基于數字圖像相關技術和紅外熱像技術的創新實驗項目

梁 棟，李 賧，薛 孚，程嗣權

基于數字圖像相關技術和紅外熱像技術的創新實驗項目

梁 棟，李 賧，薛 孚，程嗣權

（四川大學 匹茲堡學院，四川 成都 610207）

作為西部首所中美聯合辦學機構的四川大學匹茲堡學院，在材料力學平板拉伸實驗中，通過引入數字圖像相關（digital image correlation，DIC）技術以及紅外熱像技術，成體系地開發出包含應力應變曲線測量、全場應變測量、材料流動性分析、泊松比測量、斷裂延伸率測量和熱量耗散觀察等實驗內容。一方面克服傳統接觸式測量技術的局限性，革新實驗教學內容，幫助學生了解掌握力學和熱學領域的先進測量手段；另一方面有助于培養具有創新精神、科研意識、國際化視野的新工科人才。

數字圖像相關技術；紅外熱像技術；材料力學；中外合作辦學

在高校材料力學教學實驗中，材料的應變測量是一個重要的實驗對象。然而在傳統的力學實驗中，材料的應變測量通常采用夾持引伸計或粘貼電子應變片等方式進行測量。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位移,無法獲得材料變形過程的全場應變數據；引伸計受標距范圍限制，無法測量尺寸過大或過小的試件；試件斷裂時會對引伸計造成剛性沖擊，無法用來測量斷裂時的應變數據。

近年來，隨著光學測量技術的發展，進一步拓寬了材料應變測量的方法。特別是具有非接觸性測量、全場應變測量和適用范圍廣等優點的數字圖像相關（digital image correlation，DIC）技術，已廣泛應用于物體位移場、動靜態變形場、沖擊振動測量等領域[2]。目前，在材料力學實驗中開始出現DIC技術的應用案例：將DIC技術應用于研究生的高等實驗力學實驗，觀測圓孔周圍的應力集中現象；在材料力學實驗中引入DIC技術對集中載荷作用下懸臂梁的撓度進行了測定；應用DIC技術開發出測量梁截面的彎曲正應變分布和試件的彈性模量的教學實驗[6-8]。與此同時，紅外熱像技術作為有效的非接觸測溫手段，也逐漸應用于專業實驗教學課程[9]。

我校匹茲堡學院充分融合四川大學和美國匹茲堡大學的優勢教學資源，基于DIC技術和紅外熱像技術開發出適合本科生的教學內容，將科研技術和方法融入教學。首先為驗證DIC技術的準確性，對比了傳統引伸計與DIC技術測量的實驗結果。然后在了解DIC技術和紅外熱像原理的基礎上，學生進行了包含3大模塊的材料力學實驗：

（1）利用DIC技術測量試樣在整個拉伸變形過程的全場應變，并觀察不同位置的材料流動情況。

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

（3）利用DIC技術和紅外熱像技術，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性。

1 實驗概況

1.1 技術原理

DIC技術是通過跟蹤（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[12]。其關鍵技術主要是雙目立體視覺原理與數字圖像相關匹配技術[13]。紅外熱像技術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換為形象直觀的熱圖像[14]。本實驗采用的是德國GOM公司ARAMIS DIC測量系統和美國FLIR公司的T630s紅外熱像儀。

1.2 實驗試樣

實驗試樣為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射率。

1.3 實驗參數

拉伸試驗在力學試驗機（萬測ETM105D）上進行。實驗所得載荷數據由試驗機自帶傳感器記錄，應變數據通過引伸計（MP3542-50）與DIC系統獲得。實驗前使用GWB-200JA引伸計標定儀對引伸計進行標定，紅外熱像儀發射率設置為0.95。

在驗證DIC測量精度的實驗中，試驗機加載速率為2 mm/min，DIC拍攝頻率為5 Hz，當試樣縱向變形達到2 mm時，停止試驗，以保護引伸計。在教學實例中，試驗機加載速率為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驗。

2 實驗結果及分析

2.1 DIC技術的測量精度

圖1對引伸計和DIC系統獲得的應變結果進行了線性擬合，其中DIC所測應變是通過在軟件中構造相同標距的虛擬引伸計測量得到。擬合方程為：

= 1.028+ 0.01467 （1）

圖1 DIC與引申計測量結果擬合圖

擬合結果表明2種方法獲得的數據有很好的一致性，應變測量結果差別穩定在2.8%以內，說明該DIC系統有很高的測量精度。

2.2 應力-應變曲線和典型應變云圖分析

此環節中，學生利用DIC技術獲得材料整個變形過程中的應力-應變曲線和典型階段的應變云圖，如圖2所示。圖中從左至右依次是：

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

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

（3）強化階段的應變云圖。試樣所受應力隨應變繼續增大直到材料強度極限，試樣表面應變從兩端到中間逐漸增大，中間出現明顯的應變集中現象。

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

2.3 材料流動量化分析

為進一步觀察實驗中不同位置材料的流動情況，學生利用DIC系統在試樣縱向取間隔距離為7 mm的等距點。圖3顯示試樣表面各等距點在不同時間下的應變數據，從數據中可以看出在整個彈性階段和塑性階段前期，所有等距點的應變情況基本一致。在強化階段后期（200 s以后），試樣上各等距點的應變逐漸離散，從點4往兩側應變數值逐漸減小，且以點4為中心對稱的點其應變變化情況相似。其中點4是頸縮區域的點，該區域進入強化階段后其變形迅速增加。

圖2 應力-應變曲線與對應階段應變云圖

圖3 間距7 mm等距點的變形

2.4 泊松比和斷裂延伸率的測量

相比于傳統的引伸計和應變片，除了獲得材料的彈性模量和屈服極限，DIC技術還可以方便、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：

傳統單個引伸計無法測定材料的泊松比。學生利用DIC技術，在軟件中同時構造橫向和縱向引伸計可獲得橫向應變和縱向應變，并通過求取彈性階段2個方向應變比值的平均值得到泊松比，計算結果見表1。

斷裂延伸率指在斷裂拉伸試驗中，樣品斷裂時材料長度增加的百分比。傳統力學教學實驗中，試件斷裂前需提前摘除引伸計，無法記錄材料斷裂時應變，只能測得斷后延伸率。而DIC作為非接觸式應變測量技術，可以直接測量材料斷裂延伸率。實驗中測得該試樣50 mm標距的斷裂延伸率為31.16%。

表1 泊松比的測量結果

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變的分布情況。可以觀察到變形越劇烈的區域對應的溫度值越高，且溫度分布與應變分布有一定的相關性。這是由于材料在變形破壞的過程中會釋放熱量，在變形劇烈的區域，其表面微裂紋產生、擴展或微裂紋顆粒之間的相互摩擦所產生的熱效應越明顯[16]。圖5顯示試樣中心區域峰值溫度和截面平均應力隨時間的變化曲線，可以看出在失效階段，材料表面有明顯的溫度躍升。學生了解到紅外熱像技術可以作為一種非接觸的無損檢測手段，通過監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變的分布情況

圖5 孔邊峰值溫度和截面平均應力隨時間的變化曲線

3 結語

我院在本科生材料力學實驗中引入DIC技術和紅外熱像技術，獲得了以下成果：

（1）將科研技術和方法應用于教學，更新完善傳統的教學實驗內容。

（2）實驗內容豐富實用。除獲得應力應變曲線，還可進行泊松比和斷裂延伸率測量、全場應變觀察、材料流動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）幫助學生了解掌握當前力學和熱學領域的先進測量手段，培養具有創新精神、科研意識、國際化視野的新工科人才。

未來考慮將DIC的測量結果與有限元軟件分析結果進行全場應變對比，形成仿真與實際的直觀對照，并探索測量圓柱形試樣頸縮區域橫截面的真實面積，從而得到真實應力-應變曲線。

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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2017年創新創意實驗項目（20171105）

梁棟（1990—），男，四川眉山，碩士，工程師，實驗室主任，研究方向為高溫合金熱機械性能。E-mail: dongliang@scu.edu.cn