利用等強(qiáng)梁裝置驗(yàn)證非接觸應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)精度的試驗(yàn)研究

靳紅澤，孔垂雨，郭寧泊

(水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，鄭州 450044)

利用等強(qiáng)梁裝置驗(yàn)證非接觸應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)精度的試驗(yàn)研究

靳紅澤，孔垂雨，郭寧泊

(水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，鄭州 450044)

采用非接觸應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)在自制的等強(qiáng)梁裝置上測(cè)量全場(chǎng)應(yīng)變，與計(jì)算值進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證非接觸應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)變測(cè)試精度。試驗(yàn)表明，非接觸應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)可準(zhǔn)確測(cè)試等強(qiáng)梁應(yīng)變。

非接觸應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)；等強(qiáng)梁；應(yīng)變

0 引言

非接觸應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)是采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(DIC)進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試的方法，是一種非接觸式應(yīng)變測(cè)試方法。與傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片電測(cè)法相比，DIC具有被測(cè)區(qū)域范圍大、可測(cè)應(yīng)變量范圍大、可進(jìn)行全場(chǎng)測(cè)試、能直觀動(dòng)態(tài)反映應(yīng)變變化過(guò)程的特點(diǎn)；同時(shí)，由于是非接觸式的測(cè)量方法，還可以測(cè)量高溫、低溫等特殊條件下的材料變形過(guò)程。

1 數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)原理及處理

數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量方法是20世紀(jì)80年代由美國(guó)南卡羅萊納大學(xué)的W H Peters和W F Ranson以及日本I Yamaguchi等人同時(shí)提出的[1]，測(cè)試基本原理是利用DIC分析被測(cè)物體表面的散斑點(diǎn)在發(fā)生變形前后的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)散斑圖像中相同形狀散斑點(diǎn)的位置來(lái)獲取被測(cè)物體表面位移矢量。測(cè)量時(shí)，用數(shù)字相機(jī)拍攝物體變形過(guò)程中的表面散斑圖像，變形前的圖像作為參考圖像。將參考圖像上的計(jì)算區(qū)域劃分為一定數(shù)量的虛擬網(wǎng)格，比對(duì)變形前后的圖像，通過(guò)計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格在三維方向的位移來(lái)獲得全場(chǎng)位移信息。數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)比對(duì)的是被測(cè)物體表面散斑圖像的灰度特征，在灰階圖像上，每一像素依亮暗的不同，分成0～255的數(shù)值。分析時(shí)，在參考圖像內(nèi)選取包含一些散斑特征的子網(wǎng)格，在變形后的圖像中找出對(duì)應(yīng)的子網(wǎng)格，計(jì)算變形后圖像的子網(wǎng)格與變形前圖像中具有同樣散斑點(diǎn)特征的子網(wǎng)格在三維方向上的位移，就可得知被測(cè)物體表面該子網(wǎng)格的位移。

非接觸應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)主要由圖像采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)組成，還包括散斑生成工具及標(biāo)定板。圖像采集系統(tǒng)包括鏡頭、圖像傳感器(CCD)、圖像采集卡、采集軟件、光源以及三腳架等，數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)包括二維(2D)和三維(3D)的數(shù)據(jù)處理軟件等。非接觸應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)可以采集變形前后物體的散斑圖像，標(biāo)定板圖像并導(dǎo)入2D或3D數(shù)據(jù)處理軟件，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)、評(píng)估校準(zhǔn)結(jié)果、劃分網(wǎng)格、數(shù)據(jù)分析等過(guò)程，最終生成所需的變形或位移結(jié)果。

2 試驗(yàn)原理及過(guò)程

非接觸應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)是通過(guò)分析物體變形前后的圖像來(lái)計(jì)算物體位移或變形的，其測(cè)試的精度及精度的影響因素是工程應(yīng)用中最為關(guān)心的問(wèn)題。為掌握非接觸應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)試精度和測(cè)試方法，水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心項(xiàng)目組進(jìn)行了DIC測(cè)試精度驗(yàn)證試驗(yàn)。

2.1試驗(yàn)原理

該試驗(yàn)采用等強(qiáng)梁裝置來(lái)完成。在不考慮材料各處性能差異的情況下，在等強(qiáng)梁端部放置砝碼時(shí)，專門(mén)設(shè)計(jì)的等強(qiáng)梁表面各處的應(yīng)變量相等，并可由計(jì)算公式計(jì)算出應(yīng)變量的理論值。在一定的加工誤差范圍內(nèi)，計(jì)算值完全能夠滿足工程要求。在對(duì)等強(qiáng)梁施加載荷時(shí)，采用DIC測(cè)試方法在等強(qiáng)梁表面進(jìn)行實(shí)際應(yīng)變測(cè)試，并將應(yīng)變測(cè)試結(jié)果與計(jì)算理論值進(jìn)行比較，以驗(yàn)證DIC測(cè)試方法的精度。

如圖1所示，此次試驗(yàn)采用的等強(qiáng)梁由鋼制薄板加工而成，等強(qiáng)梁右端V型槽處于兩條斜邊延長(zhǎng)線的交點(diǎn)上。試驗(yàn)時(shí)，在V型槽處放置一系列不同質(zhì)量的砝碼，方向垂直于板平面，分別計(jì)算和測(cè)試鋼板表面的應(yīng)變值。

圖1 等強(qiáng)梁示意

圖1中的等強(qiáng)梁在平面彎曲情況下，上表面任意一點(diǎn)所受的軸向拉應(yīng)力為

式中：l為等強(qiáng)梁有效長(zhǎng)度，mm；b為等強(qiáng)梁寬度，mm；d為等強(qiáng)梁厚度，mm；g為重力加速度；m為砝碼質(zhì)量，kg；k為等強(qiáng)梁系數(shù)，本次試驗(yàn)取28.8。

對(duì)于一定尺寸的等強(qiáng)梁，如果砝碼質(zhì)量為m，可計(jì)算出相應(yīng)的σp，則在等強(qiáng)梁有效長(zhǎng)度內(nèi)任意一點(diǎn)的應(yīng)變計(jì)算值為

式中：E為等強(qiáng)梁材料的彈性模量。

應(yīng)變計(jì)算值ε使用理論計(jì)算求得，用DIC測(cè)試方法得出實(shí)測(cè)應(yīng)變值。為驗(yàn)證DIC測(cè)試方法的精度，將實(shí)測(cè)應(yīng)變值和計(jì)算值進(jìn)行比較。

2.2試驗(yàn)過(guò)程

2.2.1 DIC測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試采用美國(guó)CSI公司的非接觸應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)、2只ZEISS 28 mm定焦鏡頭以及1套散斑制作工具，采集軟件為Vic-Snap 8 Image Acquisition Version 8，數(shù)據(jù)處理軟件為Vic-3D Digital Image Correlation Version 7。

2.2.2 試驗(yàn)用裝置和加載系統(tǒng)

等強(qiáng)梁(自制)材質(zhì)為SUMITEN780(調(diào)質(zhì)鋼，E=206 GPa)；l=499 mm，b=40.1 mm，d=5.04 mm，k=28.8。加載砝碼為0.5～1.0 kg的多個(gè)砝碼，砝碼精度為(1±0.003) kg。

2.2.3 等強(qiáng)梁測(cè)試區(qū)域選擇與測(cè)試步驟

應(yīng)變測(cè)試時(shí)，為充分體現(xiàn)DIC測(cè)試優(yōu)點(diǎn)，被測(cè)區(qū)域應(yīng)盡量占滿等強(qiáng)梁較寬部分，故此次試驗(yàn)選擇靠近等強(qiáng)梁夾持端部分。為便于測(cè)試，等強(qiáng)梁采用表面豎直橫放方式，同時(shí)用滑輪將砝碼加載方式調(diào)整為水平加載，如圖2所示。

圖2 等強(qiáng)梁測(cè)試裝置

圖3 散斑

制作散斑時(shí)，先用白色啞光漆噴涂底色，然后用相應(yīng)的拓板將油墨印在等強(qiáng)梁上，按每個(gè)散斑5～10個(gè)像素點(diǎn)、黑白散斑各占50%為宜，如圖3所示。選用與視野范圍大小相當(dāng)?shù)男Ｕ?占視野范圍80%左右)，在校正模式下拍攝不少于30個(gè)校正板圖像，以1 kg為級(jí)差逐級(jí)加載，每級(jí)加載后分別拍攝散斑圖像。試驗(yàn)中采集到11張散斑圖像，以初始狀態(tài)圖像為基準(zhǔn)，本次設(shè)定分析網(wǎng)格大小為63像素，計(jì)算步長(zhǎng)為8像素。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)采集的散斑圖像進(jìn)行處理，提取的應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 等強(qiáng)梁不同加載后的應(yīng)變計(jì)算值和測(cè)試值

根據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制應(yīng)變測(cè)試值、理論計(jì)算值與所加砝碼質(zhì)量的關(guān)系，如圖4所示。

從圖4可以看出，DIC應(yīng)變測(cè)試結(jié)果和理論計(jì)算值吻合較好，都正確反映了應(yīng)變隨著加載線性增加的關(guān)系。在加載載荷數(shù)值較小時(shí)，偏差較小，隨著載荷的增加，偏差也有所增加。

圖4 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果、計(jì)算值與砝碼質(zhì)量關(guān)系

從表1可以看出，加載不同質(zhì)量的砝碼，等強(qiáng)梁應(yīng)變測(cè)試數(shù)值和理論計(jì)算值的偏差均為負(fù)值，測(cè)試數(shù)據(jù)和理論計(jì)算數(shù)據(jù)吻合良好。應(yīng)變測(cè)試值與計(jì)算值最大絕對(duì)偏差為-80×10-6，平均值為-31×10-6；最大相對(duì)偏差為-9.48%，平均值為-3.70%。對(duì)等強(qiáng)梁使用的材料SUMITON780來(lái)說(shuō)，絕對(duì)偏差平均值換算應(yīng)力值為-6.4 MPa，可滿足實(shí)際工程測(cè)試的要求。

另外，從拍攝的散斑圖可以看出，加載過(guò)程中雖然總體上應(yīng)變的變化是一致的，但材料分析區(qū)域中各處發(fā)生的變形并不均勻。因此，在分析材料的過(guò)程中要注意首先發(fā)生屈服或破壞的薄弱環(huán)節(jié)，全場(chǎng)的應(yīng)變分析會(huì)提供更多的材料變形信息。

4 結(jié)論

對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)方案可行，達(dá)到了對(duì)比分析的目的，制作的等強(qiáng)梁滿足測(cè)試要求。

采用DIC測(cè)試方法對(duì)等強(qiáng)梁在不同載荷條件下進(jìn)行的測(cè)試表明，測(cè)試數(shù)據(jù)和理論計(jì)算數(shù)據(jù)吻合良好，平均偏差為-3.7%，充分驗(yàn)證了DIC測(cè)試方法進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試的準(zhǔn)確性。由此可以認(rèn)定，該非接觸應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)在一定條件下進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試準(zhǔn)確、可靠。

DIC測(cè)試結(jié)果提供了豐富的材料應(yīng)變信息，可為研究材料的力學(xué)行為提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

[1]SCHREIER H，ORTEU J J，SUTTON M A.Image correlation for shape,motion and deformation measurements [M]. New York：Springer-Verlag，2009：2-3.

(本文責(zé)編：劉芳)

2017-08-08；

:2017-08-22

水利部“948”項(xiàng)目(201513)

TB 301；TH 823

：A

：1674-1951(2017)09-0010-03

靳紅澤(1970—)，男，河南鎮(zhèn)平人，高級(jí)工程師，從事水工金屬結(jié)構(gòu)焊接及殘余應(yīng)力測(cè)試分析方面的研究工作(E-mail:jinhongze@chinatesting.org)。