动态力学材料实验


三维数字图像相关技术

      动态力学材料实验室使用VIC-3D。VIC-3D是商业化的三维数字图像相关(3D DIC)软件包,由Correlation Soulution公司开发,可使用静态和动态的相机系统。 静态系统包括两点的Grey GRAS-20S4M-C 相机。这些相机的分辨率是在1624*1224 像素,并且能够捕获图像的最大帧频是19 fps,该系统对于大多数在伺服液压控制加载执行的试验来说已经足够了。 动态系统使用两架Photron Fastcam SA1.1高速摄像机, 这些摄像机能够以256*128像素达到125,000 fps。动态系统可用来做分离式霍普金森杆和中间的应变率试验。

       动态力学材料实验室在日常的试验过程中使用该项技术。下面是一些应用的例子。

      轴对称铝试件2024-T351的单轴向拉伸试验:


在该试验中,圆轴形的拉伸试件在单轴向拉力下试验。有人可能认为这将是一个相对简单的试验不会产生很有兴趣的结果。然而3D DIC 数据显示了发生在该工件上的一个有趣的变形现象(请单击附件来播放动画)。随着试件的被加载,变形起初发生在靠近试件左端的区域,然后向右侧传播。这种现象直到颈缩形成反复重复了几次,随后很快试件失效。

 

 

在该试验中,周期性的压迫载荷(模仿典型的咀嚼力)施加在两个非咬合的牙齿植入器,使用螺丝钉牙齿植入到下颚骨试件中。3D DIC用来监测下颚骨试件的最大主应变分布(单击附件播放动画)。数据清楚地显示在位于前部(左侧)的假牙下面的应变集中。这些数据帮助牙科研究人员评估他们的植入、修复和安装技术。

 

      3D DIC数据和数字仿真的对比:

      重型的、有切口的拉力试件的3D DIC 数据与下面的LS-DYNA仿真数据进行对比。使用DIC测量的最大和最小的主应变测量如图(a)和(c)所示,对应的仿真数据如图(b)和(d)所示。在该例子中,试验得到的应变和仿真得到的应变很相似,该例子显示了3D DIC 可用来对数字仿真中构建的模型做详细的评价。

 

 

3D DIC 是一种能够快速提升实验力学学科的光学测量技术,该技术能够确定物体表面的三维轮廓并在一系列图像中追踪表面的位移场。3D DIC 使用来源于两个相机的数字图像和利用光学原理立体测量对象物体表面轮廓。使用数字图像定义对象表面的“子区”,这些子区是N*N像素的矩阵,包含像素的灰度值。先进的追踪算法在加载的图像中可确定这些子区的转化、旋转和变形,结果得到的是试件表面位移场随时间的变化过程,再计算得出在试件表面的应变场。

       3D DIC 对于实验力学是一个非常重要的工具,它允许试验人员更详细地测量存在的复杂特性,甚至还用于相对比较简单的力学试验,例如拉伸试验中的颈缩定位和薄壁管扭转中的剪切带形成。使用该技术测量的全场位移和应变要比先前使用的应变计测量获得更详细的书记信息,这些额外的数据可以用来对数字仿真做更详细的对比和评价。

关于3D DIC 更详细的内容请参考:

Sutton, M.A., Orteu, J.-J., Schreier, H.W., Image Correlation for Shape, Motion and Deformation Measurmeants, Springer, New York, NY, 2009.
资料来源:
http://www.mecheng.osu.edu/lab/dmm/


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