基于数字图像相关技术和红外热像技术的创新实验项目

梁 栋，李 赕，薛 孚，程嗣权

基于数字图像相关技术和红外热像技术的创新实验项目

梁 栋，李 赕，薛 孚，程嗣权

（四川大学 匹兹堡学院，四川 成都 610207）

作为西部首所中美联合办学机构的四川大学匹兹堡学院，在材料力学平板拉伸实验中，通过引入数字图像相关（digital image correlation，DIC）技术以及红外热像技术，成体系地开发出包含应力应变曲线测量、全场应变测量、材料流动性分析、泊松比测量、断裂延伸率测量和热量耗散观察等实验内容。一方面克服传统接触式测量技术的局限性，革新实验教学内容，帮助学生了解掌握力学和热学领域的先进测量手段；另一方面有助于培养具有创新精神、科研意识、国际化视野的新工科人才。

数字图像相关技术；红外热像技术；材料力学；中外合作办学

在高校材料力学教学实验中，材料的应变测量是一个重要的实验对象。然而在传统的力学实验中，材料的应变测量通常采用夹持引伸计或粘贴电子应变片等方式进行测量。这种接触式的测量方式往往存在以下问题[1]：直接与试样接触，对试样的形变有所影响；只能获得某方向上的平均位移或单点位移,无法获得材料变形过程的全场应变数据；引伸计受标距范围限制，无法测量尺寸过大或过小的试件；试件断裂时会对引伸计造成刚性冲击，无法用来测量断裂时的应变数据。

近年来，随着光学测量技术的发展，进一步拓宽了材料应变测量的方法。特别是具有非接触性测量、全场应变测量和适用范围广等优点的数字图像相关（digital image correlation，DIC）技术，已广泛应用于物体位移场、动静态变形场、冲击振动测量等领域[2]。目前，在材料力学实验中开始出现DIC技术的应用案例：将DIC技术应用于研究生的高等实验力学实验，观测圆孔周围的应力集中现象；在材料力学实验中引入DIC技术对集中载荷作用下悬臂梁的挠度进行了测定；应用DIC技术开发出测量梁截面的弯曲正应变分布和试件的弹性模量的教学实验[6-8]。与此同时，红外热像技术作为有效的非接触测温手段，也逐渐应用于专业实验教学课程[9]。

我校匹兹堡学院充分融合四川大学和美国匹兹堡大学的优势教学资源，基于DIC技术和红外热像技术开发出适合本科生的教学内容，将科研技术和方法融入教学。首先为验证DIC技术的准确性，对比了传统引伸计与DIC技术测量的实验结果。然后在了解DIC技术和红外热像原理的基础上，学生进行了包含3大模块的材料力学实验：

（1）利用DIC技术测量试样在整个拉伸变形过程的全场应变，并观察不同位置的材料流动情况。

（2）利用DIC技术获取材料的弹性模量、屈服应力，并计算泊松比、断裂延伸率等参数。

（3）利用DIC技术和红外热像技术，观察试样拉伸变形过程中的热量耗散情况，研究温度变化与材料变形的相关性。

1 实验概况

1.1 技术原理

DIC技术是通过跟踪（或匹配）物体表面变形前后2幅散斑图像中同一像素点的位置来获得该像素点的位移向量，从而得到试件表面的全场位移[12]。其关键技术主要是双目立体视觉原理与数字图像相关匹配技术[13]。红外热像技术是基于红外辐射原理，通过测取物体表面的红外辐射能，将被测物体表面的温度分布转换为形象直观的热图像[14]。本实验采用的是德国GOM公司ARAMIS DIC测量系统和美国FLIR公司的T630s红外热像仪。

1.2 实验试样

实验试样为140 mm×20 mm×3 mm的Q235低碳钢薄板。试样一面喷涂白色和黑色的亚光漆以制备散斑场，另一面喷涂黑漆以获得较高的发射率。

1.3 实验参数

拉伸试验在力学试验机（万测ETM105D）上进行。实验所得载荷数据由试验机自带传感器记录，应变数据通过引伸计（MP3542-50）与DIC系统获得。实验前使用GWB-200JA引伸计标定仪对引伸计进行标定，红外热像仪发射率设置为0.95。

在验证DIC测量精度的实验中，试验机加载速率为2 mm/min，DIC拍摄频率为5 Hz，当试样纵向变形达到2 mm时，停止试验，以保护引伸计。在教学实例中，试验机加载速率为5 mm/min，DIC拍摄频率为1 Hz，红外热像仪拍摄频率10 Hz，直至试样断裂停止实验。

2 实验结果及分析

2.1 DIC技术的测量精度

图1对引伸计和DIC系统获得的应变结果进行了线性拟合，其中DIC所测应变是通过在软件中构造相同标距的虚拟引伸计测量得到。拟合方程为：

= 1.028+ 0.01467 （1）

图1 DIC与引申计测量结果拟合图

拟合结果表明2种方法获得的数据有很好的一致性，应变测量结果差别稳定在2.8%以内，说明该DIC系统有很高的测量精度。

2.2 应力-应变曲线和典型应变云图分析

此环节中，学生利用DIC技术获得材料整个变形过程中的应力-应变曲线和典型阶段的应变云图，如图2所示。图中从左至右依次是：

（1）弹性阶段的应变云图。此时材料处于弹性变形区域，试样表面应变均匀且应力应变成正比。

（2）屈服阶段的应变云图。材料变形已超过弹性极限进入塑性变形阶段，试样中部区域变形快速增加，表面的应变开始分布不均。

（3）强化阶段的应变云图。试样所受应力随应变继续增大直到材料强度极限，试样表面应变从两端到中间逐渐增大，中间出现明显的应变集中现象。

（4）颈缩阶段的应变云图。试样轴向长度已被拉伸到最大，中部出现明显颈缩现象，其承载截面面积显著缩小，应力开始下降。

2.3 材料流动量化分析

为进一步观察实验中不同位置材料的流动情况，学生利用DIC系统在试样纵向取间隔距离为7 mm的等距点。图3显示试样表面各等距点在不同时间下的应变数据，从数据中可以看出在整个弹性阶段和塑性阶段前期，所有等距点的应变情况基本一致。在强化阶段后期（200 s以后），试样上各等距点的应变逐渐离散，从点4往两侧应变数值逐渐减小，且以点4为中心对称的点其应变变化情况相似。其中点4是颈缩区域的点，该区域进入强化阶段后其变形迅速增加。

图2 应力-应变曲线与对应阶段应变云图

图3 间距7 mm等距点的变形

2.4 泊松比和断裂延伸率的测量

相比于传统的引伸计和应变片，除了获得材料的弹性模量和屈服极限，DIC技术还可以方便、快速地测量材料的泊松比[15]和断裂延伸率。泊松比的定义是材料在单向受拉或受压的弹性变形阶段中，其横向形变与纵向形变的比值：

传统单个引伸计无法测定材料的泊松比。学生利用DIC技术，在软件中同时构造横向和纵向引伸计可获得横向应变和纵向应变，并通过求取弹性阶段2个方向应变比值的平均值得到泊松比，计算结果见表1。

断裂延伸率指在断裂拉伸试验中，样品断裂时材料长度增加的百分比。传统力学教学实验中，试件断裂前需提前摘除引伸计，无法记录材料断裂时应变，只能测得断后延伸率。而DIC作为非接触式应变测量技术，可以直接测量材料断裂延伸率。实验中测得该试样50 mm标距的断裂延伸率为31.16%。

表1 泊松比的测量结果

2.5 试样热量耗散情况

图4分别记录了试样断裂前表面的温度分布情况和纵向应变的分布情况。可以观察到变形越剧烈的区域对应的温度值越高，且温度分布与应变分布有一定的相关性。这是由于材料在变形破坏的过程中会释放热量，在变形剧烈的区域，其表面微裂纹产生、扩展或微裂纹颗粒之间的相互摩擦所产生的热效应越明显[16]。图5显示试样中心区域峰值温度和截面平均应力随时间的变化曲线，可以看出在失效阶段，材料表面有明显的温度跃升。学生了解到红外热像技术可以作为一种非接触的无损检测手段，通过监测温度的变化分析材料的损伤过程[17]。

图4 带孔试样断裂前（320 s）表面的温度分布情况和纵向应变的分布情况

图5 孔边峰值温度和截面平均应力随时间的变化曲线

3 结语

我院在本科生材料力学实验中引入DIC技术和红外热像技术，获得了以下成果：

（1）将科研技术和方法应用于教学，更新完善传统的教学实验内容。

（2）实验内容丰富实用。除获得应力应变曲线，还可进行泊松比和断裂延伸率测量、全场应变观察、材料流动性分析和能量耗散情况观察，多方位了解材料的变形过程。

（3）帮助学生了解掌握当前力学和热学领域的先进测量手段，培养具有创新精神、科研意识、国际化视野的新工科人才。

未来考虑将DIC的测量结果与有限元软件分析结果进行全场应变对比，形成仿真与实际的直观对照，并探索测量圆柱形试样颈缩区域横截面的真实面积，从而得到真实应力-应变曲线。

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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

四川大学2017年创新创意实验项目（20171105）

梁栋（1990—），男，四川眉山，硕士，工程师，实验室主任，研究方向为高温合金热机械性能。E-mail: dongliang@scu.edu.cn