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数字图像相关(DIC)技术用于铜/铝复层材料拉伸应变测量

背景:铜资源价格较为昂贵,铜/铝复层材料是业界公认的铜材料替代品。在铜/铝复层材料拉伸力学性能研究中,传统应变检测方法(引伸计、应变电测、云纹干涉等)操作过程复杂、无法实现实时测量和受环境影响较大,限制了铜/铝复层材料的进一步发展与应用。

数字图像相关(digital image correlation,DIC)方法是一种非接触式的可用于全场变形测量的方法,数字图像相关DIC能在不改变被测试样力学性能的情况下对试样的变形进行测量,具有试验设备及测量过程简单、抗干扰能力强、适用测量范围广泛等突出优点,是试验力学领域中一种重要的光学测量手段。

试验系统:

采用新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统,基于DIC技术方法对铜/铝复层板及其组分材料伸过程中的全场应变进行测量,并将测量结果、拉伸试验结果和有限元模拟结果对比,通过引入应变差值研究DIC方法和有限元方法获得理想结果。

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DIC应变测量试验现场

实验结果与分析

DIC测量所得位移和应变

在新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统中,截取试样标距段的未变形散斑图像,定义散斑图像的左下角为坐标原点,宽度方向为 x 轴正方向,长度方向(拉伸方向)为y轴正方向,并选取上端中点 A 和下端中点B 作为观测点,将两点连线作为计算区域。

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DIC散斑图像坐标及观测点

通过DIC方法对变形前后的散斑图像进行灰度特征匹配和相关计算,得出试样拉伸过程中不同方向的位移和应变。铜板、铝板及铜/铝复层板不同方向的位移、应变曲线。

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不同方向的位移、应变曲线

在拉伸过程中,铜板、铝板及铜/铝复层板不同 方向的位移、应变曲线不同,其中位移基本呈线性变化,应变先呈线性变化,后随试样颈缩而急剧增大。2条曲线形状不同,主要是因为 XTDIC三维全场应变测量系统计算时考虑了试样的长度伸长及截面缩小等非线性因素的影响,所得应变为真实应变,而非名义应变。

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铜板、铝板及铜/铝复层板不同方向的位移和应变

通过不同方向下的位移、应变进行对比发现,铜板的位移、应变最大,铝板的位移、应变最小,铜/铝复层板的位移、应变位于铜板和铝板之间,且与铜板的位移、应变相差较大,与铝板的位移、应变相差较小。

由于试样的拉伸方向为 y 方向,为进一步研究铜/铝复层板与其组分材料间的位移、应变关系,将铜板、铝板及铜/铝复层板 y 方向的位移和应变分别绘制在同一图上:

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对应变曲线进行分析可得,在拉伸前期,铜板y方向应变最大,铜/铝复层板次之,铝板最小。当试样发生颈缩将要断裂时,3 种材料的应变发生骤增,但断裂时刻铜板的应变最大,铝板最小,铜/铝复层板位于两者之间。

与拉伸试验所得应变对比

将基于拉伸试验和DIC方法所得铜板、铝板及铜/铝复层板的应变曲线进行对比,3 种材料 DIC 测量所得应变曲线与拉伸试验所得应变曲线很接近,表明采用DIC方法能真实地反映试样拉伸过程中的应变变化,验证了DIC方法的有效性。

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基于拉伸试验和 DIC 方法所得铜板、铝板及铜/铝复层板的应变曲线

与有限元模拟应变对比

将 DIC 测量所得主应变与有限元模拟主应变进行对比发现,两者具有较高一致性,且最大主应变基本相同,其应变相差最大为0.442%,最小为0.008%。另外,通过对比试样表面的应变分布可得,2 种方法所得的应变分布也基本相同,表明采用DIC方法对铜板、铝板及铜/铝复层板进行拉伸应变检测是可行的。

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3 种方法所得应变对比

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铜板、铝板及铜/铝复层板不同时刻的应变(%)

为计算DIC方法和有限元方法所得应变结果的精确程度,以拉伸试验所得应变为基准,引入应变差值Δε,其中ΔεDIC为DIC方法、ΔεFEM为有限元方法所得应变差值,该值在一定程度上反映了DIC测量应变、有限元模拟应变与拉伸试验所得应变之间的吻合程度。

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铜板、铝板及铜/铝复层板不同时刻的应变差值(%)

与有限元方法相比,基于 DIC 测量所得应变与真实应变最为接近,采用 DIC 方法测量铜/铝复层板的拉伸应变是可行的,且该方法能够实时检测试样拉伸过程中的应变变化。

试验结论

1)在拉伸过程中,铜板、铝板及铜/铝复层板不同方向的位移、应变不同,且差异显著,其中铜板的位移、应变最大,铝板最小,铜/铝复层板位于铜板和铝板之间,且与铜板相差较大,与铝板相差较小。3种材料的总位移和主应变最大,y方向位移、应变次之,x方向最小,且y方向位移、应变与总位移和主应变相差较小。

2)基于拉伸试验和DIC方法所得铜板、铝板及铜/铝复层板的应变曲线很接近,且铜板和铜/铝复层板拉伸试验所得应变大于DIC测量所得应变,而铝板与之相反。DIC测量所得主应变与有限元模拟主应变具有较高一致性,且两者表面应变分布和最大主应变基本相同。不同时刻,不同材料的应变差值不同,且有限元模拟所得应变差值变化较大,DIC方法所得应变差值变化较小。

3)通过将DIC方法、拉伸试验和有限元方法所得应变进行对比分析,证明了DIC方法用于铜/铝复层材料拉伸应变检测的可行性与可靠性。同时,该方法也为其他复层材料的应变检测提供了参考。

案例摘自:【李艳芹,郑州轻工业大学 机电工程学院,数字图像相关方法检测铜/铝复层材料应变研究】


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