劉海淙１,李湘萍２
(１．廈門航空有限公司飛機(jī)維修工程部,廈門３６１００６;
２．中國民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院,天津３００３００)
摘 要:建立了基于三維數(shù)字圖像相關(guān)(３DＧDIC)的非接觸光學(xué)測(cè)試系統(tǒng),對(duì)２A１２鋁合金彈性
常數(shù)進(jìn)行了測(cè)試,在此基礎(chǔ)上分析了DIC子區(qū)和步長的大小對(duì)材料彈性常數(shù)測(cè)試結(jié)果的影響,并
探討了２A１２鋁合金在拉伸載荷作用下的變形演化規(guī)律.結(jié)果表明:３組２A１２鋁合金試樣測(cè)得的
彈性模量和泊松比分別為６６．３２,６７．５１,６３．０８GPa和０．３３３,０．３３６,０．３４７;改變子區(qū)大小將引起圖
像噪音的變化,對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響較改變步長的影響更為明顯,步長則主要作用于DIC算法的運(yùn)
行時(shí)間;２A１２鋁合金試樣在整個(gè)拉伸過程中依次經(jīng)過彈性變形、均勻塑性流動(dòng)以及應(yīng)變局部化三
個(gè)階段后發(fā)生斷裂.
關(guān)鍵詞:２A１２鋁合金;彈性常數(shù);數(shù)字圖像相關(guān);子區(qū);步長;靈敏度分析
中圖分類號(hào):O３４８．１;TG１４６．２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)０８Ｇ０５５７Ｇ０６
DigitalImageCorrelationTestMethodandItsParameterSensitivityAnalysisforElasticConstantsof２A１２Aluminum Alloy
LIUHaicong１,LIXiangping２
(１．AircraftMaintenanceEngineeringDepartment,XiamenAirlines,Xiamen３６１００６,China;
２．SinoＧEuropeanInstituteofAviationEngineering,CivilAviationUniversityofChina,Tianjin３００３００,China)
Abstract:NonＧcontactopticalmeasurementsystem basedonthreeＧdimensionaldigitalimagecorrelation
(３DＧDIC)wasestablishedtotesttheelasticconstantsof２A１２aluminumalloy．TheeffectsofdifferentsizesofDIC
parameters,i．e．subsetsizeandstepsize,ontheelasticconstanttestresultsofthematerialwereinvestigated,and
thedeformationevolutionlawof２A１２aluminumalloyundertheactionoftensileloadwasalsodiscussed．The
resultsshowthattheelasticmodulusandPoissonratioofthreegroupsof２A１２aluminumalloyspecimenswere
６６．３２,６７．５１,６３．０８GPaand０．３３３,０．３３６,０．３４７,respectively．Changingthesubsetsizecausedthechangeof
imagenoise,subsetsizehadmoreinfluenceonthetestresultscomparedtostepsize,andstepsizemainlycontrolled
thecomputationaltimeofDICalgorithm．The２A１２aluminumalloyspecimenfracturedafterthreestagesofelastic
deformation,uniformplasticflowandstrainlocalization．
Keywords:２A１２ aluminum alloy;elasticconstant;digitalimagecorrelation;subsetsize;stepsize;sensitivityanalysis
數(shù)字圖像相關(guān)(DigitalImage Correlation,DIC)技術(shù)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的一種圖像測(cè)量方法,它將物體表面隨機(jī)分布的散斑作為變形信息的載體,可用于測(cè)量材料或結(jié)構(gòu)件受外載荷作用下的全場(chǎng)位移和應(yīng)變分布[１].由于該方法擁有試驗(yàn)光路簡(jiǎn)單、精度高、普適性強(qiáng)、受環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn),已應(yīng)用于結(jié)構(gòu)變形破壞檢測(cè)[２]、生物工程[３]、航空航天[４]等許多工程技術(shù)領(lǐng)域.其中,將DIC技術(shù)用于材料宏、微觀力學(xué)性能的測(cè)試是其應(yīng)用的一個(gè)重要方向[５Ｇ６].白曉虹[７]運(yùn)用二維數(shù)字圖像相關(guān)(TwoＧDimensionalDIC,２DＧDIC)技術(shù),以DP５９０雙相鋼和３０４不銹鋼為試驗(yàn)材料,測(cè)得各自的塑性應(yīng)變比r 值以及全場(chǎng)r 值分布;胡斌等人[８]通過在圓柱體橡膠試樣單軸壓縮試驗(yàn)中采集變形圖像,得到小應(yīng)變范圍內(nèi)橡膠的應(yīng)力Ｇ應(yīng)變曲線,計(jì)算出材料的彈性模量.ZHU 等人[９]利用三維數(shù)字圖像相(ThreeDimensionalDIC,３DＧDIC)測(cè)試系統(tǒng)并搭載電子萬能試驗(yàn)機(jī),研究了低碳鋼棒材在拉伸載荷作用下的全場(chǎng)塑性變形演化過程,并通過３DＧDIC 還原的試樣三維形貌獲得了瞬時(shí)凈截面積,進(jìn)而繪制出了材料的真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線.
２A１２鋁合金具有高強(qiáng)度、高韌性和可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化等優(yōu)良性能,成為了航空工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的鋁合金之一[１０Ｇ１１].目前,對(duì)該材料拉伸彈性常數(shù)的測(cè)試研究多數(shù)采用接觸式的測(cè)試方法,例如采用引伸計(jì)和電阻式應(yīng)變片,獲得標(biāo)距段的平均工程應(yīng)變或某些離散位置的點(diǎn)應(yīng)變.傳統(tǒng)測(cè)試手段具有以下兩點(diǎn)不足:①應(yīng)變片一般只滿足單點(diǎn)、單向測(cè)量,難以追蹤試樣在整個(gè)拉伸過程中的變形情況,以及材料在非均勻變化出現(xiàn)后的應(yīng)變局部化現(xiàn)象;②引伸計(jì)有易打滑、
易損傷試件以及自重和夾持力會(huì)引起試件附加變形等缺點(diǎn)[１２],給材料應(yīng)變測(cè)量帶來一定的誤差.筆者利用先進(jìn)的DIC 光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)和分析軟件,對(duì)２A１２鋁合金在單軸拉伸載荷作用下的全場(chǎng)縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量,通過擬合相關(guān)曲線獲得材料的彈性模量及泊松比;在此基礎(chǔ)上,圍繞DIC算法運(yùn)行過程所涉及的兩個(gè)重要參數(shù)子區(qū)和步長,對(duì)其不同尺寸對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響開展了靈敏度分析,為其合理取值提供參考;最后利用DIC全場(chǎng)測(cè)量的優(yōu)越性,對(duì)試樣表面隨拉伸過程的變形演化規(guī)律進(jìn)行了探討.
１ 數(shù)字圖像相關(guān)法及其關(guān)鍵參數(shù)
圖１為利用３DＧDIC技術(shù)測(cè)量試樣表面三維位移的示意圖.首先在左相機(jī)拍攝的參考圖像中確定分析區(qū)域(AreaofInterest,AOI).由于單一像素點(diǎn)的灰度值不具有唯一性,通常不可能在變形圖像
中識(shí)別出與參考圖像相同的單個(gè)像素點(diǎn)[１３].因此,
為了精確辨識(shí)測(cè)試點(diǎn)P(x０,y０,z０)的空間位置,軟
件建立了一個(gè)以該點(diǎn)為中心并包含(２M ＋１)×
(２M ＋１)像素的正方形子區(qū)(Subset),通過相關(guān)性