數字圖像相關法在復合材料研究中的應用進展

肖志斌, 武麗麗, 裘雄偉, 柯賢朝, 蔡 亮

(1.海裝駐上海地區第六軍事代表室, 上海 200000；2.上海航天精密機械研究所, 上海 201600;3.上海材料研究所 上海市工程材料應用與評價重點實驗室， 上海 200437)

數字圖像相關方法(Digital Image Correlation，簡稱DIC)是從物體表面隨機分布的斑點或人工散斑場中直接讀取變形信息，然后根據散斑場變形前后的統計相關性來計算位移和變形量，是一種對材料或結構表面在載荷作用下進行全場位移和應變分析測量的方法。變形測量的傳統方法是基于應變計的電測法，但電測法只能獲得少數幾個點的信息，無法得到被測結構表面的位移場和應變場。DIC起源于1980年，隨著相機和電腦等軟件設備的發展，DIC也飛速發展，并應用在實際研究中。與電測法相比，DIC有測量過程簡單、易操作、非接觸、可測量全場形貌、靈活性高、再現性好、可覆蓋破壞全過程等優點，非常適合現場的實時測量。此外DIC還具有自動化、光路簡單、普適性好及抗干擾能力強等特點，DIC的測量精度得到了很多學者的證實。2017年有4位學者對DIC的應用及研究進展進行了總結。如張順慶等[1]總結了DIC的發展歷史及應用實例；潘兵等[2]綜述了三維DIC(也稱數字體圖像相關方法)中位移/應變測量算法的研究進展；陳亞軍等[3]綜述了三維數字圖像相關技術(3D DIC)在材料形變研究中的應用進展；邱璐璐等[4]綜述了DIC在生物力學方面的研究進展。自2017年以來，DIC在復合材料領域中的應用也日益增多，但很少有文獻通過比較DIC和其他測試方法來研究DIC技術的特點，為此筆者從復合材料的力學性能測試、功能結構性能研究和復合材料產品質量檢測等方面，總結了2017年以來DIC在復合材料研究中的應用進展，以期為DIC在復合材料產品中的應用提供參考和建議。

1 DIC在復合材料力學性能測試研究中的應用進展

碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)作為先進復合材料的典型代表，已在航空航天等領域得到了廣泛的應用，近年來，將DIC應用于CFRP力學性能中的研究也較多。張燕南等[5]用DIC和聲發射(AE)研究碳纖維編織復合材料在拉伸載荷下的損傷變形和失效機理。王朝等[6]采用DIC研究了CFRP的拉伸試驗，建立了基于Hashin 改進準則的結構模型，通過對比試驗和仿真結果，分析了材料的失效過程和失效機理。劉青青等[7]采用DIC研究了碳纖維層合板在沖擊波作用下的動態位移場和應變場，并研究了材料的沖擊性能。YUE X J等[8]采用DIC研究了CFRP的疲勞損傷機理，證明了局部橫向應變可以作為疲勞損傷演化的指標。劉青青等[9]還利用改進的霍普金森桿對不同鋪層方式的CFRP進行低速沖擊試驗，采用DIC分析了不同鋪層順序下CFRP 層合板的動態力學響應，然后利用Abaqus/Explicit仿真軟件對試驗結果進行模擬，結果表明,DIC試驗結果和模擬結果吻合較好。NGUYEN M H等[10]用DIC研究了微粒增韌的T800S/3900復合材料層合板的拉伸應力變化、裂紋擴展和失效模式，結果表明,微粒可以提高該復合材料層合板的剪切強度。AZADI M等[11]采用DIC研究了CFRP拉伸時不同加載速度對裂紋擴展的影響，結果表明，拉伸時的加載速度對剝離強度沒有明顯影響，因為有纖維橋的存在，且拉伸速度越大，纖維橋越多，裂紋長度和拉伸速度之間不成線性關系。脫曉慶等[12]采用DIC研究了碳纖維織物的不同約束方式對混凝土柱軸向壓縮性能的影響。CIDADE R A等[13]采用DIC研究了IM7-8552碳纖維環氧復合材料的動態斷裂韌性K1D，結果表明，慣性可以忽略，且可以通過準靜態試驗得到K1D。DJABALI A等[14]綜合應用X射線斷層成像(CT)、AE和DIC研究了碳纖維環氧樹脂層板的疲勞損傷機理和裂紋擴展情況。YUAN Y N等[15]采用DIC和紅外熱成像(IR)研究了T300/QY8911碳纖維復合材料低速沖擊后壓縮過程的失效模式及能量釋放情況。JI X H等[16]采用DIC研究了碳纖維增強氣凝膠復合材料的平面應力狀態，獲得了材料的本構參數。ALI H Q等[17]采用DIC和AE研究了碳纖維層合板在拉伸載荷和彎曲載荷下的應力變化及失效模式。賀體人等[18]采用DIC和FEMU(有限元模型修正技術)相結合，通過短梁剪切試驗得到了IM7/8552碳纖維增強環氧樹脂單向帶正交各向異性層合板沿厚度方向壓縮的本構關系參數。

三維編織復合材料作為一種整體編織材料，與傳統的層合復合材料相比，具有不易分層、厚度方向強度高、損傷擴展慢等優點，被廣泛用于航空航天等高科技領域。近年來，DIC在編織復合材料力學性能研究中的應用越來越多。CASTANEDA N等[19]結合AE特征和DIC表面變形與應變的關系，建立了編織復合材料損傷演化規律與結構參數之間的聯系。孫穎等[20]采用DIC研究了碳纖維和芳綸纖維的不同混雜方式對復合材料拉伸性能的影響，為不同種類纖維混雜織造的正交三向復合材料的力學性能設計和應用提供了理論依據。安冰潔[21]采用DIC與AE探究了碳纖維編織復合材料的損傷變形與破壞機理。張鵬飛等[22]綜合采用DIC和AE研究了碳纖維編織復合材料在四點彎曲載荷下的彎曲損傷與破壞行為。韓康寧等[23]綜合使用DIC、AE及IT(紅外熱成像技術)等，研究了碳纖維三維五向編織復合材料在拉伸載荷下的損傷演變過程。張彥靖等[24]利用DIC和AE研究了三維五向編織復合材料橫向拉伸狀態下的變形與損傷規律。劉劉等[25]結合DIC和FEMU，通過編織高鋁纖維增強多孔氣凝膠基復合材料的正軸及偏軸拉伸試驗，識別并獲得了材料面內的多個工程彈性常數。

玻璃纖維增強樹脂基復合材料(簡稱玻璃鋼)因具有高比強、高比模、低密度、抗疲勞性好等特性，廣泛應用于機械承力結構件中，近幾年，也有學者將DIC引入玻璃鋼研究中。劉子尚等[26]利用高速攝影與DIC相結合的方法，對單向增強玻璃鋼復合材料進行了不同方向、不同應變速率下的靜/動態拉伸試驗，獲得了材料不同方向、不同應變速率的應力-應變曲線及材料在不同方向上的動態失效應變，精確地描述了其靜/動態拉伸及失效行為。瞿啟云等[27]采用DIC得到了玻璃纖維增強聚醚酰亞胺復合材料在拉伸載荷作用下的變形量和位移。MISKDJIAN I等[28]采用DIC研究了玻璃纖維層合板在準靜態和疲勞拉伸載荷下的層間裂紋擴展情況。

隨著環保意識的增強和可持續發展理念的普及，對天然纖維和工業塑料重復利用的研究受到越來越多的關注，DIC被應用在該類研究中。丁春香等[29]采用DIC探究了WF(木纖維) 及mAPP(改性聚磷酸銨)阻燃劑對WF/HDPE(高密度聚乙烯)復合材料應變分布及傳遞的影響。MANTEGHI S等[30]綜合應用DIC和熱成像應力分析技術研究了由玻璃纖維及亞麻纖維增強的環氧復合材料的靜態壓縮和壓縮疲勞性能。XU D H等[31]采用DIC研究了不同纖維(玻璃纖維、亞麻纖維、黃麻纖維等)增強環氧樹脂材料的拉伸性能和泊松比等參數，分析了不同纖維對材料力學性能的影響。SAYAHLATIFI S等[32]采用DIC研究了鋁-輕木-鋁和鋁-輕木/玻纖織物/環氧波紋板-鋁夾心板三點彎曲時的失效模式。BAKIR K等[33]采用聚氨酯膠將廢塑料瓶制成的聚乙烯對苯二甲酸乙二醇酯(PET)板和木板黏合成層合板(兩層木板，PET夾芯)，然后采用DIC研究了該層合板進行彎曲試驗時的形變情況，研究表明，加入PET板會導致彎曲強度和模量下降，同時會導致變形量增大和應力集中。

厚截面復合材料是幾何效應(厚度與跨距的比) 、材料組分(基體的纖維剛度或強度性能) 、鋪層組合、工藝和服役載荷等存在三維應力狀態的復合材料結構。厚截面復合材料通常存在明顯的橫向剪切和正應變，且其橫向具有高于纖維軸向方向的柔度，加之復合材料層板具有較低的橫向和層間強度，使其更容易產生基體裂紋和分層。DIC被應用在其中的一些研究工作中。YUKSEL O等[34]采用DIC和鉆孔法研究了玻璃纖維聚酯拉擠成形厚截面試樣的殘余應力。諶廣昌等[35]總結了DIC在厚截面復合材料三維本構關系表征方面的應用，通過DIC監測短梁剪切和小矩形板扭轉試驗中的應力、應變情況，得到了復合材料3個方向的模量和強度及3個主材料面非線性剪切應力-應變曲線，并總結了國內技術與國外的差距。

此外，還有學者將DIC應用于其他復合材料研究中，朱忠鋒等[36]采用DIC對纖維復合材料(FRP)格柵與工程用水泥基復合材料(ECC)的復合材料試樣進行了單軸反復拉伸試驗，提出了FRP/ECC復合材料反復受拉的本構關系模型。楊旭東等[37]針對CFRP薄壁管、泡沫鋁和泡沫鋁填充CFRP復合材料薄壁管分別采用準靜態壓縮試驗測試其壓縮和吸能性能，并在壓縮過程中采用DIC同步分析其變形模式。JUNG A等[38]采用DIC和IT研究了開孔金屬聚氨酯泡沫的介觀變形。SCHNITTKER K等[39]采用DIC研究了用于大面積增材制造的原料ABS-20GF(20%玻璃纖維增強的丙烯腈、丁二烯、苯乙烯共聚物)的拉伸力學性能和泊松比等參數。李玉姣[40]將DIC用于織物增強橡膠基復合材料的拉伸試驗中，得到了表征織物增強橡膠基復合材料力學性能的彈性模量和泊松比。KAVDIR E ?等[41]采用DIC研究了結構膠DP410的剪切性能等指標。SINGER G等[42]采用DIC研究了環氧樹脂和乙烯基樹脂固化時的收縮過程和試樣受熱膨脹過程中的應力、應變情況，得到了材料的熱膨脹系數，且圓形試樣的熱膨脹系數小于方形的。

復合材料在實際使用中會受到各種類型的沖擊作用，如跑道的碎石沖擊、鳥撞及工具跌落等情況，而復合材料對沖擊載荷十分敏感，承受低速沖擊便可能出現損傷，導致剩余強度明顯下降，進而降低結構的安全性，研究復合材料受沖擊后的壓縮力學性能(CAI)對其應用及發展非常重要，因此，很多學者將DIC引入CAI的研究中。孫子恒等[43]采用DIC對不同鋪層復合材料夾芯結構低速沖擊后壓縮試驗時的動態破壞過程進行了研究，分析了其壓縮過程中的失效機理。SUN X C等[44]采用DIC獲取CAI過程中全場面外位移信息，并得出了失效機理。

2 DIC在復合材料功能結構性能研究中的應用進展

復合材料膠接連接可避免引入新的損傷，膠接連接是減輕結構質量的一種措施，因此膠接結構是復合材料結構中一種重要的功能結構，對其研究也較多，近年，有學者將DIC引入到膠接結構的性能研究中。郭霞等[45]采用DIC對復合材料單搭接膠接結構的全場變形場及應變場進行了測試，并采用電阻應變片測量方法進行對比驗證分析，直觀地展示了拉伸剪切作用下的復合材料單搭接膠接結構的表面應變分布及失效機理，結果表明，DIC測試結果與傳統應變片測試結果差距較小，而且操作更簡單。鄒田春等[46]利用DIC和萬能試驗機對接頭拉伸應變與極限載荷進行了表征，研究了搭接長度對異質材料單搭接接頭膠接性能與破壞模式的變化規律。王大偉等[47]利用DIC 與萬能試驗機對接頭進行了拉伸-剪切性能測試，研究了不同膠層厚度異質材料的接頭膠接性能、應變場與破壞模式的變化規律，分析了在拉伸載荷下，不同膠層厚度接頭的失效特點。THSLER T等[48]利用DIC研究了3種碳纖維接頭疲勞試驗過程中的裂紋擴展情況。

由于增強材料有規格限制，復合材料成型過程中總會遇到增強體材料長度或寬度不滿足制品尺寸要求的情況，需要進行拼接處理以滿足尺寸要求；制品形狀復雜時，為避免在鋪層過程中出現褶皺，會對鋪層進行剪裁、拼接。由于拼接結構是復合材料的薄弱區，陳丁丁等[49]利用DIC研究了拼接結構對復合材料拉伸性能的影響機制，結果表明，拼接結構的引入大幅降低了復合材料的抗拉強度，且試驗測試結果與有限元仿真(FEM)模擬的吻合度較高。

加筋板結構的復合材料利用率高、質量輕，能夠較好地滿足結構輕量化設計要求，目前在飛機的機翼、機身蒙皮、梁腹板和尾翼等結構中被廣泛應用，對其研究比較多，同時也有學者將DIC引入加筋板結構復合材料的研究中。KOLANU N R等[50]采用DIC研究了復合材料T 型加筋板的壓縮穩定性及失效機制，得到了結構面內的壓縮位移場和面外位移場，并與直線位移傳感器得到的面外位移進行了對比，結果顯示兩者有較好的一致性。陽奧等[51]對復合材料自動鋪絲和手工鋪絲兩種T 型加筋曲板進行了單軸壓縮試驗，采用DIC對該型加筋曲板的局部屈曲及后屈曲波形進行了實時監測，并與傳統應變、位移測量結果進行了對比分析，結果表明，使用DIC測量的結果與由應變-載荷曲線確定的屈曲載荷間的誤差小于5%。

復合材料結構中會出現V型結構，如橫梁固定件、車懸架等V形結構，研究該類復合材料的載荷響應及疲勞壽命非常重要。MURRAY B R等[52]通過DIC和AE研究了V型碳纖維環氧復合材料靜態加載和疲勞試驗時的失效模式，結果表明，因DIC對失效位置和失效應力識別精度高，可以很好地應用于V型結構的失效研究中。

在復合材料的結構設計中，為了讓線纜穿過或避讓其他部件，必須設計缺口，因此針對復合材料缺口結構的研究十分必要，有學者將DIC引入缺口結構的研究中。TORABI A R等[53]采用DIC研究了V型聚丙烯酸甲酸甲酯(PMMA)試樣的應力集中系數。李順然等[54]采用DIC研究了帶圓孔的復合材料板的應力集中系數，結果表明，應力集中系數隨圓孔直徑的增大而減小。

在復合材料中，螺釘可用于復合材料部件之間的連接以及復合材料器件局部的加強，有學者將DIC用于含螺釘結構的研究中。張卓越等[55]采用DIC測試了復合材料板連接孔附近的全場應變分布，分析了擠壓試樣的連續應變累積過程和典型破壞模式。王遙等[56]利用DIC揭示了單螺栓修復對含沖擊損傷結構失效行為的影響，結果表明,單螺栓修復效率較高。

此外，PATEL J等[57]利用DIC研究了DyneemaTMHB80層合板在進行三點彎曲試驗時扭轉結的應力變化。

3 DIC在復合材料產品質量檢測中的應用進展

復合材料在載荷作用下，損傷常常在內部產生，外表面很難發現，因此需要發展復合材料的無損檢測技術，DIC是一種潛在的無損檢測手段，很多學者對此進行了探索，為DIC在復合材料無損檢測上的應用提供了理論基礎。KOPPARTHI P K等[58]在碳纖維環氧層合板中放置一個直徑為14 mm、厚度為12 μm的聚四氟乙烯(PTFE)板，并利用DIC研究了其進行四點彎曲試驗時的失效模式，結果表明，DIC可以發現鋪層中的夾雜。SZEBéNYI G等[59]在碳纖維或玻璃纖維增強環氧材料中加入PTFE薄膜、PTE薄膜和蠟形成分層，然后用DIC研究了分層試樣在拉伸和壓縮過程中的應力分布，結果發現，分層試樣的應力在分層處發生變化，表明DIC可以發現材料的分層，是潛在的材料缺陷無損檢測方法之一。BARILE C等[60]采用DIC研究了有損傷和無損傷碳纖維復合材料在壓縮過程中的變形情況和應力分布，結果發現兩者有明顯差別。AMIRPOUR M等[61]采用DIC研究了不同的3D打印復合材料板在彎曲試驗時的變形情況，并與仿真結果進行了對比，結果表明，非線性分布的3D打印件的仿真結果與DIC試驗結果差距比線性分布的大，3D打印件的變形圖不對稱，且線性分布剛度更大的3D復合材料板不對稱性更加明顯，為DIC在3D打印件質量檢測方面的應用奠定了理論基礎。

GARCIA-MARTIN R等[63]綜合使用DIC測得了復合材料的楊氏模量、泊松比和屈服應變，然后將上述材料參數帶入確定模型和概率模型進行有限元仿真，研究了復合材料壓力容器的可靠性，得到了概率模型蔡吳(Tsai-Wu)因子隨機分布性比確定模型的高的結論。

SHADMEHRI F等[64]將DIC用于直升機尾桁架[C/PEEK(碳纖維-聚醚醚酮)錐形筒]彎曲試驗變形和失效模式的研究中，研究了厚壁C/PEEK管的彎曲性能和失效模式。此外，SHADMEHRI F等[64]還將DIC用于C/PEEK復合材料原位成形(自動鋪層機AFP，加熱固化)過程中的應力和變形測量中，將DIC用于監控自動鋪層機的鋪層過程，成功發現了鋪層缺陷。

4 結語

DIC與其他檢測技術聯用成為熱門研究方向；DIC在復合材料缺陷無損檢測方面的應用處于理論研究階段，尚無應用實例；DIC在復合材料制件性能研究與預測方面的應用研究剛剛起步，鮮有文獻報道，在此方面尚需深入研究。通過綜述，筆者預測DIC在復合材料研究方面的未來發展趨勢如下：

(1) DIC與其他檢測方法聯用，如聲發射(AE)、X射線斷層成像(CT)、紅外熱成像(IR)等。

(2) 若DIC應用于復合材料缺陷無損檢測的理論得到突破，DIC應用于復合材料缺陷的檢測將被引起重視。

(3) DIC結合仿真分析軟件(如Ansys、Abaqus等)及有限元仿真修正技術，通過測量復合材料產品在安全載荷(或非破壞載荷)下的應力、應變推測產品的破壞載荷(或失效載荷)，對產品質量進行預測及評定。

(4) 將DIC應用于監測復合材料產品的生產過程及質量控制情況，及時發現生產過程短板并改進。