基于數(shù)字圖像相關(guān)方法的L450管線鋼單軸拉伸變形研究

薛 河,張永剛,侯 成,王 帥,張雨彪,楊永杰

(1.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710054;2.西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049)

0 引言

結(jié)構(gòu)完整性分析是關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu)安全使用的重要保證之一，準(zhǔn)確測(cè)量實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中的材料力學(xué)參數(shù)是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)完整性的重要依據(jù)[1-4]。通常利用單軸拉伸試驗(yàn)來(lái)完成材料力學(xué)參數(shù)的獲取，其中應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確測(cè)量是獲取材料力學(xué)參數(shù)的關(guān)鍵，尤其在單軸拉伸試驗(yàn)的應(yīng)變測(cè)量方面。傳統(tǒng)測(cè)量應(yīng)變的方式有引伸計(jì)法、應(yīng)變片法等，但這些方法存在測(cè)量范圍有限、測(cè)量工具安裝誤差大、無(wú)法捕獲材料發(fā)生頸縮后的特征等局限性[5-7]。數(shù)字圖像相關(guān)(Digital Image Correlation，DIC)方法作為一種非接觸式高精度測(cè)量方式，基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)進(jìn)行圖像處理和數(shù)值計(jì)算，獲得不同尺度的全場(chǎng)變形和應(yīng)變場(chǎng)[8-9]，規(guī)避了傳統(tǒng)測(cè)量方式的大部分缺點(diǎn)，使拉伸試驗(yàn)最終獲取的材料力學(xué)性能更為精確。

DIC方法的首次提出是在20世紀(jì)80年代，被用作激光散斑計(jì)量中表面位移分量的測(cè)量[10-11]，基于數(shù)字成像和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字圖像技術(shù)已經(jīng)成熟并作為一種有效的參數(shù)測(cè)量方法。近年來(lái)，它被越來(lái)越多地應(yīng)用于研究材料試驗(yàn)的變形行為、殘余應(yīng)力和裂紋的擴(kuò)展等方面。李慶生等[12]通過DIC方法得到鋯鈦復(fù)合板焊接接頭各區(qū)域局部應(yīng)力-應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)焊接接頭彈性模量和屈服強(qiáng)度最高位置在焊縫區(qū)，母材處最低，在拉伸最后階段，試樣會(huì)在母材處發(fā)生斷裂。ZHU等[13]利用微型環(huán)芯切割和DIC方法研究了熱障涂層(TBC)中的殘余界面應(yīng)力。祝小龍等[14]通過 DIC方法測(cè)得27SiMn鋼板拉伸全應(yīng)力-應(yīng)變曲線及相關(guān)力學(xué)參數(shù)，并對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線、變形特征和破壞形態(tài)進(jìn)行了分析。YU等[15]對(duì)碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)層壓板、高強(qiáng)度鋼(HSS)板和安全帶(SAF)板材料鋼梁開裂的疲勞行為進(jìn)行了試驗(yàn)研究，采用DIC系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)裂紋前部附近的應(yīng)力應(yīng)變分布，得到了不同改造方案樣品的失效模式。付磊等[16]通過DIC方法測(cè)出了拼焊板拉伸過程中的應(yīng)力應(yīng)變值,并結(jié)合塑性力學(xué)理論推導(dǎo)了應(yīng)變硬化指數(shù)與主次應(yīng)變值的計(jì)算公式，求出焊縫區(qū)和兩個(gè)熱影響區(qū)的材料參數(shù)。曹廣龍等[17]通過DIC方法對(duì)鋁合金焊接接頭拉伸性能進(jìn)行了研究，得到焊接區(qū)在拉伸時(shí)的連續(xù)屈服強(qiáng)度曲線。

本文按照 GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》對(duì)石油天然氣管道用鋼L450管線鋼標(biāo)準(zhǔn)板狀拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。由于傳統(tǒng)引伸計(jì)得到的結(jié)果是整個(gè)標(biāo)距段上夾持部分的整體應(yīng)變變化情況，而應(yīng)變片獲取的是局部某一較小面積的應(yīng)變變化，應(yīng)變片與DIC方法在測(cè)量結(jié)果的表現(xiàn)方式上具有相似性，所以文中采用應(yīng)變片與DIC兩種方法來(lái)測(cè)量應(yīng)變，對(duì)比兩種方法在局部位置測(cè)試應(yīng)變的區(qū)別，并分別使用DIC和應(yīng)變片法測(cè)得的數(shù)據(jù)，利用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)單軸拉伸試驗(yàn)的過程進(jìn)行數(shù)值模擬。通過對(duì)比分析兩種測(cè)量結(jié)果，驗(yàn)證兩種方法的一致性與可靠性，為DIC方法在材料試驗(yàn)領(lǐng)域及彈塑性有限元分析中的應(yīng)用提供一定的參考。

1 物理試驗(yàn)

1.1 試樣制備

試樣采用3塊L450管線鋼薄板，L450鋼化學(xué)成分見表1，制備過程嚴(yán)格依照GB/T 3274—2017《碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼熱軋鋼板和鋼帶》，材料交付前經(jīng)退火、酸洗、及精整處理，采用線切割加工完成，其幾何形狀尺寸見圖1(a)。

表1 L450鋼主要化學(xué)成分

圖1 試樣形狀尺寸與應(yīng)變片位置示意

表2 BX120-3AA應(yīng)變片參數(shù)

試驗(yàn)中采用的應(yīng)變片為BX120-3AA的電阻式應(yīng)變片，粘貼位置見圖1(b)，應(yīng)變片具體參數(shù)見表2。

1.2 DIC方法測(cè)量原理

DIC方法是一種基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的圖像處理和數(shù)值計(jì)算的變形測(cè)量方法，將所拍攝的承載灰度信息的散斑圖像通過建立變形模型和應(yīng)用相關(guān)函數(shù)進(jìn)行匹配運(yùn)算，對(duì)變形前后的圖像像素進(jìn)行逐點(diǎn)匹配，得到被測(cè)表面的位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)信息。該方法不但具有非接觸、全場(chǎng)測(cè)量等光測(cè)方法的特性，而且具有對(duì)測(cè)試環(huán)境要求低、實(shí)施簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[18-24]。

1.3 試驗(yàn)過程

為了驗(yàn)證試驗(yàn)的可重復(fù)性，將試樣記為L(zhǎng)-01，L-02，L-03三組完成拉伸，該試驗(yàn)在MTS-LPS.105型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)拉力傳感器精度為0.01 kN。為獲得試樣的全過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，試驗(yàn)以位移控制方式進(jìn)行加載，通過應(yīng)變片和DIC兩種方式完成應(yīng)變測(cè)量，DIC方法拍攝的頻率為5 Hz，拉伸試驗(yàn)設(shè)備如圖2所示。為保證高分辨率照相機(jī)能清楚追蹤待測(cè)表面的獨(dú)特散斑圖像，在試樣裝夾前,表面要作噴涂啞光漆處理，噴涂時(shí)保證均勻、隨機(jī)、高對(duì)比度,以提高散斑質(zhì)量[25]，處理后試樣表面如圖3(b)所示。試驗(yàn)所用高速攝像機(jī)擺放位置與試樣正確夾持后中心位置平齊，散斑圖像顯示與存儲(chǔ)使用軟件Vic-2d，調(diào)整兩側(cè)冷光燈亮度，微調(diào)相機(jī)焦距，直至軟件界面顯示散斑畫面紫色為95%以上，試驗(yàn)開始前拍攝一張空載照片用于建立參考位置。試驗(yàn)前后的試樣如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備

(a)原始試樣

(b)帶散斑的斷后試樣

2 有限元仿真試驗(yàn)

2.1 材料模型與載荷模型

以板狀拉伸試樣為研究對(duì)象，采用有限元軟件ABAQUS對(duì)拉伸試驗(yàn)進(jìn)行仿真，繪制板狀試樣幾何模型，分別在試樣上設(shè)置左端固定與右端加載點(diǎn)，加載點(diǎn)與試樣上表面進(jìn)行了耦合，以保證加載條件與物理試驗(yàn)一致，通過模型右側(cè)加載點(diǎn)水平右移模擬試樣的拉伸過程，對(duì)試樣施加35 mm的水平位移值，以保證材料到達(dá)屈服狀態(tài)。數(shù)值模擬所需材料力學(xué)性能參數(shù)分別來(lái)自DIC與應(yīng)變片兩種方法測(cè)量數(shù)據(jù)。

2.2 網(wǎng)格模型

板狀試樣有限元網(wǎng)格模型如圖4所示。試樣標(biāo)距段網(wǎng)格采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，兩端均采用六面體網(wǎng)格掃略完成，由于試樣標(biāo)距段位置處會(huì)出現(xiàn)較大應(yīng)力梯度，所以對(duì)標(biāo)距段進(jìn)行適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格細(xì)化，以便獲得較為準(zhǔn)確的拉伸數(shù)據(jù)。網(wǎng)格過渡良好，無(wú)畸變存在，單元類型為8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元(C3D8)，網(wǎng)格單元總數(shù)為2 640。

圖4 有限元網(wǎng)格模型

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

因DIC方法拍攝的為整個(gè)試驗(yàn)進(jìn)程，頻率為5 Hz，拍攝全程圖片數(shù)量達(dá)上千張，為縮短處理時(shí)間，對(duì)散斑圖片間隔數(shù)量為100張等距提取，特別地，對(duì)屈服階段的照片進(jìn)行了間隔10張?zhí)崛?，更加明顯地表現(xiàn)屈服特征。將篩選出的照片重新排序、導(dǎo)入Gom correlate軟件進(jìn)行分析，選取與所貼應(yīng)變片位置基本一致的點(diǎn)獲取相應(yīng)的應(yīng)變信息，分析該位置整個(gè)拉伸試驗(yàn)過程的應(yīng)變變化情況。

3.1 物理試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

圖5示出了DIC方法測(cè)得3件試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，3條曲線變化趨勢(shì)基本一致，存在的差異可能來(lái)自試樣的加工誤差以及DIC方法數(shù)據(jù)提取位置的細(xì)微差距，且由于DIC方法提取的應(yīng)變值位于應(yīng)變片2所貼位置附近，與試樣發(fā)生頸縮的位置存在間距，所以該點(diǎn)在發(fā)生頸縮后的應(yīng)變變化較小。試驗(yàn)誤差在5%以內(nèi)，具有可重復(fù)性，所以只選取其中一個(gè)試樣作為分析對(duì)象。

圖5 DIC方法所測(cè)3件試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

將試樣L-02由應(yīng)變片測(cè)得的數(shù)據(jù)處理后得到的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線和DIC方法測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示?？梢钥闯觯瑑煞N方法曲線的彈性階段和屈服平臺(tái)變化趨勢(shì)基本一致，應(yīng)變片與DIC方法測(cè)出的屈服點(diǎn)幾乎重合，屈服應(yīng)力都在383 MPa左右。造成4片應(yīng)變片結(jié)果存在微小差異的原因，可能是應(yīng)變片粘貼過程中存在的氣泡和機(jī)器抖動(dòng)等影響了測(cè)量精度[26]。結(jié)果表明，在應(yīng)變片有效的測(cè)試范圍內(nèi)，兩種結(jié)果可以很好地吻合，說明了DIC方法在應(yīng)變片有效量程內(nèi)獲取的材料力學(xué)性能參數(shù)具有一定的可靠性。

圖6 試樣L-02應(yīng)變片與DIC方法對(duì)比曲線

3.2 數(shù)值模擬試驗(yàn)與物理試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

由于應(yīng)變片測(cè)量結(jié)果表現(xiàn)趨同，選取其中一組數(shù)據(jù)作為ABAQUS模擬中的材料參數(shù)，對(duì)單軸拉伸試驗(yàn)進(jìn)行仿真，得到試樣標(biāo)距段真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線與DIC方法對(duì)應(yīng)的ABAQUS模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。由于應(yīng)變片測(cè)量數(shù)據(jù)的局限性，其相應(yīng)的模擬結(jié)果在塑性階段的應(yīng)力表現(xiàn)為定值，與DIC方法相差較大，可以得出應(yīng)變片測(cè)量的數(shù)據(jù)作為彈塑性有限元模擬中的材料參數(shù)時(shí)，對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬試驗(yàn)無(wú)法反映單軸拉伸試驗(yàn)的全過程；圖中DIC方法與其對(duì)應(yīng)的有限元仿真應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾乎全程重合，這證明了所建有限元模型的正確性，與物理試驗(yàn)進(jìn)行了相互驗(yàn)證。仿真結(jié)果在屈服階段至硬化階段的過渡略平緩于DIC方法實(shí)測(cè)結(jié)果，造成這種結(jié)果的原因可能是加工工藝導(dǎo)致試樣的實(shí)際尺寸參數(shù)與有限元模擬中使用的參數(shù)存在微小差異。

圖7 有限元仿真與DIC方法試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖8示出不同時(shí)刻試樣L-02標(biāo)距段的應(yīng)變?cè)茍D，3組云圖對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)進(jìn)程時(shí)刻位置見圖7。將每組有限元結(jié)果和DIC方法結(jié)果的應(yīng)變?cè)茍D顏色與刻度值調(diào)至相同，在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下比較，再結(jié)合圖3(b)中試樣斷裂后的照片，發(fā)現(xiàn)試樣在試驗(yàn)前中期，即時(shí)刻①和②標(biāo)距段內(nèi)應(yīng)變均勻分布，無(wú)明顯外部變形，隨著試驗(yàn)的不斷推進(jìn)，應(yīng)變呈現(xiàn)向加載端集中的趨勢(shì)(見圖8(c))，并且發(fā)生頸縮，直至試樣斷裂。時(shí)刻③中兩種方法存在的偏差可能是由于試樣在實(shí)際加工過程中存在尺寸誤差和材料內(nèi)部初始孔洞缺陷，應(yīng)力集中造成頸縮階段試驗(yàn)(DIC)結(jié)果應(yīng)變變化集中在較小的區(qū)域內(nèi)，而有限元計(jì)算過程中認(rèn)為材料是均勻且連續(xù)的，模擬得到的頸縮是由于局部網(wǎng)格變形產(chǎn)生的，兩種方法產(chǎn)生頸縮的機(jī)理不一致；此外，試驗(yàn)過程中DIC方法拍攝的圖片與ABAQUS每一步分析步對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)進(jìn)程可能存在微小誤差，兩個(gè)原因疊加造成了時(shí)刻③中試樣在發(fā)生頸縮后數(shù)值模擬與DIC方法應(yīng)變大小存在的差異。通過不同時(shí)刻的應(yīng)變?cè)茍D對(duì)比，觀察到DIC與有限元兩種方法獲得的整體應(yīng)變分布比較契合，說明DIC方法在實(shí)現(xiàn)拉伸試驗(yàn)全程應(yīng)變測(cè)量方面具有一定的可靠性。

(a)時(shí)刻①

(b)時(shí)刻②

(c)時(shí)刻③

4 結(jié)論

(1)在材料變形較大的試驗(yàn)中，使用DIC方法進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量能夠在保證精度的前提下實(shí)現(xiàn)更大范圍的應(yīng)變測(cè)試，從而為彈塑性有限元模擬提供更為完整的材料力學(xué)參數(shù)。

(2)通過DIC方法與數(shù)值模擬可以獲得L450管線鋼單軸拉伸試驗(yàn)中應(yīng)變分布變化的完整過程，兩種方法得到的應(yīng)變變化趨勢(shì)在試樣發(fā)生頸縮前基本一致，頸縮后的數(shù)值模擬在頸縮位置附近得到的應(yīng)變略大于DIC方法測(cè)量的應(yīng)變。

(3)通過數(shù)值模擬獲取L450管線鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線與基于DIC方法得到單軸拉伸試驗(yàn)的結(jié)果一致，為DIC方法在單軸拉伸試驗(yàn)中應(yīng)用的可靠性提供參考。