曲　嘉，李東昌，黃　超

（1.哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱理工大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150080）

動態(tài)斷裂韌性實驗中DIC技術(shù)應(yīng)用研究

曲嘉1，李東昌1，黃超2

（1.哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱理工大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150080）

高速沖擊動態(tài)斷裂韌性的加載和測試技術(shù)一直是近年關(guān)注的熱點，隨著計算機和光學(xué)傳感器的發(fā)展，采用數(shù)字圖像相關(guān)方法測量材料的動態(tài)斷裂韌性已成為重要選擇。該文基于分離式Hopkinson壓桿原理的加載技術(shù)，通過高速攝影機拍攝高速沖擊下三點彎曲試樣裂紋的起裂和擴展，運用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)分析裂尖場的散斑圖像，計算得到相應(yīng)的應(yīng)變場變化，試樣外表面處于平面應(yīng)力狀態(tài)，其裂尖應(yīng)變場呈現(xiàn)“0”型，而非試樣對稱面所處于的平面應(yīng)力狀態(tài)下呈“8”型。結(jié)果表明，DIC技術(shù)可以應(yīng)用于動態(tài)斷裂韌性實驗，也證明裂尖場粘貼的應(yīng)變片測量試樣起裂的有效性。

數(shù)字圖像相關(guān)；動態(tài)斷裂韌性；分離式霍普金森壓桿；不銹鋼

0　引　言

斷裂韌性是材料抵抗破壞的重要參數(shù)，隨著斷裂力學(xué)工程應(yīng)用的逐步深入，已成為研究者關(guān)注的熱點［1］。三點彎曲試樣作為測定準靜態(tài)載荷作用下的標(biāo)準試件已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但由于動態(tài)斷裂題的復(fù)雜性，目前還沒有標(biāo)準的測試方法。盡管如此，由于三點彎曲試樣比較簡單，加載也很方便，因此采用三點彎曲試樣，并通過分離式霍普金森壓桿技術(shù)進行動態(tài)斷裂韌性實驗研究。

數(shù)字圖像相關(guān)測量方法是由美國 Peters和Ranson教授及日本的Yamaguchi在20世紀80年代初期共同獨立提出的［2-3］。隨著數(shù)字圖像相關(guān)識別技術(shù)和計算機數(shù)字圖像處理技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)成為一種運用計算機對采集圖像進行數(shù)字化分析的技術(shù)［4］。本文采用高速攝影與數(shù)字圖像相結(jié)合，監(jiān)測試樣的起裂和裂紋擴展，獲得在裂紋尖端所引起的應(yīng)變場變化。結(jié)果分析驗證了裂尖場粘貼的應(yīng)變片測量試樣起裂的有效性。數(shù)字圖像相關(guān)方法具有試驗環(huán)境易于實現(xiàn)、測量范圍易于控制和試驗結(jié)果圖形化等諸多優(yōu)點，能滿足實驗力學(xué)及其工程測量的實際需要。

1　動態(tài)斷裂韌性實驗

1.1試樣疲勞預(yù)制裂紋和噴涂散斑

本次實驗設(shè)備為分離式Hopkinson壓桿，用不銹鋼材料制備含有預(yù)制裂紋的三點彎曲試樣，試樣的厚度為10 mm，高度為20 mm，跨距為80 mm。使用Instron-8801電液伺服試驗機對試樣以正弦波的方式進行加載，預(yù)制后的裂紋總長度為10mm。在預(yù)制裂紋的試件一面噴涂隨機散斑，處理完成的試件如圖1所示。

圖1　預(yù)制裂紋和噴涂散斑試件圖

1.2霍普金森壓桿技術(shù)和實驗裝置

分離式霍普金森壓桿（SHPB）原型是由Hopkinson于1914年提出，用于測量載荷的脈沖波形。1949年，Kolsky提出將壓桿分成兩段，試樣置于兩桿中間，從而使這一裝置可用于測量材料在沖擊載荷作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系［5-6］。SHPB試驗裝置示意圖如圖2所示，通過炮筒內(nèi)發(fā)射的短桿子彈以一定速度撞擊入射桿，再由入射桿對三點彎曲試樣進行加載，短桿子彈的速度由激光分束測速裝置測得。在試樣裝夾處用高速攝影機拍攝試樣整個斷裂過程，以便使用數(shù)字圖形相關(guān)技術(shù)分析起裂和裂紋擴展過程，圖3為SHPB試驗裝置圖和三點彎曲試樣裝夾圖。

圖2　SHPB試驗裝置圖

圖3　試件裝夾圖

1.3試驗過程及結(jié)果

實驗過程中，先對桿系進行固定，利用桿系的調(diào)節(jié)裝置對桿系進行調(diào)節(jié)，使入射桿與透射桿保持同軸并且在同一水平面上。在入射桿和透射桿上分別粘貼兩組應(yīng)變片，粘貼時保證每根桿上的兩個應(yīng)變片在桿的同一截面相對稱的位置，這樣可以消除由于桿的彎曲變形對應(yīng)變信號測量所產(chǎn)生的影響。通過這兩組應(yīng)變片測量入射桿和透射桿的應(yīng)變信號。在對引線以及屏蔽線的焊接過程中，一定要保證連接點要光滑，最大程度的消除人為因素對試驗結(jié)果產(chǎn)生的影響。使用高速攝影機進行圖像采集，采集到的數(shù)字圖像如圖4所示，并存入計算機。

圖4是使用高速攝影機采集到的數(shù)字圖像，（a）～（d）分別為激發(fā)采集后不同時間下三點彎曲試樣的表面圖像，可以看出在激發(fā)后458.302 ms時表面首先開始開裂，在此之前沒有開裂，本文使用的高速攝影機前一幀為458.227ms，選取此時的試樣圖像為原始圖像，開裂后再經(jīng)過0.025 ms，裂紋擴展已經(jīng)可以從表面明顯看出，在激發(fā)后458.401 ms時裂紋擴展已經(jīng)特別明顯，取這幾張有代表性的圖像作為動態(tài)斷裂韌性試驗的結(jié)果。

2　數(shù)字圖像相關(guān)方法分析裂紋擴展

2.1數(shù)字圖像相關(guān)基本原理

數(shù)字圖像相關(guān)方法的基本原理［10-14］是通過比較試件變形前后物體表面分布的散斑圖的變化，來獲得位移和應(yīng)變等變形信息。數(shù)字圖像相關(guān)實現(xiàn)過程是在變形前的圖像中，以所要計算的點為中心選取子區(qū)，利用子區(qū)中的灰度場，在變形后的圖像中，通過相關(guān)運算找出最值的目標(biāo)圖像的對應(yīng)區(qū)域，變形前后對應(yīng)以確定該點的位移值。再通過亞像素插值方法獲得連續(xù)位移值，計算位移梯度獲得應(yīng)變值［7-9］。

圖4　動態(tài)三點彎曲試樣起裂和裂紋擴展圖

圖5　數(shù)字圖像相關(guān)原理圖

相關(guān)運算的核心是相關(guān)公式的選擇，本文采用的相關(guān)系數(shù)為

式中：r——參考圖像灰度大?。?/p>

d——變形后圖的灰度大??；

（x′，y′）——原始圖像中心點的坐標(biāo)；

（u′，ν′）——理論位移，計算最大相關(guān)系數(shù)對

應(yīng)的位移是（u，ν）。

采用Matlab編制的數(shù)字圖像相關(guān)程序?qū)Σ杉降膱D像進行數(shù)據(jù)處理［10］。

2.2數(shù)字圖像技術(shù)分析

圖6為試樣噴涂散斑區(qū)域和試樣計算區(qū)域，該區(qū)域也是實驗中貼片的位置，通過分析數(shù)字圖像，采用有限元法對位移插值獲得應(yīng)變場變化。

圖6　圖像采集區(qū)域和DIC計算區(qū)域

圖7中（a）為激發(fā)后的時間458.302 ms時的起裂時刻產(chǎn)生的應(yīng)變，其中最大應(yīng)變?yōu)?.4%，隨著裂紋擴展，激發(fā)后的時間458.327ms時產(chǎn)生的最大應(yīng)變?yōu)?.6%，最后458.401ms時裂紋擴展到很大時相較于原始圖像產(chǎn)生30%應(yīng)變。從裂紋擴展過程可以看出金屬材料動態(tài)斷裂過程中，表面上裂紋是沿著裂紋線開裂，裂紋尖端前移導(dǎo)致應(yīng)變區(qū)域向裂紋擴展方向移動。試樣外表面處于平面應(yīng)力狀態(tài)，其裂尖應(yīng)變場的呈現(xiàn)“0”型，而非試樣對稱面所處于的平面應(yīng)力狀態(tài)下呈“8”型，由于本文測試的圖像為試樣表面，因此，計算顯示應(yīng)變場是呈現(xiàn)“0”型擴展的。

圖7　動態(tài)三點彎曲試樣應(yīng)變場變化圖

3　結(jié)束語

本文基于分離式Hopkinson壓桿原理的加載技術(shù)，通過高速攝影機拍攝高速沖擊下裂紋的起裂和擴展，運用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)分析裂紋擴展圖像，獲得在裂紋尖端所引起的應(yīng)變場變化。結(jié)果表明，DIC技術(shù)可用于動態(tài)斷裂韌性實驗，測得處于平面應(yīng)力狀態(tài)的試樣外表面裂尖應(yīng)變場呈現(xiàn)“0”型，而非試樣對稱面所處于的平面應(yīng)力狀態(tài)下呈“8”型，也證明了裂尖場粘貼的應(yīng)變片測量試樣起裂的有效性。同時，從裂紋擴展過程可以看出金屬材料動態(tài)斷裂的過程是沿著裂紋線開裂，由于處于平面應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)變場是呈現(xiàn)環(huán)狀擴展的。據(jù)此，DIC技術(shù)應(yīng)用于動態(tài)斷裂韌性可為工程中測量材料的斷裂特性提供一種實用可靠的方法。

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（編輯：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

國家自然科學(xué)基金（11302055）哈爾濱市科技創(chuàng)新人才專項基金（2013RFQXJ009）

曲嘉（1979-），男，黑龍江哈爾濱市人，副教授，博士，研究方向為沖擊動力學(xué)及強度理論。