高速3D-DIC技術(shù)用于霍普金森桿試件拉伸瞬態(tài)變形測(cè)量

妮子201812 · 發(fā)表于 2024-11-15 10:51

利用分離式霍普金森壓桿（SHPB），對(duì)材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊力學(xué)測(cè)試，研究材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。采用兩臺(tái)高速攝像機(jī)采集瞬態(tài)沖擊圖像，通過(guò)三維數(shù)字圖像相關(guān)（3D-DIC）技術(shù)分析高速攝像圖像，獲得材料實(shí)時(shí)應(yīng)變場(chǎng)，據(jù)此分析了動(dòng)態(tài)荷載下材料的動(dòng)力變形特性和裂紋開展行為。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br />
采用新拓三維XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，基于三維數(shù)字圖像相關(guān)法（3D-DIC技術(shù)），分析高速攝像機(jī)采集的圖像，測(cè)量霍普金森桿試件拉伸過(guò)程中的瞬態(tài)變形。

實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

霍普金森桿裝置主要用于材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的測(cè)試，應(yīng)變率范圍102-104s-1。當(dāng)槍膛中的打擊桿（子彈）以一定的速度彈入輸入桿時(shí)，在輸入桿中產(chǎn)生一個(gè)入射脈沖，應(yīng)力波通過(guò)彈性輸入桿到達(dá)試件，試件在應(yīng)力脈沖作用下產(chǎn)生高速變形，應(yīng)力波通過(guò)試件同時(shí)產(chǎn)生反射脈沖進(jìn)入彈性輸入桿和投射脈沖進(jìn)入輸出桿。

利用測(cè)速器可以獲得子彈的打擊速度，利用粘貼在彈性桿上的應(yīng)變片，記錄下的應(yīng)變脈沖計(jì)算材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變參數(shù)。

新拓三維3D-DIC技術(shù)，XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，結(jié)合高速攝像機(jī)可實(shí)現(xiàn)霍普金森桿實(shí)驗(yàn)中高速加載圖像采集，3D-DIC軟件對(duì)采集圖像進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)三維全場(chǎng)變形和應(yīng)變測(cè)量，從數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、全面性和操作便攜性等方面顛覆了傳統(tǒng)測(cè)量方法，為霍普金森桿實(shí)驗(yàn)中的變形和應(yīng)變測(cè)量提供全新解決方案。

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霍普金森桿實(shí)驗(yàn)又分為拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)，壓縮實(shí)驗(yàn)試件易飛出，需要有保護(hù)玻璃，需要定制相關(guān)橫梁。此實(shí)驗(yàn)為拉伸實(shí)驗(yàn)，試件不飛出，可不需要保護(hù)玻璃及橫梁。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)：材料：不銹鋼，試件尺寸：Ф4X10mm，采集幀頻：100000幀，相機(jī)：phantomV1612 分辨率768X96、256X96，鏡頭：佳能24-70mm可調(diào) 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(cè)量設(shè)備布置

實(shí)驗(yàn)流程

試件制備，將試件放置在合適位置，調(diào)節(jié)3D-DIC技術(shù)設(shè)備相機(jī)、鏡頭相關(guān)參數(shù)。滿幅面下（1280X800），128x96標(biāo)定板對(duì)XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，偏差0.02。

3D-DIC技術(shù)搭配的高速攝像機(jī)分辨率改為256X96或768X96，進(jìn)行霍普金森桿沖擊實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)完成后，采用后觸發(fā)采集數(shù)據(jù)，采用3D-DIC技術(shù)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

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3D-DIC技術(shù)設(shè)備調(diào)節(jié)焦距

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3D-DIC技術(shù)設(shè)備相機(jī)標(biāo)定

霍普金森桿實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)要求：在3D-DIC技術(shù)軟件中，左、中、右選三個(gè)點(diǎn)，繪制真實(shí)、工程主應(yīng)變、次應(yīng)變曲線，并計(jì)算應(yīng)變率。沿一條直線上的主應(yīng)變、次應(yīng)變曲線。

剪切應(yīng)變?cè)茍D；位移、應(yīng)變?cè)茍D。最大應(yīng)變能達(dá)到60%左右，最大應(yīng)變率能達(dá)到1800s-1左右。

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3D-DIC技術(shù)軟件分析應(yīng)變場(chǎng)

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3D-DIC技術(shù)軟件分析位移場(chǎng)

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3D-DIC技術(shù)軟件分析軸向截線上應(yīng)變分布

3D-DIC軟件分析結(jié)論

3D-DIC技術(shù)搭配的高速攝像機(jī)大致參數(shù)為100萬(wàn)滿分辨率下16000幀，針對(duì)具體霍普金森桿不同實(shí)驗(yàn)，具體要求相機(jī)、鏡頭可靈活選擇。通過(guò)高速攝像機(jī)獲取試件變形過(guò)程中圖片，DIC軟件可計(jì)算出試件表面三維位移場(chǎng)及應(yīng)變場(chǎng)。

除了應(yīng)用于霍普金森壓桿試驗(yàn)，新拓三維高速3D-DIC技術(shù)還可以用于其他沖擊試驗(yàn)中應(yīng)變測(cè)量，比如落錘沖擊試驗(yàn)、兵器爆炸試驗(yàn)、建筑爆破拆除試驗(yàn)，高速風(fēng)洞等。

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[一般力學(xué)與力學(xué)基礎(chǔ)] 高速3D-DIC技術(shù)用于霍普金森桿試件拉伸瞬態(tài)變形測(cè)量

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