劉海淙１,李湘萍２
(１．廈門航空有限公司飛機維修工程部,廈門３６１００６;
２．中國民航大學中歐航空工程師學院,天津３００３００)
摘 要:建立了基于三維數字圖像相關(３DＧDIC)的非接觸光學測試系統,對２A１２鋁合金彈性
常數進行了測試,在此基礎上分析了DIC子區和步長的大小對材料彈性常數測試結果的影響,并
探討了２A１２鋁合金在拉伸載荷作用下的變形演化規律.結果表明:３組２A１２鋁合金試樣測得的
彈性模量和泊松比分別為６６．３２,６７．５１,６３．０８GPa和０．３３３,０．３３６,０．３４７;改變子區大小將引起圖
像噪音的變化,對測試結果的影響較改變步長的影響更為明顯,步長則主要作用于DIC算法的運
行時間;２A１２鋁合金試樣在整個拉伸過程中依次經過彈性變形、均勻塑性流動以及應變局部化三
個階段后發生斷裂.
關鍵詞:２A１２鋁合金;彈性常數;數字圖像相關;子區;步長;靈敏度分析
中圖分類號:O３４８．１;TG１４６．２ 文獻標志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０８Ｇ０５５７Ｇ０６
DigitalImageCorrelationTestMethodandItsParameterSensitivityAnalysisforElasticConstantsof２A１２Aluminum Alloy
LIUHaicong１,LIXiangping２
(１．AircraftMaintenanceEngineeringDepartment,XiamenAirlines,Xiamen３６１００６,China;
２．SinoＧEuropeanInstituteofAviationEngineering,CivilAviationUniversityofChina,Tianjin３００３００,China)
Abstract:NonＧcontactopticalmeasurementsystem basedonthreeＧdimensionaldigitalimagecorrelation
(３DＧDIC)wasestablishedtotesttheelasticconstantsof２A１２aluminumalloy．TheeffectsofdifferentsizesofDIC
parameters,i．e．subsetsizeandstepsize,ontheelasticconstanttestresultsofthematerialwereinvestigated,and
thedeformationevolutionlawof２A１２aluminumalloyundertheactionoftensileloadwasalsodiscussed．The
resultsshowthattheelasticmodulusandPoissonratioofthreegroupsof２A１２aluminumalloyspecimenswere
６６．３２,６７．５１,６３．０８GPaand０．３３３,０．３３６,０．３４７,respectively．Changingthesubsetsizecausedthechangeof
imagenoise,subsetsizehadmoreinfluenceonthetestresultscomparedtostepsize,andstepsizemainlycontrolled
thecomputationaltimeofDICalgorithm．The２A１２aluminumalloyspecimenfracturedafterthreestagesofelastic
deformation,uniformplasticflowandstrainlocalization．
Keywords:２A１２ aluminum alloy;elasticconstant;digitalimagecorrelation;subsetsize;stepsize;sensitivityanalysis
數字圖像相關(DigitalImage Correlation,DIC)技術是應用計算機視覺技術的一種圖像測量方法,它將物體表面隨機分布的散斑作為變形信息的載體,可用于測量材料或結構件受外載荷作用下的全場位移和應變分布[１].由于該方法擁有試驗光路簡單、精度高、普適性強、受環境影響小等優點,已應用于結構變形破壞檢測[２]、生物工程[３]、航空航天[４]等許多工程技術領域.其中,將DIC技術用于材料宏、微觀力學性能的測試是其應用的一個重要方向[５Ｇ６].白曉虹[７]運用二維數字圖像相關(TwoＧDimensionalDIC,２DＧDIC)技術,以DP５９０雙相鋼和３０４不銹鋼為試驗材料,測得各自的塑性應變比r 值以及全場r 值分布;胡斌等人[８]通過在圓柱體橡膠試樣單軸壓縮試驗中采集變形圖像,得到小應變范圍內橡膠的應力Ｇ應變曲線,計算出材料的彈性模量.ZHU 等人[９]利用三維數字圖像相(ThreeDimensionalDIC,３DＧDIC)測試系統并搭載電子萬能試驗機,研究了低碳鋼棒材在拉伸載荷作用下的全場塑性變形演化過程,并通過３DＧDIC 還原的試樣三維形貌獲得了瞬時凈截面積,進而繪制出了材料的真應力Ｇ真應變曲線.
２A１２鋁合金具有高強度、高韌性和可進行熱處理強化等優良性能,成為了航空工業中應用最廣泛的鋁合金之一[１０Ｇ１１].目前,對該材料拉伸彈性常數的測試研究多數采用接觸式的測試方法,例如采用引伸計和電阻式應變片,獲得標距段的平均工程應變或某些離散位置的點應變.傳統測試手段具有以下兩點不足:①應變片一般只滿足單點、單向測量,難以追蹤試樣在整個拉伸過程中的變形情況,以及材料在非均勻變化出現后的應變局部化現象;②引伸計有易打滑、
易損傷試件以及自重和夾持力會引起試件附加變形等缺點[１２],給材料應變測量帶來一定的誤差.筆者利用先進的DIC 光學測試系統和分析軟件,對２A１２鋁合金在單軸拉伸載荷作用下的全場縱向應變和橫向應變進行了試驗測量,通過擬合相關曲線獲得材料的彈性模量及泊松比;在此基礎上,圍繞DIC算法運行過程所涉及的兩個重要參數子區和步長,對其不同尺寸對測試結果的影響開展了靈敏度分析,為其合理取值提供參考;最后利用DIC全場測量的優越性,對試樣表面隨拉伸過程的變形演化規律進行了探討.
１ 數字圖像相關法及其關鍵參數
圖１為利用３DＧDIC技術測量試樣表面三維位移的示意圖.首先在左相機拍攝的參考圖像中確定分析區域(AreaofInterest,AOI).由于單一像素點的灰度值不具有唯一性,通常不可能在變形圖像
中識別出與參考圖像相同的單個像素點[１３].因此,
為了精確辨識測試點P(x０,y０,z０)的空間位置,軟
件建立了一個以該點為中心并包含(２M ＋１)×
(２M ＋１)像素的正方形子區(Subset),通過相關性