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基于DIC的q235拉伸试验研究.pdf
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1、设备管理与维修2023 翼8(下)0引言拉伸试验在研究材料力学性能方面有着重要作用,力学变形的测量方式有接触式测量和非接触式测量。接触式测量是传统的测量方法,通过探测头与试样接触来获取位移数据,此方法简单实用,但是有较为复杂的安装环节,且直接接触会在一定程度上会干扰测量结果,测量范围有很大的局限。顾名思义,非接触式测量法不与试样接触,通过光学原理进行测量,如散斑干涉技术、DIC(Digital Image Correlation,数字图像相关)技术、视频引伸计技术等。非接触测量可以全场检测,还有精度高、无接触无损伤测量、测量速度快等特点,其中 DIC 对光源的要求不高,测量简单方便且可以得到瞬
2、时变形场数据,满足拉伸试验测量要求,DIC 方法在测量物体表面方面具有巨大优势1-4。自 20 世纪 80 年代 Peters5等提出 DIC 方法以来,DIC 技术经国内外学者研究取得飞速发展,理论相对成熟,获得学术界的认可。但由于国内没有较成熟的 DIC 软硬件制造商,这导致引进DIC 测量系统的经济成本较高。实验室为了在拉伸试验中应用DIC 技术,在软硬件方面进行平替。以 q235 低碳钢材料为对象进行拉伸实验,通过 Matlab 自编程对采集到的图像进行处理,并将数据与 VIC-2D 的数据进行对比来验证方法的可行性,期望在达到预期实验效果的前提下能尽可能降低实验成本。1DIC 原理作
3、为一种高效的平面测量技术,DIC 在力学领域已经有了广泛应用,其原理是对比变化前后的幅数字图像,计算区域相关性,找到最大相关区域,以得到应变信息。对变化前后散斑图像的各个像素点进行相关运算,便可得出被测试样表面的全场位移、全场应变等信息6-8。需要注意的是,DIC 的散点作用与有限元中的节点作用并不相同,如果用有限元的思想来理解 DIC 法就会出现误解,无法理解散点随机分布的含义。有限元法中节点连接单元,通过节点的位移来得到形变信息,而 DIC 中的散点与节点的意义不同,散点随机分布,并不代表某一个单元。散点的存在类似标记,是为了更好地进行区域相似性追踪的一种手段。散点的随机性越高,区域相似性
4、追踪则越准确。1.1一阶常应变位移模型为了对参考区域内的像素点的平移、旋转以及剪切和伸缩变化情况进行表示,需要建立一个应变位移模型(图 1):假设变形前后散斑图像中子区域的中心点分别是 P(x,y)和 P忆(x忆,y忆),在水平和竖直方向上的位移量分别是 u、v,设 A(xa,ya)是变形前子集中的任意一个点,驻x、驻y表示点A 与点P在 X、Y 方向上的距离。假设变形后 A 点移动到 A忆(xa忆,ya忆),位移为 ua、va,将 ua、va用点 P的位置和位移的一阶导数来近似表示,经推导最终可以得到式(1):xa忆=xa+u+鄣u鄣x驻x+鄣u鄣y驻yya忆=ya+v+鄣v鄣x驻x+鄣v鄣
5、y驻y扇墒设设设设设缮设设设设设(1)1.2互相关函数互相关函数将最终参考子集点处的灰度值与最终当前子集点处的灰度值进行比较,从而度量最终参考子集和最终当前子集的相关性。按照各个相关准则的数学概念,大致包括以下 3 种类别,即互相关(CC)、差平方和(SSD)、参数差平方和(PSSD)9,在模拟中发现三者效果相差不大,但 PSSD 准则相对来说计算效率更高,采用广义 PSSDab 系数,其考虑两个未知参数 a 和b 来考虑目标子集强度的偏移量和尺寸变化,该系数为:CPSSDab=ni=1移af(xi,yi)+b-g(xi忆,yi忆)2(2)摘要:DIC 作为非接触式测量技术近年来发展迅速,在研
6、究材料表面应变方面比传统的接触式测量具有显著优势。运用 DIC 原理针对拉伸实验开发软件,以 q235 低碳钢为实验材料进行拉伸实验,用该软件进行数据处理,将计算结果对比 VIC-2D 软件的计算结果,验证材料的力学性能及 DIC 方法的可靠性。并针对实验对象的特点对实验软硬件进行合理平替,在达到预期实验效果的前提下降低实验成本。关键词:DIC;拉伸试验;降低成本中图分类号:TP391.4文献标识码:BDOI:10.16621/ki.issn1001-0599.2023.08D.30基于 DIC 的 q235 拉伸试验研究熊浩,秦襄培,徐瑞,张毅恒(武汉工程大学,湖北武汉430205)图 1应
7、变位移模型輪輱设备管理与维修2023 翼8(下)其中,f(xi,yi)、g(xi忆,yi忆)分别代表参考子集中和目标子集第 i个像素的灰度值。1.3爬山搜索法爬山搜索法是在确定起始点之后,沿着相关系数增长最大的方向去搜索相关性最大的区域,先计算出当前子区域中心点的相关系数值,然后找出其邻点中相关系数增长最大的点,并将该点作为新的子区中点,依次计算搜索方位上的每一点的相关系数值,直到相关系数的大小超过当前点时,则以该点方向上的下一个点为当前点继续沿着该方向向前搜索;若相关系数的值低于当前点,则以其相邻点的方向继续寻找,直到找出下一个方向上的点的相关系数值大于当前点为止。重复这个搜索过程,当计算得
8、出的每个方向上的点的相关系数值均小于或等于当前点,则该点即是相关系数最大的点。由于收集到的散斑图像中可能存在噪声的影响,因此该搜索方法计算得到的相关区域可能不止一个,假设爬山算法的起始点不在主峰区域,则所求结果为局部最优解。2应力拉伸实验2.1实验过程研究低碳钢的力学性能时一般采用常温静载拉伸实验,实验选用十倍长径比的 q235 低碳钢棒作为实验材料,用黑白哑光漆制作散斑在一定程度上改善反光情况。利用 MTS Landmark电液伺服测试系统配合液压动力装置(HPU)以及 647.10A 液压助力楔形夹具,以大小为 10 kN、频率为 10 Hz 的力对试样进行拉伸实验。以白光作为光源,采用焦
9、距为 35 mm,光圈范围为1.916,滤镜尺寸为 M30.5伊0.5 的工业相机拍摄散斑图序列。以500 滋s 每张的速率采集图像,试样拉断时停止采集,共采集到1104 张散斑图像。将 MTS 试验机采集到的数据绘成力与时间的曲线,可以直观地观察到材料拉伸经历的 4 个阶段,分别是弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、局部变形阶段。由于不同阶段的不同应力应变特点,可以根据应力随时间变化曲线图分出各阶段区间。从第 1 张到第 18 张散斑图是弹性阶段,应力应变成正比;在第 18 张散斑图应力达到一个峰值,表明试样此时达到上屈服极限,随后应力下降,在第 50 张散斑图时达到下屈服极限;在散斑图 1408
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