高速3D-DIC技術(shù)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(xué)測試，研究材料的動態(tài)力學(xué)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(guān)（3D-DIC）技術(shù)分析高速攝像圖像，獲得材料實時應(yīng)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?zāi)康?br />
        采用新拓三維XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(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(xué)性能的測試，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，在輸入桿中產(chǎn)生一個入射脈沖，應(yīng)力波通過彈性輸入桿到達試件，試件在應(yīng)力脈沖作用下產(chǎn)生高速變形，應(yīng)力波通過試件同時產(chǎn)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(yīng)變片，記錄下的應(yīng)變脈沖計算材料的動態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變參數(shù)。

        新拓三維3D-DIC技術(shù)，XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)，結(jié)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(yīng)變測量，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)測量方法，為霍普金森桿實驗中的變形和應(yīng)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(guān)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(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測量設(shè)備布置

        實驗流程

        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、鏡頭相關(guān)參數(shù)。滿幅面下（1280X800），128x96標(biāo)定板對XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)進行標(biāo)定，偏差0.02。

        3D-DIC技術(shù)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(shù)軟件對數(shù)據(jù)進行計算。

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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)備相機標(biāo)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(shù)軟件中，左、中、右選三個點，繪制真實、工程主應(yīng)變、次應(yīng)變曲線，并計算應(yīng)變率。沿一條直線上的主應(yīng)變、次應(yīng)變曲線。

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

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3D-DIC技術(shù)軟件分析應(yīng)變場

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3D-DIC技術(shù)軟件分析位移場

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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(yīng)變場。

        除了應(yīng)用于霍普金森壓桿試驗，新拓三維高速3D-DIC技術(shù)還可以用于其他沖擊試驗中應(yīng)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(fēng)洞等。