基于数字设计散斑的数字图像技术在断裂裂纹检测中的应用

魏镇 李晓雷 刘帅龙 周亮

摘要 数字图像方法（DIC）具有非接触、高精度、全场测量的优点，适用于橡胶材料大变形力学问题的实验研究。散斑作为试件变形信息的载体，制作高质量的散斑对于DIC尤为重要。本文对散斑进行了多参数数字设计，采用MIG法和MIOSD法对设计的数字散斑进行了评价和优选;提出了一种基于粘附力的无损散斑移转技术，将散斑便易可靠地移转到试件表面，可以随橡胶材料发生大变形而不脱落;采用数字设计散斑和无损移转的数字图像技术，对一类橡胶的I型断裂问题进行了研究，实验得到了裂尖场存在径向奇异分层和环向变形分区特性;实验结果表明数字设计散斑的DIC技术在橡胶材料断裂问题的实验研究具有良好的适应性和应用前景。

关 键 词 数字图像方法;数字散斑;无损散斑移转技术;变形测量

中图分类号 O348.9     文献标志码 A

Abstract Digital image correlation （DIC） has the advantages of non-contact， high accuracy and full field measurement， and is suitable for experimental research on large deformation mechanics of rubber materials. Since speckle is the carrier of deformation information， making high quality speckle is particularly important for DIC. In this paper， the multi parameter digital design of speckle is carried out. The design of digital speckle is evaluated and optimized by MIG and MIOSD. A nondestructive speckle transfer technique based on adhesion force is put forward to move the speckle to the surface of the specimen easily and reliably. The I type fracture analysis of a class of rubber is studied by digital image correlation technique with speckle and nondestructive transfer. The experimental results show that the crack tip field has the characteristics of radial singular stratification and circumferential deformation. The experimental results show that the digital design speckle based DIC technology has good adaptability and application prospect in the experimental study fracture analysis of rubber material.

Key words digital image correlation method; digital speckle; nondestructive speckle transfer technique; deformation measurement

0 引言

橡胶类大变形材料的力学性能研究与金属材料的研究不同，主要通过光学测量的手段对试件的变形情况进行测量。光学测量方法中主要包括光弹法、云纹法、数字图像方法等[1-2]。其中数字图像方法（Digital image Correlation，DIC）对实验环境要求低，可测量试件变形时的位移场和应变场，具有非接触、高精度、全场测量的优点，使用起来较为方便。

散斑制作是数字图像方法中的一个重要步骤，测量位移场和应变场时，需要在试件表面制作散斑，并确保散斑能与试件一起发生变形。美国的Correlated Solutions公司提供了不同尺寸的散斑模板，可以把散斑直接印刷到试件表面，减小了喷漆法中人为因素对散斑造成的影响[3]。Ghorbani等[4]对印刷散斑法进行了研究，表明印刷法在桥梁、墙体等规则结构表面上适用性良好。散斑制作方法还有紫外线刻蚀法[5]、电子束光刻法[6]等，这些制斑方法成本较高，对环境和设备的要求苛刻，适用于金属材料，当试件为橡胶材料时，上述方法就会存在一定的局限性。

近年来，Wang[7]提出了一种离心甩胶的方式来制作散斑，碳粉和环氧树脂混合后通过超声振荡等手段去除气泡后滴在亚克力薄板上，放入甩胶机离心，加热亚力克板得到散斑图。Chen[8]提出了一种基于水转印技术的数字制斑方法，制作由贴花部分、印刷散斑图和保护层组成的转印纸，在试件表面涂上底色，将转印纸贴在试件表面完成散斑制作。Liou[9]提出了一種利用纹身纸将计算机模拟散斑转移到试件表面的技术，与水转印技术类似，纹身纸中含有油墨，油墨颗粒比碳粉颗粒大且油墨里面含挥发性物质，会污染环境。本文采用散斑的数字设计和无损移转技术，依靠水溶胶的黏结力将打印的数字设计散斑从投影胶片转移到试件表面，该方法制斑不破坏试件的力学性能，操作简单可靠，可重复性好，制作的散斑图质量高。

1 数字散斑的设计

本文采用数字设计散斑，定义占空比为散斑设计中的散斑斑点所占面积与所设计的散斑总图像面积之比。散斑的设计公式为

4.2 裂尖区域主应变场分析

取位移载荷为0.69 mm时进行分析，其裂纹尖端区域的最大主应变进行分析，如图11所示。

以裂纹尖端为原点，沿不同角度做出路径进行分析，由于试件的最大主应变[ε1]是关于x轴对称分布的，所以取与x轴夹角为0°、15°、30°、45°、60°、90°这6条路径进行分析，横坐标做无量纲处理，其图像如图12所示。

在裂尖场区域中，对最大主应变和路径r取对数进行分析，不同路径下最大主应变双对数曲线如图13所示。最大主应变[ε1]双对数曲线中间部分存在线性变化的线段，表明裂尖部分存在指数型变化的奇异性变化部分，线性直线的斜率为，材料的奇异性指数[λ]为0.33。对氟硅橡胶在不同应变率下的最大主应变场进行分析，裂纹尖端的奇异性区可分为3层，最内为非线性奇异层，中间为呈指数型变化的奇异层，最外为线弹性层，如图14所示。

5 结论

数字图像方法在橡胶材料的力学问题研究中适用性好，散斑制作为数字图像方法中关键的技术，其质量直接影响测量得精度和可靠性。本文对散斑进行了多参数数字设计，并提出了一种适合于橡胶类大变形材料的无损数字散斑移转技术，对氟硅橡胶橡胶I型断裂问题进行研究。分析裂尖区域的变形场，对裂尖进行了环向分区和径向分层。实验结果验证了裂尖场的奇异性径向分层和裂尖变形场的收缩扩张分区规律。

参考文献：

[1]    戴福隆，沈观林，谢惠民. 实验力学[M]. 北京：清华大学出版社，2010.

[2]    計欣华，邓宗白，鲁阳，等. 工程实验力学[M]. 第2版. 北京：机械工业出版社，2009.

[3]    CORRELATED SOLUTIONS. VIC speckle pattern application kit[EB/OL]. [2018-05-03]. http：//correlatedsolutions. com/speckle-kit/.

[4]    GHORBANI R，MATTA F，SUTTON M A. Full-field deformation measurement and crack mapping on confined masonry walls using digital image correlation[J]. Experimental Mechanics，2015，55（1）：227-243.

[5]    SCRIVENS W A，LUO Y，SUTTON M A，et al. Development of patterns for digital image correlation measurements at reduced length scales[J]. Experimental Mechanics，2007，47（1）：63-77.

[6]    LI N，GUO S M，SUTTON M A. Recent progress in E-beam lithography for SEM patterning[C]// PROULX Tom. MEMS and Nanotechnology，Volume 2. New York：Springer New York，2011：163-166.

[7]    WANG H X，XIE H M，DAI X L，et al. Fabrication of a DIC sensor for in-plane deformation measurement[J]. Measurement Science and Technology，2013，24（6）：065402.

[8]    CHEN Z N，QUAN C G，ZHU F P，et al. A method to transfer speckle patterns for digital image correlation[J]. Measurement Science and Technology，2015，26（9）：095201.

[9]    LIOU N S. Specimen gratings made from body art paper for in-plane moiré strain analysis[J]. Polymer Testing，2005，24（4）：535-539.

[10]  刘洋，申立勇. 判别平面上两个椭圆位置关系的代数条件[J]. 计算机辅助设计与图形学学报，2003，15（5）：555-560.

[11]  苏勇. 数字图像技术中散斑质量评价标准的研究[D]. 合肥：中国科学技术大学，2016.

[12]  MAZZOLENI P，ZAPPA E，MATTA F，et al. Thermo-mechanical toner transfer for high-quality digital image correlation speckle patterns[J]. Optics and Lasers in Engineering，2015，75：72-80.

[13]  YU H，GUO R X，XIA H T，et al. Application of the mean intensity of the second derivative in evaluating the speckle patterns in digital image correlation[J]. Optics and Lasers in Engineering，2014，60：32-37.

[14]  李晓雷. 数字云纹法及其在大变形测量中的应用[D]. 天津：天津大学，2006.

[责任编辑    杨    屹]