高速3D-DIC技術用于霍普金森桿試件拉伸瞬態(tài)變形測量

妮子201812

利用分離式霍普金森壓桿（SHPB），對材料進行動態(tài)沖擊力學測試，研究材料的動態(tài)力學性能。采用兩臺高速攝像機采集瞬態(tài)沖擊圖像，通過三維數(shù)字圖像相關（3D-DIC）技術分析高速攝像圖像，獲得材料實時應變場，據(jù)此分析了動態(tài)荷載下材料的動力變形特性和裂紋開展行為。

        實驗目的

        采用新拓三維XTDIC三維全場應變測量系統(tǒng)，基于三維數(shù)字圖像相關法（3D-DIC技術），分析高速攝像機采集的圖像，測量霍普金森桿試件拉伸過程中的瞬態(tài)變形。

        實驗簡介

        霍普金森桿裝置主要用于材料動態(tài)力學性能的測試，應變率范圍102-104s-1。當槍膛中的打擊桿（子彈）以一定的速度彈入輸入桿時，在輸入桿中產生一個入射脈沖，應力波通過彈性輸入桿到達試件，試件在應力脈沖作用下產生高速變形，應力波通過試件同時產生反射脈沖進入彈性輸入桿和投射脈沖進入輸出桿。

        利用測速器可以獲得子彈的打擊速度，利用粘貼在彈性桿上的應變片，記錄下的應變脈沖計算材料的動態(tài)應力、應變參數(shù)。

        新拓三維3D-DIC技術，XTDIC三維全場應變測量系統(tǒng)，結合高速攝像機可實現(xiàn)霍普金森桿實驗中高速加載圖像采集，3D-DIC軟件對采集圖像進行分析，實現(xiàn)三維全場變形和應變測量，從數(shù)據(jù)準確性、全面性和操作便攜性等方面顛覆了傳統(tǒng)測量方法，為霍普金森桿實驗中的變形和應變測量提供全新解決方案。

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        霍普金森桿實驗又分為拉伸和壓縮實驗，壓縮實驗試件易飛出，需要有保護玻璃，需要定制相關橫梁。此實驗為拉伸實驗，試件不飛出，可不需要保護玻璃及橫梁。

        實驗參數(shù)：材料：不銹鋼，試件尺寸：Ф4X10mm，采集幀頻：100000幀，相機：phantomV1612 分辨率768X96、256X96，鏡頭：佳能24-70mm可調 快門9us、光圈4，觸發(fā)方式：后觸發(fā)。

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霍普金森桿沖擊-拉伸試件

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新拓高速3D-DIC測量設備布置

        實驗流程

        試件制備，將試件放置在合適位置，調節(jié)3D-DIC技術設備相機、鏡頭相關參數(shù)。滿幅面下（1280X800），128x96標定板對XTDIC三維全場應變測量系統(tǒng)進行標定，偏差0.02。

        3D-DIC技術搭配的高速攝像機分辨率改為256X96或768X96，進行霍普金森桿沖擊實驗。實驗完成后，采用后觸發(fā)采集數(shù)據(jù)，采用3D-DIC技術軟件對數(shù)據(jù)進行計算。

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3D-DIC技術設備調節(jié)焦距

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        3D-DIC技術設備相機標定

        霍普金森桿實驗數(shù)據(jù)處理

        數(shù)據(jù)要求：在3D-DIC技術軟件中，左、中、右選三個點，繪制真實、工程主應變、次應變曲線，并計算應變率。沿一條直線上的主應變、次應變曲線。

        剪切應變云圖；位移、應變云圖。最大應變能達到60%左右，最大應變率能達到1800s-1左右。

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3D-DIC技術軟件分析應變場

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3D-DIC技術軟件分析位移場

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3D-DIC技術軟件分析軸向截線上應變分布

        3D-DIC軟件分析結論

        3D-DIC技術搭配的高速攝像機大致參數(shù)為100萬滿分辨率下16000幀，針對具體霍普金森桿不同實驗，具體要求相機、鏡頭可靈活選擇。通過高速攝像機獲取試件變形過程中圖片，DIC軟件可計算出試件表面三維位移場及應變場。

        除了應用于霍普金森壓桿試驗，新拓三維高速3D-DIC技術還可以用于其他沖擊試驗中應變測量，比如落錘沖擊試驗、兵器爆炸試驗、建筑爆破拆除試驗，高速風洞等。