背景：銅資源價(jià)格較為昂貴，銅/鋁復(fù)層材料是業(yè)界公認(rèn)的銅材料替代品。在銅/鋁復(fù)層材料拉伸力學(xué)性能研究中，傳統(tǒng)應(yīng)變檢測(cè)方法（引伸計(jì)、應(yīng)變電測(cè)、云紋干涉等）操作過程復(fù)雜、無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量和受環(huán)境影響較大，限制了銅/鋁復(fù)層材料的進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用。

數(shù)字圖像相關(guān)（digital image correlation，DIC）方法是一種非接觸式的可用于全場(chǎng)變形測(cè)量的方法，數(shù)字圖像相關(guān)DIC能在不改變被測(cè)試樣力學(xué)性能的情況下對(duì)試樣的變形進(jìn)行測(cè)量，具有試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)量過程簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、適用測(cè)量范圍廣泛等突出優(yōu)點(diǎn)，是試驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域中一種重要的光學(xué)測(cè)量手段。

試驗(yàn)系統(tǒng)：

采用新拓三維XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，基于DIC技術(shù)方法對(duì)銅/鋁復(fù)層板及其組分材料伸過程中的全場(chǎng)應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果、拉伸試驗(yàn)結(jié)果和有限元模擬結(jié)果對(duì)比，通過引入應(yīng)變差值研究DIC方法和有限元方法獲得理想結(jié)果。

DIC應(yīng)變測(cè)量試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

DIC測(cè)量所得位移和應(yīng)變

在新拓三維XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)中，截取試樣標(biāo)距段的未變形散斑圖像，定義散斑圖像的左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，寬度方向?yàn)?x 軸正方向，長(zhǎng)度方向（拉伸方向）為y軸正方向，并選取上端中點(diǎn) A 和下端中點(diǎn)B 作為觀測(cè)點(diǎn)，將兩點(diǎn)連線作為計(jì)算區(qū)域。

DIC散斑圖像坐標(biāo)及觀測(cè)點(diǎn)

通過DIC方法對(duì)變形前后的散斑圖像進(jìn)行灰度特征匹配和相關(guān)計(jì)算,得出試樣拉伸過程中不同方向的位移和應(yīng)變。銅板、鋁板及銅/鋁復(fù)層板不同方向的位移、應(yīng)變曲線。

不同方向的位移、應(yīng)變曲線

在拉伸過程中，銅板、鋁板及銅/鋁復(fù)層板不同 方向的位移、應(yīng)變曲線不同，其中位移基本呈線性變化，應(yīng)變先呈線性變化，后隨試樣頸縮而急劇增大。2條曲線形狀不同，主要是因?yàn)?XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算時(shí)考慮了試樣的長(zhǎng)度伸長(zhǎng)及截面縮小等非線性因素的影響，所得應(yīng)變?yōu)檎鎸?shí)應(yīng)變，而非名義應(yīng)變。

銅板、鋁板及銅/鋁復(fù)層板不同方向的位移和應(yīng)變

通過不同方向下的位移、應(yīng)變進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，銅板的位移、應(yīng)變最大，鋁板的位移、應(yīng)變最小，銅/鋁復(fù)層板的位移、應(yīng)變位于銅板和鋁板之間，且與銅板的位移、應(yīng)變相差較大，與鋁板的位移、應(yīng)變相差較小。

由于試樣的拉伸方向?yàn)?y 方向，為進(jìn)一步研究銅/鋁復(fù)層板與其組分材料間的位移、應(yīng)變關(guān)系，將銅板、鋁板及銅/鋁復(fù)層板 y 方向的位移和應(yīng)變分別繪制在同一圖上：

對(duì)應(yīng)變曲線進(jìn)行分析可得，在拉伸前期，銅板y方向應(yīng)變最大，銅/鋁復(fù)層板次之，鋁板最小。當(dāng)試樣發(fā)生頸縮將要斷裂時(shí)，3 種材料的應(yīng)變發(fā)生驟增，但斷裂時(shí)刻銅板的應(yīng)變最大，鋁板最小，銅/鋁復(fù)層板位于兩者之間。

與拉伸試驗(yàn)所得應(yīng)變對(duì)比

將基于拉伸試驗(yàn)和DIC方法所得銅板、鋁板及銅/鋁復(fù)層板的應(yīng)變曲線進(jìn)行對(duì)比，3 種材料 DIC 測(cè)量所得應(yīng)變曲線與拉伸試驗(yàn)所得應(yīng)變曲線很接近，表明采用DIC方法能真實(shí)地反映試樣拉伸過程中的應(yīng)變變化，驗(yàn)證了DIC方法的有效性。

基于拉伸試驗(yàn)和 DIC 方法所得銅板、鋁板及銅/鋁復(fù)層板的應(yīng)變曲線

與有限元模擬應(yīng)變對(duì)比

將 DIC 測(cè)量所得主應(yīng)變與有限元模擬主應(yīng)變進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者具有較高一致性，且最大主應(yīng)變基本相同，其應(yīng)變相差最大為0.442%，最小為0.008%。另外，通過對(duì)比試樣表面的應(yīng)變分布可得，2 種方法所得的應(yīng)變分布也基本相同，表明采用DIC方法對(duì)銅板、鋁板及銅/鋁復(fù)層板進(jìn)行拉伸應(yīng)變檢測(cè)是可行的。

3 種方法所得應(yīng)變對(duì)比

銅板、鋁板及銅/鋁復(fù)層板不同時(shí)刻的應(yīng)變（%）

為計(jì)算DIC方法和有限元方法所得應(yīng)變結(jié)果的精確程度，以拉伸試驗(yàn)所得應(yīng)變?yōu)榛鶞?zhǔn)，引入應(yīng)變差值Δε，其中ΔεDIC為DIC方法、ΔεFEM為有限元方法所得應(yīng)變差值，該值在一定程度上反映了DIC測(cè)量應(yīng)變、有限元模擬應(yīng)變與拉伸試驗(yàn)所得應(yīng)變之間的吻合程度。

銅板、鋁板及銅/鋁復(fù)層板不同時(shí)刻的應(yīng)變差值（%）

與有限元方法相比，基于 DIC 測(cè)量所得應(yīng)變與真實(shí)應(yīng)變最為接近，采用 DIC 方法測(cè)量銅/鋁復(fù)層板的拉伸應(yīng)變是可行的，且該方法能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)試樣拉伸過程中的應(yīng)變變化。

試驗(yàn)結(jié)論

1）在拉伸過程中，銅板、鋁板及銅/鋁復(fù)層板不同方向的位移、應(yīng)變不同，且差異顯著，其中銅板的位移、應(yīng)變最大，鋁板最小，銅/鋁復(fù)層板位于銅板和鋁板之間，且與銅板相差較大，與鋁板相差較小。3種材料的總位移和主應(yīng)變最大，y方向位移、應(yīng)變次之，x方向最小，且y方向位移、應(yīng)變與總位移和主應(yīng)變相差較小。

2）基于拉伸試驗(yàn)和DIC方法所得銅板、鋁板及銅/鋁復(fù)層板的應(yīng)變曲線很接近，且銅板和銅/鋁復(fù)層板拉伸試驗(yàn)所得應(yīng)變大于DIC測(cè)量所得應(yīng)變，而鋁板與之相反。DIC測(cè)量所得主應(yīng)變與有限元模擬主應(yīng)變具有較高一致性，且兩者表面應(yīng)變分布和最大主應(yīng)變基本相同。不同時(shí)刻，不同材料的應(yīng)變差值不同，且有限元模擬所得應(yīng)變差值變化較大，DIC方法所得應(yīng)變差值變化較小。

3）通過將DIC方法、拉伸試驗(yàn)和有限元方法所得應(yīng)變進(jìn)行對(duì)比分析，證明了DIC方法用于銅/鋁復(fù)層材料拉伸應(yīng)變檢測(cè)的可行性與可靠性。同時(shí)，該方法也為其他復(fù)層材料的應(yīng)變檢測(cè)提供了參考。

案例摘自：【李艷芹，鄭州輕工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，數(shù)字圖像相關(guān)方法檢測(cè)銅/鋁復(fù)層材料應(yīng)變研究】