DIC測試設備應用于拉伸試驗的可靠性分析

彭奕涵 孫新楊

摘 要：DIC測試方法以其諸多的優點廣泛應用于材料的力學性能表征方面。本文為了分析該設備的可靠性，完成了復合材料層合板、編織材料和45號鋼的拉伸試驗，將DIC設備測定的數據與應變片和引伸計的測定數據比較，結果表明：DIC的測試結果具有較高的精度，而且具有引伸計和應變片所不具備的優勢。

關鍵詞：數字圖像相關技術；拉伸試驗；應變片；引伸計

中圖分類號：TH873.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）08-0064-03

數字圖像相關（Digital Image Correlation， DIC）技術是一種非接觸式現代光學測量實驗技術，由于具有光路簡單、環境適應性好、測量范圍廣以及自動化程度高等諸多優點，已經被廣泛應用于工程領域[1]。目前在材料研究的許多方面特別是力學性能表征方面得到了越來越廣泛的應用。DIC方法的基本原理是通過跟蹤物體表面變形前后散斑圖像中同一像素點的位置來獲得該像素點的位移向量，從而得到試件表面的全場位移[2]。DIC測量系統一般由照明光源、圖像采集卡、CCD攝像機及計算機組成。在材料研究方面應用最廣泛也最成熟的就是通過DIC技術代替應變片或引伸計來測量試樣在拉伸中的應變。

本文為了分析DIC測試設備的可靠性，通過不同材質的試件，利用DIC測試設備、應變片和引伸計進行了拉伸試驗。試驗結果表明：利用DIC設備測定的應變數據穩定、準確。

1 試樣

試樣包括：復合材料層合板，鋪層角度分別為0°、±45°、90°，共2個試樣；編織材料，共3個試樣；45號鋼，1個試樣。試樣尺寸為250mm*15mm*8mm。

2 試驗方法

試驗設備包括MTS-370-25疲勞試驗機、DEEP補光燈、高速攝像機、應變儀、引伸計。

復合材料層合板的試樣，在背面沿中軸線粘貼了兩組位置對稱的應變片，測量軸向應變，正面噴涂散斑，如圖1所示。試驗加載速率為1mm/min。第1個試樣加載到相對位移1.5mm后卸載（試驗編號為0101），再加載到相對位移1mm后卸載（試驗編號為0102）；第2個試樣加載到相對位移1mm后卸載（試驗編號為0201），再加載至斷裂（試驗編號為0202）。共進行了四組靜態拉伸試驗。

編織材料的試樣，在中央選取對稱的四個點，選取其中三個粘貼應變片，測量軸向應變，另一個噴涂散斑，如圖2所示。試驗加載速率為0.5mm/min。第1，2個試樣加載的相對位移為1mm，第3個試樣加載至斷裂。共進行了三組靜態拉伸試驗。

45號鋼為各向同性材料，在試件正面中心位置噴涂散斑，散斑上下對稱位置和背面中心粘貼應變片，測量軸向應變。同時采用引伸計，完成一組靜態拉伸試驗。試驗加載速率為0.5mm/min，加載的相對位移為0.5mm。

3 試驗結果及分析

3.1 復合材料層合板

復合材料層合板2個試樣共完成4組拉伸試驗。0102試驗的應力-應變曲線如圖3所示。圖中CH1和CH2為應變片測量的數據，R0和R1為DIC測量的數據（數據點的位置與應變片粘貼位置一致）。兩種測量方法的誤差如圖4所示。所有試驗的兩種測量方法的誤差列于表1。

試驗初始階段，DIC與應變儀的數據有較大誤差，這是由于DIC的分辨率為50個微應變，在試件應變不大的情況下，會有較大影響。但是隨著載荷的上升，應變逐漸增加，經DIC采集的圖像分析所得的數據和應變儀所采集的數據擬合度較好，誤差在5%-10%。DIC的圖像相較于應變片采集的圖像有抖動是由于分析圖片信息時選取的是一個區域進行分析，計算這一區域的平均應變，如果區域選擇較大，就能得到平滑的直線。

觀察表1可以發現：對于第2個試樣，應變片粘貼位置2兩種測試手段的誤差較大，可能的原因是應變片粘貼有偏角，應變片粘貼不牢固等。

3.2 編織材料

編織材料3個試樣共完成3組拉伸試驗。第1個試樣的應力-應變曲線如圖5所示，圖中CH1，CH2和CH3為應變片測量的數據，R0為DIC測量的數據。兩種測試手段的測量誤差如圖6所示。

三組實驗數據當中，應變儀采集的應變和DIC設備自帶軟件計算出的應變數值總體趨勢一致，曲線平滑，誤差均在5-8%。誤差原因可能是由于貼片位置造成的，試件邊緣應力分布不均一，同時也還有可能是由于編織材料本身的特性，材料性能分散性較大。

3.3 45號鋼

45號鋼1個試樣共完成1組拉伸試驗，該試驗增加了引伸計的測試方法。圖7為應力應變曲線，圖8為三種測試方法的測量誤差。觀察圖8發現：DIC和應變儀與引伸計的誤差均在5%以內。

4 結語

（1）由于應變片采集的只是點應變，而DIC采集的是場應變，因此DIC比應變儀具有更為廣泛的實用性。

（2）在靜態拉伸試驗中，試樣在接近強度極限時會有較大應變，這時應變片可能已經破壞，無法記錄數據，但是只要試樣表面散斑未發生剝脫，DIC就能進行數據采集處理。

（3）將應變儀、引伸計和DIC技術采集的應變進行比較分析，可以看出，DIC的計算結果具有較高的精度，且能同時采集某一點或者某一區域的各個方向的位移和應變，這是引伸計和應變儀所不具有的優勢。

參考文獻

[1]Hubert Schreier， Jean-JoséOrteu， Michael A.Sutton. Image Correlation for Shape，Motion and Deformation Measurements[M].Boston：Springer，2009：1-2.

[2]劉小勇.數字圖像相關方法及其在材料力學性能測試中的應用[D].吉林大學博士學位論文，2012：2-5.