动态断裂韧性实验中DIC技术应用研究

曲　嘉，李东昌，黄　超

（1.哈尔滨工程大学，黑龙江 哈尔滨 150001；2.哈尔滨理工大学，黑龙江 哈尔滨 150080）

动态断裂韧性实验中DIC技术应用研究

曲嘉1，李东昌1，黄超2

（1.哈尔滨工程大学，黑龙江 哈尔滨 150001；2.哈尔滨理工大学，黑龙江 哈尔滨 150080）

高速冲击动态断裂韧性的加载和测试技术一直是近年关注的热点，随着计算机和光学传感器的发展，采用数字图像相关方法测量材料的动态断裂韧性已成为重要选择。该文基于分离式Hopkinson压杆原理的加载技术，通过高速摄影机拍摄高速冲击下三点弯曲试样裂纹的起裂和扩展，运用数字图像相关技术分析裂尖场的散斑图像，计算得到相应的应变场变化，试样外表面处于平面应力状态，其裂尖应变场呈现“0”型，而非试样对称面所处于的平面应力状态下呈“8”型。结果表明，DIC技术可以应用于动态断裂韧性实验，也证明裂尖场粘贴的应变片测量试样起裂的有效性。

数字图像相关；动态断裂韧性；分离式霍普金森压杆；不锈钢

0　引　言

断裂韧性是材料抵抗破坏的重要参数，随着断裂力学工程应用的逐步深入，已成为研究者关注的热点［1］。三点弯曲试样作为测定准静态载荷作用下的标准试件已经得到了广泛应用，但由于动态断裂题的复杂性，目前还没有标准的测试方法。尽管如此，由于三点弯曲试样比较简单，加载也很方便，因此采用三点弯曲试样，并通过分离式霍普金森压杆技术进行动态断裂韧性实验研究。

数字图像相关测量方法是由美国 Peters和Ranson教授及日本的Yamaguchi在20世纪80年代初期共同独立提出的［2-3］。随着数字图像相关识别技术和计算机数字图像处理技术的不断进步和发展，数字图像相关技术成为一种运用计算机对采集图像进行数字化分析的技术［4］。本文采用高速摄影与数字图像相结合，监测试样的起裂和裂纹扩展，获得在裂纹尖端所引起的应变场变化。结果分析验证了裂尖场粘贴的应变片测量试样起裂的有效性。数字图像相关方法具有试验环境易于实现、测量范围易于控制和试验结果图形化等诸多优点，能满足实验力学及其工程测量的实际需要。

1　动态断裂韧性实验

1.1试样疲劳预制裂纹和喷涂散斑

本次实验设备为分离式Hopkinson压杆，用不锈钢材料制备含有预制裂纹的三点弯曲试样，试样的厚度为10 mm，高度为20 mm，跨距为80 mm。使用Instron-8801电液伺服试验机对试样以正弦波的方式进行加载，预制后的裂纹总长度为10mm。在预制裂纹的试件一面喷涂随机散斑，处理完成的试件如图1所示。

图1　预制裂纹和喷涂散斑试件图

1.2霍普金森压杆技术和实验装置

分离式霍普金森压杆（SHPB）原型是由Hopkinson于1914年提出，用于测量载荷的脉冲波形。1949年，Kolsky提出将压杆分成两段，试样置于两杆中间，从而使这一装置可用于测量材料在冲击载荷作用下的应力-应变关系［5-6］。SHPB试验装置示意图如图2所示，通过炮筒内发射的短杆子弹以一定速度撞击入射杆，再由入射杆对三点弯曲试样进行加载，短杆子弹的速度由激光分束测速装置测得。在试样装夹处用高速摄影机拍摄试样整个断裂过程，以便使用数字图形相关技术分析起裂和裂纹扩展过程，图3为SHPB试验装置图和三点弯曲试样装夹图。

图2　SHPB试验装置图

图3　试件装夹图

1.3试验过程及结果

实验过程中，先对杆系进行固定，利用杆系的调节装置对杆系进行调节，使入射杆与透射杆保持同轴并且在同一水平面上。在入射杆和透射杆上分别粘贴两组应变片，粘贴时保证每根杆上的两个应变片在杆的同一截面相对称的位置，这样可以消除由于杆的弯曲变形对应变信号测量所产生的影响。通过这两组应变片测量入射杆和透射杆的应变信号。在对引线以及屏蔽线的焊接过程中，一定要保证连接点要光滑，最大程度的消除人为因素对试验结果产生的影响。使用高速摄影机进行图像采集，采集到的数字图像如图4所示，并存入计算机。

图4是使用高速摄影机采集到的数字图像，（a）～（d）分别为激发采集后不同时间下三点弯曲试样的表面图像，可以看出在激发后458.302 ms时表面首先开始开裂，在此之前没有开裂，本文使用的高速摄影机前一帧为458.227ms，选取此时的试样图像为原始图像，开裂后再经过0.025 ms，裂纹扩展已经可以从表面明显看出，在激发后458.401 ms时裂纹扩展已经特别明显，取这几张有代表性的图像作为动态断裂韧性试验的结果。

2　数字图像相关方法分析裂纹扩展

2.1数字图像相关基本原理

数字图像相关方法的基本原理［10-14］是通过比较试件变形前后物体表面分布的散斑图的变化，来获得位移和应变等变形信息。数字图像相关实现过程是在变形前的图像中，以所要计算的点为中心选取子区，利用子区中的灰度场，在变形后的图像中，通过相关运算找出最值的目标图像的对应区域，变形前后对应以确定该点的位移值。再通过亚像素插值方法获得连续位移值，计算位移梯度获得应变值［7-9］。

图4　动态三点弯曲试样起裂和裂纹扩展图

图5　数字图像相关原理图

相关运算的核心是相关公式的选择，本文采用的相关系数为

式中：r——参考图像灰度大小；

d——变形后图的灰度大小；

（x′，y′）——原始图像中心点的坐标；

（u′，ν′）——理论位移，计算最大相关系数对

应的位移是（u，ν）。

采用Matlab编制的数字图像相关程序对采集到的图像进行数据处理［10］。

2.2数字图像技术分析

图6为试样喷涂散斑区域和试样计算区域，该区域也是实验中贴片的位置，通过分析数字图像，采用有限元法对位移插值获得应变场变化。

图6　图像采集区域和DIC计算区域

图7中（a）为激发后的时间458.302 ms时的起裂时刻产生的应变，其中最大应变为1.4%，随着裂纹扩展，激发后的时间458.327ms时产生的最大应变为1.6%，最后458.401ms时裂纹扩展到很大时相较于原始图像产生30%应变。从裂纹扩展过程可以看出金属材料动态断裂过程中，表面上裂纹是沿着裂纹线开裂，裂纹尖端前移导致应变区域向裂纹扩展方向移动。试样外表面处于平面应力状态，其裂尖应变场的呈现“0”型，而非试样对称面所处于的平面应力状态下呈“8”型，由于本文测试的图像为试样表面，因此，计算显示应变场是呈现“0”型扩展的。

图7　动态三点弯曲试样应变场变化图

3　结束语

本文基于分离式Hopkinson压杆原理的加载技术，通过高速摄影机拍摄高速冲击下裂纹的起裂和扩展，运用数字图像相关技术分析裂纹扩展图像，获得在裂纹尖端所引起的应变场变化。结果表明，DIC技术可用于动态断裂韧性实验，测得处于平面应力状态的试样外表面裂尖应变场呈现“0”型，而非试样对称面所处于的平面应力状态下呈“8”型，也证明了裂尖场粘贴的应变片测量试样起裂的有效性。同时，从裂纹扩展过程可以看出金属材料动态断裂的过程是沿着裂纹线开裂，由于处于平面应力状态，应变场是呈现环状扩展的。据此，DIC技术应用于动态断裂韧性可为工程中测量材料的断裂特性提供一种实用可靠的方法。

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（编辑：徐柳）

Application of digital image correlation method in dynamic fracture toughness testing

QU Jia1，LI Dongchang1，HUANG Chao2
（1.Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；2.Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）

The high speed dynamic fracture toughness loading and testing technology has become the focus of the public.With the development of computer and optical sensors，measuring the dynamic fracture toughness of materials with digital image correlation method has become an importantchoice.BasedontheprincipleofsplitHopkinsonpressurebar（SHPB）loading technique，a high-speed camera was used to photograph crack initiation and propagation process of three-point bending specimen under high-speed shocking，and analyze the speckle image of crack tip by digital image correlation method.The developing processing of strain field was obtained.In conclusion，the outside surface of the specimen is in plane stress state and the strain field of the crack tip is in“0”shape instead of the"8"shape.The results showed that the DIC technique could be applied to the dynamic fracture toughness test，and it also proves the effectiveness of the strain gage measuring the crack initiation.

digital image correlation；dynamic fracture toughness；SHPB；stainless steel

A

1674-5124（2016）10-0045-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.10.009

2016-05-03；

2016-06-19

国家自然科学基金（11302055）哈尔滨市科技创新人才专项基金（2013RFQXJ009）

曲嘉（1979-），男，黑龙江哈尔滨市人，副教授，博士，研究方向为冲击动力学及强度理论。