基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)和紅外熱像技術(shù)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

梁 棟，李 賧，薛 孚，程嗣權(quán)

基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)和紅外熱像技術(shù)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

梁 棟，李 賧，薛 孚，程嗣權(quán)

（四川大學(xué) 匹茲堡學(xué)院，四川 成都 610207）

作為西部首所中美聯(lián)合辦學(xué)機(jī)構(gòu)的四川大學(xué)匹茲堡學(xué)院，在材料力學(xué)平板拉伸實(shí)驗(yàn)中，通過引入數(shù)字圖像相關(guān)（digital image correlation，DIC）技術(shù)以及紅外熱像技術(shù)，成體系地開發(fā)出包含應(yīng)力應(yīng)變曲線測量、全場應(yīng)變測量、材料流動(dòng)性分析、泊松比測量、斷裂延伸率測量和熱量耗散觀察等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。一方面克服傳統(tǒng)接觸式測量技術(shù)的局限性，革新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，幫助學(xué)生了解掌握力學(xué)和熱學(xué)領(lǐng)域的先進(jìn)測量手段；另一方面有助于培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神、科研意識(shí)、國際化視野的新工科人才。

數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)；紅外熱像技術(shù)；材料力學(xué)；中外合作辦學(xué)

在高校材料力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，材料的應(yīng)變測量是一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)對(duì)象。然而在傳統(tǒng)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，材料的應(yīng)變測量通常采用夾持引伸計(jì)或粘貼電子應(yīng)變片等方式進(jìn)行測量。這種接觸式的測量方式往往存在以下問題[1]：直接與試樣接觸，對(duì)試樣的形變有所影響；只能獲得某方向上的平均位移或單點(diǎn)位移,無法獲得材料變形過程的全場應(yīng)變數(shù)據(jù)；引伸計(jì)受標(biāo)距范圍限制，無法測量尺寸過大或過小的試件；試件斷裂時(shí)會(huì)對(duì)引伸計(jì)造成剛性沖擊，無法用來測量斷裂時(shí)的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

近年來，隨著光學(xué)測量技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步拓寬了材料應(yīng)變測量的方法。特別是具有非接觸性測量、全場應(yīng)變測量和適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)的數(shù)字圖像相關(guān)（digital image correlation，DIC）技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于物體位移場、動(dòng)靜態(tài)變形場、沖擊振動(dòng)測量等領(lǐng)域[2]。目前，在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中開始出現(xiàn)DIC技術(shù)的應(yīng)用案例：將DIC技術(shù)應(yīng)用于研究生的高等實(shí)驗(yàn)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，觀測圓孔周圍的應(yīng)力集中現(xiàn)象；在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中引入DIC技術(shù)對(duì)集中載荷作用下懸臂梁的撓度進(jìn)行了測定；應(yīng)用DIC技術(shù)開發(fā)出測量梁截面的彎曲正應(yīng)變分布和試件的彈性模量的教學(xué)實(shí)驗(yàn)[6-8]。與此同時(shí)，紅外熱像技術(shù)作為有效的非接觸測溫手段，也逐漸應(yīng)用于專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程[9]。

我校匹茲堡學(xué)院充分融合四川大學(xué)和美國匹茲堡大學(xué)的優(yōu)勢教學(xué)資源，基于DIC技術(shù)和紅外熱像技術(shù)開發(fā)出適合本科生的教學(xué)內(nèi)容，將科研技術(shù)和方法融入教學(xué)。首先為驗(yàn)證DIC技術(shù)的準(zhǔn)確性，對(duì)比了傳統(tǒng)引伸計(jì)與DIC技術(shù)測量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。然后在了解DIC技術(shù)和紅外熱像原理的基礎(chǔ)上，學(xué)生進(jìn)行了包含3大模塊的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)：

（1）利用DIC技術(shù)測量試樣在整個(gè)拉伸變形過程的全場應(yīng)變，并觀察不同位置的材料流動(dòng)情況。

（2）利用DIC技術(shù)獲取材料的彈性模量、屈服應(yīng)力，并計(jì)算泊松比、斷裂延伸率等參數(shù)。

（3）利用DIC技術(shù)和紅外熱像技術(shù)，觀察試樣拉伸變形過程中的熱量耗散情況，研究溫度變化與材料變形的相關(guān)性。

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 技術(shù)原理

DIC技術(shù)是通過跟蹤（或匹配）物體表面變形前后2幅散斑圖像中同一像素點(diǎn)的位置來獲得該像素點(diǎn)的位移向量，從而得到試件表面的全場位移[12]。其關(guān)鍵技術(shù)主要是雙目立體視覺原理與數(shù)字圖像相關(guān)匹配技術(shù)[13]。紅外熱像技術(shù)是基于紅外輻射原理，通過測取物體表面的紅外輻射能，將被測物體表面的溫度分布轉(zhuǎn)換為形象直觀的熱圖像[14]。本實(shí)驗(yàn)采用的是德國GOM公司ARAMIS DIC測量系統(tǒng)和美國FLIR公司的T630s紅外熱像儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)試樣

實(shí)驗(yàn)試樣為140 mm×20 mm×3 mm的Q235低碳鋼薄板。試樣一面噴涂白色和黑色的亞光漆以制備散斑場，另一面噴涂黑漆以獲得較高的發(fā)射率。

1.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

拉伸試驗(yàn)在力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（萬測ETM105D）上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)所得載荷數(shù)據(jù)由試驗(yàn)機(jī)自帶傳感器記錄，應(yīng)變數(shù)據(jù)通過引伸計(jì)（MP3542-50）與DIC系統(tǒng)獲得。實(shí)驗(yàn)前使用GWB-200JA引伸計(jì)標(biāo)定儀對(duì)引伸計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，紅外熱像儀發(fā)射率設(shè)置為0.95。

在驗(yàn)證DIC測量精度的實(shí)驗(yàn)中，試驗(yàn)機(jī)加載速率為2 mm/min，DIC拍攝頻率為5 Hz，當(dāng)試樣縱向變形達(dá)到2 mm時(shí)，停止試驗(yàn)，以保護(hù)引伸計(jì)。在教學(xué)實(shí)例中，試驗(yàn)機(jī)加載速率為5 mm/min，DIC拍攝頻率為1 Hz，紅外熱像儀拍攝頻率10 Hz，直至試樣斷裂停止實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 DIC技術(shù)的測量精度

圖1對(duì)引伸計(jì)和DIC系統(tǒng)獲得的應(yīng)變結(jié)果進(jìn)行了線性擬合，其中DIC所測應(yīng)變是通過在軟件中構(gòu)造相同標(biāo)距的虛擬引伸計(jì)測量得到。擬合方程為：

= 1.028+ 0.01467 （1）

圖1 DIC與引申計(jì)測量結(jié)果擬合圖

擬合結(jié)果表明2種方法獲得的數(shù)據(jù)有很好的一致性，應(yīng)變測量結(jié)果差別穩(wěn)定在2.8%以內(nèi)，說明該DIC系統(tǒng)有很高的測量精度。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線和典型應(yīng)變云圖分析

此環(huán)節(jié)中，學(xué)生利用DIC技術(shù)獲得材料整個(gè)變形過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和典型階段的應(yīng)變云圖，如圖2所示。圖中從左至右依次是：

（1）彈性階段的應(yīng)變云圖。此時(shí)材料處于彈性變形區(qū)域，試樣表面應(yīng)變均勻且應(yīng)力應(yīng)變成正比。

（2）屈服階段的應(yīng)變云圖。材料變形已超過彈性極限進(jìn)入塑性變形階段，試樣中部區(qū)域變形快速增加，表面的應(yīng)變開始分布不均。

（3）強(qiáng)化階段的應(yīng)變云圖。試樣所受應(yīng)力隨應(yīng)變繼續(xù)增大直到材料強(qiáng)度極限，試樣表面應(yīng)變從兩端到中間逐漸增大，中間出現(xiàn)明顯的應(yīng)變集中現(xiàn)象。

（4）頸縮階段的應(yīng)變云圖。試樣軸向長度已被拉伸到最大，中部出現(xiàn)明顯頸縮現(xiàn)象，其承載截面面積顯著縮小，應(yīng)力開始下降。

2.3 材料流動(dòng)量化分析

為進(jìn)一步觀察實(shí)驗(yàn)中不同位置材料的流動(dòng)情況，學(xué)生利用DIC系統(tǒng)在試樣縱向取間隔距離為7 mm的等距點(diǎn)。圖3顯示試樣表面各等距點(diǎn)在不同時(shí)間下的應(yīng)變數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中可以看出在整個(gè)彈性階段和塑性階段前期，所有等距點(diǎn)的應(yīng)變情況基本一致。在強(qiáng)化階段后期（200 s以后），試樣上各等距點(diǎn)的應(yīng)變逐漸離散，從點(diǎn)4往兩側(cè)應(yīng)變數(shù)值逐漸減小，且以點(diǎn)4為中心對(duì)稱的點(diǎn)其應(yīng)變變化情況相似。其中點(diǎn)4是頸縮區(qū)域的點(diǎn)，該區(qū)域進(jìn)入強(qiáng)化階段后其變形迅速增加。

圖2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線與對(duì)應(yīng)階段應(yīng)變云圖

圖3 間距7 mm等距點(diǎn)的變形

2.4 泊松比和斷裂延伸率的測量

相比于傳統(tǒng)的引伸計(jì)和應(yīng)變片，除了獲得材料的彈性模量和屈服極限，DIC技術(shù)還可以方便、快速地測量材料的泊松比[15]和斷裂延伸率。泊松比的定義是材料在單向受拉或受壓的彈性變形階段中，其橫向形變與縱向形變的比值：

傳統(tǒng)單個(gè)引伸計(jì)無法測定材料的泊松比。學(xué)生利用DIC技術(shù)，在軟件中同時(shí)構(gòu)造橫向和縱向引伸計(jì)可獲得橫向應(yīng)變和縱向應(yīng)變，并通過求取彈性階段2個(gè)方向應(yīng)變比值的平均值得到泊松比，計(jì)算結(jié)果見表1。

斷裂延伸率指在斷裂拉伸試驗(yàn)中，樣品斷裂時(shí)材料長度增加的百分比。傳統(tǒng)力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，試件斷裂前需提前摘除引伸計(jì)，無法記錄材料斷裂時(shí)應(yīng)變，只能測得斷后延伸率。而DIC作為非接觸式應(yīng)變測量技術(shù)，可以直接測量材料斷裂延伸率。實(shí)驗(yàn)中測得該試樣50 mm標(biāo)距的斷裂延伸率為31.16%。

表1 泊松比的測量結(jié)果

2.5 試樣熱量耗散情況

圖4分別記錄了試樣斷裂前表面的溫度分布情況和縱向應(yīng)變的分布情況?？梢杂^察到變形越劇烈的區(qū)域?qū)?yīng)的溫度值越高，且溫度分布與應(yīng)變分布有一定的相關(guān)性。這是由于材料在變形破壞的過程中會(huì)釋放熱量，在變形劇烈的區(qū)域，其表面微裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展或微裂紋顆粒之間的相互摩擦所產(chǎn)生的熱效應(yīng)越明顯[16]。圖5顯示試樣中心區(qū)域峰值溫度和截面平均應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線，可以看出在失效階段，材料表面有明顯的溫度躍升。學(xué)生了解到紅外熱像技術(shù)可以作為一種非接觸的無損檢測手段，通過監(jiān)測溫度的變化分析材料的損傷過程[17]。

圖4 帶孔試樣斷裂前（320 s）表面的溫度分布情況和縱向應(yīng)變的分布情況

圖5 孔邊峰值溫度和截面平均應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線

3 結(jié)語

我院在本科生材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中引入DIC技術(shù)和紅外熱像技術(shù)，獲得了以下成果：

（1）將科研技術(shù)和方法應(yīng)用于教學(xué)，更新完善傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富實(shí)用。除獲得應(yīng)力應(yīng)變曲線，還可進(jìn)行泊松比和斷裂延伸率測量、全場應(yīng)變觀察、材料流動(dòng)性分析和能量耗散情況觀察，多方位了解材料的變形過程。

（3）幫助學(xué)生了解掌握當(dāng)前力學(xué)和熱學(xué)領(lǐng)域的先進(jìn)測量手段，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神、科研意識(shí)、國際化視野的新工科人才。

未來考慮將DIC的測量結(jié)果與有限元軟件分析結(jié)果進(jìn)行全場應(yīng)變對(duì)比，形成仿真與實(shí)際的直觀對(duì)照，并探索測量圓柱形試樣頸縮區(qū)域橫截面的真實(shí)面積，從而得到真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

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Innovative project based on digital image correlation technology and infrared thermal imaging technology

LIANG Dong, LI Dan, XUE Fu, CHENG Siquan

(Pittsburgh Institute, Sichuan University, Chengdu 610207, China)

As the first Sino-US joint institute in Western China, in the tensile test of material mechanics, and through the introduction of digital image correlation (DIC) and infrared thermal imaging technology, the experimental contents including the stress-strain curve measurement, full-field strain measurement, material fluidity analysis, Poisson’s ratio measurement, fracture elongation measurement and heat dissipation observation are systematically developed. On the one hand, it overcomes the limitations of traditional contact measurement technology, innovates experimental teaching contents, helps students to understand and master advanced measurement methods in the field of mechanics and thermology. On the other hand, it is helpful for training new engineering talents with innovative spirit, scientific research consciousness and international vision.

digital image correlation technology; infrared thermal image technology; material mechanics; Sino-foreign cooperation in running schools

G642.0

A

1002-4956(2019)12-0232-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.055

2019-04-09

四川大學(xué)2017年創(chuàng)新創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（20171105）

梁棟（1990—），男，四川眉山，碩士，工程師，實(shí)驗(yàn)室主任，研究方向?yàn)楦邷睾辖馃釞C(jī)械性能。E-mail: dongliang@scu.edu.cn