航空、航天科学技术

三维数字图像相关技术（3D DIC）在材料形变研究中的应用进展

陈亚军，孙胜洁，季春明

摘要：材料或结构在各种载荷作用下的表面变形测量是材料形变研究中的重要任务之一。三维数字图像相关技术（3D DIC）由于其非接触、全场化的测量方式，与其他光测方法相比，具有自动化、光路简单、普适性及抗干扰能力强等优点，广泛应用于多领域多种材料的力学性能测试中。本文综述了国内外3D DIC技术在测量精确性验证、高温形变测量和大变形测量方面的应用研究进展。首先，对实验中数字图像相关技术测量误差来源进行介绍，其来源主要有：图像污染、散斑质量低、相机参数设置不合理、高温实验条件下散斑脱落变质等。作者通过正交实验，给出了散斑大小、散斑密度和散斑分布随机性的优化结果。同时，综述了3D DIC在复合材料、金属材料、软质材料和其他材料常规静载实验中的应用及在冲击载荷和疲劳载荷测试中的研究进展，并通过对比分析3D DIC、传统引伸计测量结果及有限元模拟结果，验证了该技术精确性。即：对于3D DIC在常规静载实验中的应用，3D DIC的实时性和全场性对材料力学性能的研究具有显著优势和重要意义。针对不同材料力学性能表征和实验目的，DIC技术对测量环境的要求低，测量系统易于实现。3D DIC在冲击载荷实验结果显示，高速3D DIC测量仪器测量的位移数据和应变片测得的数据高度符合，从而证明了3D DIC可以作为一种有效的方法来观测材料在冲击载荷下的全场动态响应。对于3D DIC在疲劳载荷实验中的应用，DIC技术解决了传统疲劳裂纹扩展实验不能从材料微观和宏观变形的全局角度来揭示疲劳裂纹萌生、扩展、断裂的演化过程和机理问题。其次，针对3D DIC高温实验测量中由于散斑脱落，变质；试样和镜头间空气翘曲变形等原因引起的误差问题，重点介绍了高温测试技术优化及设备研发和高温散斑制备优化的最新研究成果，为数字图像相关技术在高温形变研究中的进一步应用提供了研究思路和实验依据。即，可以采用以下方法有效减小测量误差：利用风扇循环加热炉减小由空气热梯度引起的图像失真；通过对3D DIC测量系统进行通电预热平衡测量环境内外温度消除测量误差；通过减去补偿试样虚应变消除相机自热引起的测量误差；将光照设为紫外线照射减少黑体辐射消除测量误差；针对不同高温测量方法和测量环境，合理选择以上优化实验方法，可以有效减少高温测量误差。再次，为了克服3D DIC在测量大曲率物体时可测面积局限的难题，从大变形测试技术优化及设备研发和多相机技术发展两方面进行了分析，为该技术在大形变、大曲率、复杂形貌部件测量中的工程应用提供借鉴。即，采用了一种新的参照图的设定方法：每拍摄固定几张数量的图像，就重新设定一次参照图像，这样可以解决无法测量所有渐进位移的问题。为了达到远距离（100～300 m）、多目标、实时位移追踪和现场测量的目的，设计研发了视频挠度计，并验证了该视频挠度计在实际、远距离、非接触实验中的实用性和有效性。同时，精度实验也可以证明3D DIC测量结果的有效性。最后，指出为了提高3D DIC技术的精度，未来还应在以下方面做进一步研究：（1）散斑大小和形状与数字图像相关方法的位移测量精度密切相关，关于散斑特征（如尺寸、密度等）与匹配误差关系目前研究较少，今后要深入研究随机散斑分布特征对测量精度的影响，从而能够高效、准确地在试件表面制作最佳的随机散斑；（2）当前3D DIC技术对于多散斑场区域变形测量，可以将测量精度控制到50°以下，对于几个散斑之间的变形，精度可以控制到20°以下。微应变尺度测量、高速测量和高温测量等方面3D DIC技术的作用并没有完全发挥出来，有待于进一步的研究；（3）目前尚缺乏外界因素（如环境光、振动等）干扰对测量效果的影响研究，今后应该进一步在此方向进行研究，使得3D DIC更好地应用于实际工程测量；（4）3D DIC在军事材料和生物医学领域的研究中体现了可行性和优越性，但目前在此类材料性能测试中应用较少，有待于进一步研究。

来源出版物：航空材料学报，2017，37(4):90-100

入选年份：2017

连续纤维增强金属基复合材料的研制进展及关键问题

王涛，赵宇新，付书红，等

摘要：本文介绍了连续纤维增强铝基、镁基、钛基、镍基等复合材料的增强纤维种类、制备技术、性能研究、成型与加工技术、热处理技术、纤维排布技术等方面的研究进展及其各类复合材料在航空航天等领域的应用情况，对连续纤维增强金属基复合材料研制过程中的难点和热点问题进行归纳和总结，提出了部分关键技术问题的研究方法和思路，并对连续纤维增强复合材料的产业化发展与应用提出了部分建议。连续纤维增强铝基复合材料应用相对广泛，对于减轻飞机、导弹等重量起到了重要作用；镁基复合材料在航天领域中获得应用；连续钛基复合材料则重点应用于航空发动机叶环、机匣等零部件，显著降低了零部件的重量；连续纤维增强镍基复合材料尚未获得应用，处于实验室研究阶段，中国航发北京航空材料研究院探索研究了碳化硅纤维与GH4738等镍基合金的界面反应、热处理等技术基础。纤维与金属基体间的界面控制是其研究重点和热点，并且是确保良好应用的关键，可以从纤维的表面改性、纤维与基体的相容性和润湿性、界面反应、界面强度等方面入手，结合各种复合材料制备工艺的特点，解决界面薄弱性问题；进一步完善连续纤维增强金属基复合材料的制备工艺，构建工艺可行性评估体系，加强工艺理论研究，将制备过程与计算机模拟技术有机结合，可以缩短研制周期，降低制备成本，推动其工程化应用；另外加强复合材料损伤机理与力学行为的研究，针对纤维的断裂、纤维/基体的分离、纤维的滑动和拔出、基体裂纹等复合材料失效表观，重点研究裂纹形核、裂纹扩展、断裂机理和寿命预测，建立其损伤评价体系，同时深入研究不同条件下的力学行为，掌握复合材料为复合材料的实际应用提供参考依据。先进的加工成形和连接技术，可以减少成型和加工过程中复合材料的损伤，降低复合材料零件的制造成本，确保零件质量，是复合材料产业化应用的重要保证。急需开展连续纤维增强金属基复合材料的质量过程控制技术研究，从产品质量保证工艺设计、产品质量信息采集、质量信息数据后续处理、现场加工制造过程等方面完善批量产品加工质量过程控制技术。

来源出版物：航空材料学报，2013，33(2):87-96

入选年份：2017