同獨(dú)立提出的［2-3］。隨著數(shù)字圖像相關(guān)識(shí)別技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)成為一種運(yùn)用計(jì)算機(jī)對(duì)采集圖像進(jìn)行數(shù)字化分析的技術(shù)［4］。本文采用高速攝影與數(shù)字圖像相結(jié)合，監(jiān)測(cè)試樣的起裂和裂紋擴(kuò)展，獲得在裂紋尖端所引起的應(yīng)變場(chǎng)變化。結(jié)果分析驗(yàn)證了裂尖場(chǎng)粘貼的應(yīng)變片測(cè)量試樣起裂的有效性。數(shù)字圖像相關(guān)方法具有試驗(yàn)環(huán)境易于實(shí)現(xiàn)、測(cè)量范圍易于控制和試驗(yàn)結(jié)果圖形化等諸多優(yōu)點(diǎn)，能滿足實(shí)驗(yàn)力學(xué)及其工程測(cè)量的實(shí)際需要。

1　動(dòng)態(tài)斷裂韌性實(shí)驗(yàn)

1.1試樣疲勞預(yù)制裂紋和噴涂散斑

本次實(shí)驗(yàn)設(shè)備為分離式Hopkinson壓桿，用不銹鋼材料制備含有預(yù)制裂紋的三點(diǎn)彎曲試樣，試樣的厚度為10 mm，高度為20 mm，跨距為80 mm。使用Instron-8801電液伺服試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣以正弦波的方式進(jìn)行加載，預(yù)制后的裂紋總長(zhǎng)度為10mm。在預(yù)制裂紋的試件一面噴涂隨機(jī)散斑，處理完成的試件如圖1所示。

圖1　預(yù)制裂紋和噴涂散斑試件圖

1.2霍普金森壓桿技術(shù)和實(shí)驗(yàn)裝置

分離式霍普金森壓桿（SHPB）原型是由Hopkinson于1914年提出，用于測(cè)量載荷的脈沖波形。1949年，Kolsky提出將壓桿分成兩段，試樣置于兩桿中間，從而使這一裝置可用于測(cè)量材料在沖擊載荷作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系［5-6］。SHPB試驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示，通過(guò)炮筒內(nèi)發(fā)射的短桿子彈以一定速度撞擊入射桿，再由入射桿對(duì)三點(diǎn)彎曲試樣進(jìn)行加載，短桿子彈的速度由激光分束測(cè)速裝置測(cè)得。在試樣裝夾處用高速攝影機(jī)拍攝試樣整個(gè)斷裂過(guò)程，以便使用數(shù)字圖形相關(guān)技術(shù)分析起裂和裂紋擴(kuò)展過(guò)程，圖3為SHPB試驗(yàn)裝置圖和三點(diǎn)彎曲試樣裝夾圖。

圖2　SHPB試驗(yàn)裝置圖

圖3　試件裝夾圖

1.3試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，先對(duì)桿系進(jìn)行固定，利用桿系的調(diào)節(jié)裝置對(duì)桿系進(jìn)行調(diào)節(jié)，使入射桿與透射桿保持同軸并且在同一水平面上。在入射桿和透射桿上分別粘貼兩組應(yīng)變片，粘貼時(shí)保證每根桿上的兩個(gè)應(yīng)變片在桿的同一截面相對(duì)稱的位置，這樣可以消除由于桿的彎曲變形對(duì)應(yīng)變信號(hào)測(cè)量所產(chǎn)生的影響。通過(guò)這兩組應(yīng)變片測(cè)量入射桿和透射桿的應(yīng)變信號(hào)。在對(duì)引線以及屏蔽線的焊接過(guò)程中，一定要保證連接點(diǎn)要光滑，最大程度的消除人為因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響。使用高速攝影機(jī)進(jìn)行圖像采集，采集到的數(shù)字圖像如圖4所示，并存入計(jì)算機(jī)。

圖4是使用高速攝影機(jī)采集到的數(shù)字圖像，（a）～（d）分別為激發(fā)采集后不同時(shí)間下三點(diǎn)彎曲試樣的表面圖像，可以看出在激發(fā)后458.302 ms時(shí)表面首先開(kāi)始開(kāi)裂，在此之前沒(méi)有開(kāi)裂，本文使用的高速攝影機(jī)前一幀為458.227ms，選取此時(shí)的試樣圖像為原始圖像，開(kāi)裂后再經(jīng)過(guò)0.025 ms，裂紋擴(kuò)展已經(jīng)可以從表面明顯看出，在激發(fā)后458.401 ms時(shí)裂紋擴(kuò)展已經(jīng)特別明顯，取這幾張有代表性的圖像作為動(dòng)態(tài)斷裂韌性試驗(yàn)的結(jié)果。

2　數(shù)字圖像相關(guān)方法分析裂紋擴(kuò)展

2.1數(shù)字圖像相關(guān)基本原理

數(shù)字圖像相關(guān)方法的基本原理［10-14］是通過(guò)比較試件變形前后物體表面分布的散斑圖的變化，來(lái)獲得位移和應(yīng)變等變形信息。數(shù)字圖像相關(guān)實(shí)現(xiàn)過(guò)程是在變形前的圖像中，以所要計(jì)算的點(diǎn)為中心選取子區(qū)，利用子區(qū)中的灰度場(chǎng)，在變形后的圖像中，通過(guò)相關(guān)運(yùn)算找出最值的目標(biāo)圖像的對(duì)應(yīng)區(qū)域，變形前后對(duì)應(yīng)以確定該點(diǎn)的位移值。再通過(guò)亞像素插值方法獲得連續(xù)位移值，計(jì)算位移梯度獲得應(yīng)變值［7-9］。

圖4　動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎曲試樣起裂和裂紋擴(kuò)展圖

圖5　數(shù)字圖像相關(guān)原理圖

相關(guān)運(yùn)算的核心是相關(guān)公式的選擇，本文采用的相關(guān)系數(shù)為

式中：r——參考圖像灰度大??；

d——變形后圖的灰度大?。?/p>

（x′，y′）——原始圖像中心點(diǎn)的坐標(biāo)；

（u′，ν′）——理論位移，計(jì)算最大相關(guān)系數(shù)對(duì)

應(yīng)的位移是（u，ν）。

采用Matlab編制的數(shù)字圖像相關(guān)程序?qū)Σ杉降膱D像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理［10］。

2.2數(shù)字圖像技術(shù)分析

圖6為試樣噴涂散斑區(qū)域和試樣計(jì)算區(qū)域，該區(qū)域也是實(shí)驗(yàn)中貼片的位置，通過(guò)分析數(shù)字圖像，采用有限元法對(duì)位移插值獲得應(yīng)變場(chǎng)變化。

圖6　圖像采集區(qū)域和DIC計(jì)算區(qū)域

圖7中（a）為激發(fā)后的時(shí)間458.302 ms時(shí)的起裂時(shí)刻產(chǎn)生的應(yīng)變，其中最大應(yīng)變?yōu)?.4%，隨著裂紋擴(kuò)展，激發(fā)后的時(shí)間458.327ms時(shí)產(chǎn)生的最大應(yīng)變?yōu)?.6%，最后458.401ms時(shí)裂紋擴(kuò)展到很大時(shí)相較于原始圖像產(chǎn)生30%應(yīng)變。從裂紋擴(kuò)展過(guò)程可以看出金屬材料動(dòng)態(tài)斷裂過(guò)程中，表面上裂紋是沿著裂紋線開(kāi)裂，裂紋尖端前移導(dǎo)致應(yīng)變區(qū)域向裂紋擴(kuò)展方向移動(dòng)。試樣外表面處于平面應(yīng)力狀態(tài)，其裂尖應(yīng)變場(chǎng)的呈現(xiàn)“0”型，而非試樣對(duì)稱面所處于的平面應(yīng)力狀態(tài)下呈“8”型，由于本文測(cè)試的圖像為試樣表面，因此，計(jì)算顯示應(yīng)變場(chǎng)是呈現(xiàn)“0”型擴(kuò)展的。

圖7　動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎曲試樣應(yīng)變場(chǎng)變化圖

3　結(jié)束語(yǔ)

本文基于分離式Hopkinson壓桿原理的加載技術(shù)，通過(guò)高速攝影機(jī)拍攝高速?zèng)_擊下裂紋的起裂和擴(kuò)展，運(yùn)用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)分析裂紋擴(kuò)展圖像，獲得在裂紋尖端所引起的應(yīng)變場(chǎng)變化。結(jié)果表明，DIC技術(shù)可用于動(dòng)態(tài)斷裂韌性實(shí)驗(yàn)，測(cè)得處于平面應(yīng)力狀態(tài)的試樣外表面裂尖應(yīng)變場(chǎng)呈現(xiàn)“0”型，而非試樣對(duì)稱面所處于的平面應(yīng)力狀態(tài)下呈“8”型，也證明了裂尖場(chǎng)粘貼的應(yīng)變片測(cè)量試樣起裂的有效性。同時(shí)，從裂紋擴(kuò)展過(guò)程可以看出金屬材料動(dòng)態(tài)斷裂的過(guò)程是沿著裂紋線開(kāi)裂，由于處于平面應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)變場(chǎng)是呈現(xiàn)環(huán)狀擴(kuò)展的。據(jù)此，DIC技術(shù)應(yīng)用于動(dòng)態(tài)斷裂韌性可為工程中測(cè)量材料的斷裂特性提供一種實(shí)用可靠的方法。

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（編輯：徐柳）

Application of digital image correlation method in dynamic fracture toughness testing

QU Jia1，LI Dongchang1，HUANG Chao2
（1.Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；2.Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）

The high speed dynamic fracture toughness loading and testing technology has become the focus of the public.With the development of computer and optical sensors，measuring the dynamic fracture toughness of materials with digital image correlation method has become an importantchoice.BasedontheprincipleofsplitHopkinsonpressurebar（SHPB）loading technique，a high-speed camera was used to photograph crack initiation and propagation process of three-point bending specimen under high-speed shocking，and analyze the speckle image of crack tip by digital image correlation method.The developing processing of strain field was obtained.In conclusion，the outside surface of the specimen is in plane stress state and the strain field of the crack tip is in“0”shape instead of the"8"shape.The results showed that the DIC technique could be applied to the dynamic fracture toughness test，and it also proves the effectiveness of the strain gage measuring the crack initiation.

digital image correlation；dynamic fracture toughness；SHPB；stainless steel

A

1674-5124（2016）10-0045-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.10.009

2016-05-03；

2016-06-19

國(guó)家自然科學(xué)基金（11302055）哈爾濱市科技創(chuàng)新人才專項(xiàng)基金（2013RFQXJ009）

曲嘉（1979-），男，黑龍江哈爾濱市人，副教授，博士，研究方向?yàn)闆_擊動(dòng)力學(xué)及強(qiáng)度理論。