航空、航天科學(xué)技術(shù)

三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（3D DIC）在材料形變研究中的應(yīng)用進(jìn)展

陳亞軍，孫勝潔，季春明

摘要：材料或結(jié)構(gòu)在各種載荷作用下的表面變形測量是材料形變研究中的重要任務(wù)之一。三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（3D DIC）由于其非接觸、全場化的測量方式，與其他光測方法相比，具有自動化、光路簡單、普適性及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于多領(lǐng)域多種材料的力學(xué)性能測試中。本文綜述了國內(nèi)外3D DIC技術(shù)在測量精確性驗(yàn)證、高溫形變測量和大變形測量方面的應(yīng)用研究進(jìn)展。首先，對實(shí)驗(yàn)中數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)測量誤差來源進(jìn)行介紹，其來源主要有：圖像污染、散斑質(zhì)量低、相機(jī)參數(shù)設(shè)置不合理、高溫實(shí)驗(yàn)條件下散斑脫落變質(zhì)等。作者通過正交實(shí)驗(yàn)，給出了散斑大小、散斑密度和散斑分布隨機(jī)性的優(yōu)化結(jié)果。同時，綜述了3D DIC在復(fù)合材料、金屬材料、軟質(zhì)材料和其他材料常規(guī)靜載實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用及在沖擊載荷和疲勞載荷測試中的研究進(jìn)展，并通過對比分析3D DIC、傳統(tǒng)引伸計測量結(jié)果及有限元模擬結(jié)果，驗(yàn)證了該技術(shù)精確性。即：對于3D DIC在常規(guī)靜載實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，3D DIC的實(shí)時性和全場性對材料力學(xué)性能的研究具有顯著優(yōu)勢和重要意義。針對不同材料力學(xué)性能表征和實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，DIC技術(shù)對測量環(huán)境的要求低，測量系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)。3D DIC在沖擊載荷實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，高速3D DIC測量儀器測量的位移數(shù)據(jù)和應(yīng)變片測得的數(shù)據(jù)高度符合，從而證明了3D DIC可以作為一種有效的方法來觀測材料在沖擊載荷下的全場動態(tài)響應(yīng)。對于3D DIC在疲勞載荷實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，DIC技術(shù)解決了傳統(tǒng)疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)不能從材料微觀和宏觀變形的全局角度來揭示疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展、斷裂的演化過程和機(jī)理問題。其次，針對3D DIC高溫實(shí)驗(yàn)測量中由于散斑脫落，變質(zhì)；試樣和鏡頭間空氣翹曲變形等原因引起的誤差問題，重點(diǎn)介紹了高溫測試技術(shù)優(yōu)化及設(shè)備研發(fā)和高溫散斑制備優(yōu)化的最新研究成果，為數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)在高溫形變研究中的進(jìn)一步應(yīng)用提供了研究思路和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。即，可以采用以下方法有效減小測量誤差：利用風(fēng)扇循環(huán)加熱爐減小由空氣熱梯度引起的圖像失真；通過對3D DIC測量系統(tǒng)進(jìn)行通電預(yù)熱平衡測量環(huán)境內(nèi)外溫度消除測量誤差；通過減去補(bǔ)償試樣虛應(yīng)變消除相機(jī)自熱引起的測量誤差；將光照設(shè)為紫外線照射減少黑體輻射消除測量誤差；針對不同高溫測量方法和測量環(huán)境，合理選擇以上優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方法，可以有效減少高溫測量誤差。再次，為了克服3D DIC在測量大曲率物體時可測面積局限的難題，從大變形測試技術(shù)優(yōu)化及設(shè)備研發(fā)和多相機(jī)技術(shù)發(fā)展兩方面進(jìn)行了分析，為該技術(shù)在大形變、大曲率、復(fù)雜形貌部件測量中的工程應(yīng)用提供借鑒。即，采用了一種新的參照圖的設(shè)定方法：每拍攝固定幾張數(shù)量的圖像，就重新設(shè)定一次參照圖像，這樣可以解決無法測量所有漸進(jìn)位移的問題。為了達(dá)到遠(yuǎn)距離（100～300 m）、多目標(biāo)、實(shí)時位移追蹤和現(xiàn)場測量的目的，設(shè)計研發(fā)了視頻撓度計，并驗(yàn)證了該視頻撓度計在實(shí)際、遠(yuǎn)距離、非接觸實(shí)驗(yàn)中的實(shí)用性和有效性。同時，精度實(shí)驗(yàn)也可以證明3D DIC測量結(jié)果的有效性。最后，指出為了提高3D DIC技術(shù)的精度，未來還應(yīng)在以下方面做進(jìn)一步研究：（1）散斑大小和形狀與數(shù)字圖像相關(guān)方法的位移測量精度密切相關(guān)，關(guān)于散斑特征（如尺寸、密度等）與匹配誤差關(guān)系目前研究較少，今后要深入研究隨機(jī)散斑分布特征對測量精度的影響，從而能夠高效、準(zhǔn)確地在試件表面制作最佳的隨機(jī)散斑；（2）當(dāng)前3D DIC技術(shù)對于多散斑場區(qū)域變形測量，可以將測量精度控制到50°以下，對于幾個散斑之間的變形，精度可以控制到20°以下。微應(yīng)變尺度測量、高速測量和高溫測量等方面3D DIC技術(shù)的作用并沒有完全發(fā)揮出來，有待于進(jìn)一步的研究；（3）目前尚缺乏外界因素（如環(huán)境光、振動等）干擾對測量效果的影響研究，今后應(yīng)該進(jìn)一步在此方向進(jìn)行研究，使得3D DIC更好地應(yīng)用于實(shí)際工程測量；（4）3D DIC在軍事材料和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究中體現(xiàn)了可行性和優(yōu)越性，但目前在此類材料性能測試中應(yīng)用較少，有待于進(jìn)一步研究。

來源出版物：航空材料學(xué)報，2017，37(4):90-100

入選年份：2017

連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的研制進(jìn)展及關(guān)鍵問題

王濤，趙宇新，付書紅，等

摘要：本文介紹了連續(xù)纖維增強(qiáng)鋁基、鎂基、鈦基、鎳基等復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維種類、制備技術(shù)、性能研究、成型與加工技術(shù)、熱處理技術(shù)、纖維排布技術(shù)等方面的研究進(jìn)展及其各類復(fù)合材料在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用情況，對連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料研制過程中的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問題進(jìn)行歸納和總結(jié)，提出了部分關(guān)鍵技術(shù)問題的研究方法和思路，并對連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展與應(yīng)用提出了部分建議。連續(xù)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料應(yīng)用相對廣泛，對于減輕飛機(jī)、導(dǎo)彈等重量起到了重要作用；鎂基復(fù)合材料在航天領(lǐng)域中獲得應(yīng)用；連續(xù)鈦基復(fù)合材料則重點(diǎn)應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)葉環(huán)、機(jī)匣等零部件，顯著降低了零部件的重量；連續(xù)纖維增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料尚未獲得應(yīng)用，處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，中國航發(fā)北京航空材料研究院探索研究了碳化硅纖維與GH4738等鎳基合金的界面反應(yīng)、熱處理等技術(shù)基礎(chǔ)。纖維與金屬基體間的界面控制是其研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)，并且是確保良好應(yīng)用的關(guān)鍵，可以從纖維的表面改性、纖維與基體的相容性和潤濕性、界面反應(yīng)、界面強(qiáng)度等方面入手，結(jié)合各種復(fù)合材料制備工藝的特點(diǎn)，解決界面薄弱性問題；進(jìn)一步完善連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備工藝，構(gòu)建工藝可行性評估體系，加強(qiáng)工藝?yán)碚撗芯?，將制備過程與計算機(jī)模擬技術(shù)有機(jī)結(jié)合，可以縮短研制周期，降低制備成本，推動其工程化應(yīng)用；另外加強(qiáng)復(fù)合材料損傷機(jī)理與力學(xué)行為的研究，針對纖維的斷裂、纖維/基體的分離、纖維的滑動和拔出、基體裂紋等復(fù)合材料失效表觀，重點(diǎn)研究裂紋形核、裂紋擴(kuò)展、斷裂機(jī)理和壽命預(yù)測，建立其損傷評價體系，同時深入研究不同條件下的力學(xué)行為，掌握復(fù)合材料為復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用提供參考依據(jù)。先進(jìn)的加工成形和連接技術(shù)，可以減少成型和加工過程中復(fù)合材料的損傷，降低復(fù)合材料零件的制造成本，確保零件質(zhì)量，是復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的重要保證。急需開展連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的質(zhì)量過程控制技術(shù)研究，從產(chǎn)品質(zhì)量保證工藝設(shè)計、產(chǎn)品質(zhì)量信息采集、質(zhì)量信息數(shù)據(jù)后續(xù)處理、現(xiàn)場加工制造過程等方面完善批量產(chǎn)品加工質(zhì)量過程控制技術(shù)。

來源出版物：航空材料學(xué)報，2013，33(2):87-96

入選年份：2017