一、項(xiàng)目背景
聚合物基復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度、比剛度、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，成為飛機(jī)、火箭、人造衛(wèi)星、軍工武器等結(jié)構(gòu)上不可或缺的戰(zhàn)略材料。隨著聚合物基復(fù)合材料的大量應(yīng)用，復(fù)合材料構(gòu)件的失效也逐漸增多，且可能造成災(zāi)難性事故。
與傳統(tǒng)的金屬材料結(jié)構(gòu)相比，復(fù)合材料在承受載荷或發(fā)生故障時(shí)的性能有著顯著差異。因?yàn)閺?fù)合材料通常是脆性的，不像金屬通常是韌性的，后者在破壞前會(huì)變形。這些變量是復(fù)合材料所特有的，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試復(fù)合材料在荷載作用下的失效和破壞行為，可以為新材料及部件及的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和性能提升提供數(shù)據(jù)依據(jù)。
二、測(cè)量需求
由復(fù)合材料制成的部件，在應(yīng)用過(guò)程中不可避免地會(huì)受到動(dòng)態(tài)載荷的作用，而復(fù)合材料在動(dòng)態(tài)載荷作用下的力學(xué)性能有著顯著的不同，因此有必要對(duì)特殊材質(zhì)的復(fù)合材料式樣展開(kāi)拉伸、剪切、壓縮試驗(yàn)，并與傳統(tǒng)的應(yīng)變片手段進(jìn)行對(duì)比。
三、原有檢測(cè)方法
原有解決方案
電阻應(yīng)變計(jì)是過(guò)去常用的應(yīng)變測(cè)量方法，在結(jié)構(gòu)表面安裝應(yīng)變片，受載后結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生微小變形，應(yīng)變計(jì)的敏感柵也隨著變形，電阻相應(yīng)發(fā)生變化，即尺寸變化轉(zhuǎn)化為電阻變化，將電信號(hào)輸入儀器進(jìn)行分析，從而得到相應(yīng)應(yīng)變。
傳統(tǒng)的復(fù)合材料應(yīng)變檢測(cè)方法，采用引伸計(jì)與應(yīng)變片等接觸式方法進(jìn)行，應(yīng)變片直接粘貼于式樣表面，并通過(guò)接線的方式與采集箱連接，精度較高。
原有方案不足
應(yīng)變計(jì)作為應(yīng)變測(cè)量的工具，存在著貼片過(guò)程繁瑣，使用繁瑣，測(cè)量精度嚴(yán)重依賴其貼片質(zhì)量。
對(duì)于纖維、膜等不適于粘貼應(yīng)變片的材料和結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)，接觸式測(cè)量方式會(huì)影響試件本身的力學(xué)性能。
應(yīng)變計(jì)量程有限，難以捕捉到關(guān)鍵位置的變形初始位置，無(wú)法測(cè)量大變形或斷裂試件，影響測(cè)試數(shù)據(jù)的質(zhì)量。
四、新拓的DIC測(cè)量方案
復(fù)合材料共有三個(gè)類別試件，各個(gè)復(fù)合材料特性均有所差異。需測(cè)試一種試件在拉伸時(shí)失效斷裂，一種試件以一定角度剪切失效斷裂，而在另一種試件中以壓縮加載測(cè)試受力性能。采用新拓三維XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)對(duì)試件在加載下進(jìn)行全場(chǎng)測(cè)量，并實(shí)時(shí)計(jì)算出位移場(chǎng)及應(yīng)變場(chǎng)分布。
1、拉伸應(yīng)變測(cè)量
利用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，設(shè)置XTDIC系統(tǒng)的工業(yè)相機(jī)1秒1幀的采樣速率，試驗(yàn)機(jī)與工業(yè)相機(jī)同步進(jìn)行圖像采集，直至復(fù)合材料試件破壞，停止加載并完成采集，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，在試件拉力處獲得全場(chǎng)應(yīng)變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)。
由于數(shù)字圖像的離散性特點(diǎn)，DIC測(cè)量方法可快速計(jì)算以像素為精度單位的試件全場(chǎng)位移，輸出試件測(cè)量的位移場(chǎng)。
通過(guò)算法計(jì)算得到亞像素精度的全場(chǎng)位移，基于位移進(jìn)行數(shù)值微分處理得到應(yīng)變場(chǎng)，試件應(yīng)變場(chǎng)如下圖所示：
關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)變曲線：
采用XTDIC系統(tǒng)對(duì)復(fù)合材料樣件進(jìn)行全場(chǎng)測(cè)量，可測(cè)試材料的抗拉強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等特性參數(shù)，測(cè)試復(fù)合材料在受力加載時(shí)抵抗伸長(zhǎng)變形的能力及斷裂的特性。
2、劈裂應(yīng)變測(cè)量
將碳纖維復(fù)合材料試件放在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上，借助夾具兩側(cè)桿將試件對(duì)中。試驗(yàn)機(jī)以連續(xù)、均勻的速度加載荷，直至試件劈裂為止，試驗(yàn)機(jī)與XTDIC系統(tǒng)搭配的工業(yè)相機(jī)同步進(jìn)行圖像采集，記錄下破壞載荷，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，獲得劈裂過(guò)程全場(chǎng)應(yīng)變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)。
DIC測(cè)量方法可快速計(jì)算試件劈裂過(guò)程的全場(chǎng)位移，測(cè)試出試件裂縫的位置、形態(tài)、分布特征，裂縫發(fā)生及開(kāi)展的時(shí)間過(guò)程，裂縫周圍試件表觀質(zhì)量情況等，位移場(chǎng)如下所示：
基于位移進(jìn)行數(shù)值微分處理得到應(yīng)變場(chǎng)，復(fù)合材料在劈裂過(guò)程的相對(duì)位移情況一目了然，試件應(yīng)變場(chǎng)如下圖所示：
對(duì)復(fù)合材料的劈裂力學(xué)測(cè)試，XTDIC系統(tǒng)與試驗(yàn)機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彈性模量、剪切模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)的測(cè)量，適用于各類材料非均勻變形場(chǎng)的測(cè)量。
2、壓縮應(yīng)變測(cè)量
通過(guò)抗壓試驗(yàn)可測(cè)定材料的抗壓強(qiáng)度，XTDIC系統(tǒng)對(duì)于脆性材料其極限強(qiáng)度可快速測(cè)定，對(duì)于多異向性材料可測(cè)定變形極限作為強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。此次測(cè)試的樣件為碳纖維復(fù)合材料，除測(cè)定抗壓強(qiáng)度外，還可測(cè)定壓力——應(yīng)變曲線和彈性模量等，并輸出全場(chǎng)應(yīng)變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)。
XTDIC系統(tǒng)可快速計(jì)算試件壓縮加載全場(chǎng)位移，測(cè)試出試件受壓變形位置，變形極限，表面破壞等演化過(guò)程，位移場(chǎng)如下所示：
基于位移進(jìn)行數(shù)值微分處理得到應(yīng)變場(chǎng)，碳纖維復(fù)合材料在壓縮加載過(guò)程的應(yīng)變場(chǎng)，如下圖所示：
碳纖維復(fù)合材料在劈裂過(guò)程中，截取局部關(guān)鍵點(diǎn)反映其力學(xué)性能，輸出應(yīng)變數(shù)據(jù)：
壓縮實(shí)驗(yàn)是材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)中基本的實(shí)驗(yàn)，它對(duì)評(píng)定材料的基本力學(xué)性能關(guān)系最密切。對(duì)于材料的使用需考量其壓縮強(qiáng)度，這有助于分析材料的負(fù)載性能，改進(jìn)材料本身抗壓的結(jié)構(gòu)性能，抗壓試驗(yàn)的作用和意義就顯得尤為重要。
使用XTDIC系統(tǒng)記錄材料樣品的拉伸、劈裂、壓縮試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)搭配的工業(yè)相機(jī)可記錄材料樣品在各種情況下（從靜態(tài)荷載到動(dòng)態(tài)荷載條件/失效）的變形情況，從全場(chǎng)測(cè)量區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，測(cè)量結(jié)果可視化，以便做進(jìn)一步的分析評(píng)估，成為材料力學(xué)試驗(yàn)的理想分析工具。