航空、航天科學技術

三維數字圖像相關技術（3D DIC）在材料形變研究中的應用進展

陳亞軍，孫勝潔，季春明

摘要：材料或結構在各種載荷作用下的表面變形測量是材料形變研究中的重要任務之一。三維數字圖像相關技術（3D DIC）由于其非接觸、全場化的測量方式，與其他光測方法相比，具有自動化、光路簡單、普適性及抗干擾能力強等優點，廣泛應用于多領域多種材料的力學性能測試中。本文綜述了國內外3D DIC技術在測量精確性驗證、高溫形變測量和大變形測量方面的應用研究進展。首先，對實驗中數字圖像相關技術測量誤差來源進行介紹，其來源主要有：圖像污染、散斑質量低、相機參數設置不合理、高溫實驗條件下散斑脫落變質等。作者通過正交實驗，給出了散斑大小、散斑密度和散斑分布隨機性的優化結果。同時，綜述了3D DIC在復合材料、金屬材料、軟質材料和其他材料常規靜載實驗中的應用及在沖擊載荷和疲勞載荷測試中的研究進展，并通過對比分析3D DIC、傳統引伸計測量結果及有限元模擬結果，驗證了該技術精確性。即：對于3D DIC在常規靜載實驗中的應用，3D DIC的實時性和全場性對材料力學性能的研究具有顯著優勢和重要意義。針對不同材料力學性能表征和實驗目的，DIC技術對測量環境的要求低，測量系統易于實現。3D DIC在沖擊載荷實驗結果顯示，高速3D DIC測量儀器測量的位移數據和應變片測得的數據高度符合，從而證明了3D DIC可以作為一種有效的方法來觀測材料在沖擊載荷下的全場動態響應。對于3D DIC在疲勞載荷實驗中的應用，DIC技術解決了傳統疲勞裂紋擴展實驗不能從材料微觀和宏觀變形的全局角度來揭示疲勞裂紋萌生、擴展、斷裂的演化過程和機理問題。其次，針對3D DIC高溫實驗測量中由于散斑脫落，變質；試樣和鏡頭間空氣翹曲變形等原因引起的誤差問題，重點介紹了高溫測試技術優化及設備研發和高溫散斑制備優化的最新研究成果，為數字圖像相關技術在高溫形變研究中的進一步應用提供了研究思路和實驗依據。即，可以采用以下方法有效減小測量誤差：利用風扇循環加熱爐減小由空氣熱梯度引起的圖像失真；通過對3D DIC測量系統進行通電預熱平衡測量環境內外溫度消除測量誤差；通過減去補償試樣虛應變消除相機自熱引起的測量誤差；將光照設為紫外線照射減少黑體輻射消除測量誤差；針對不同高溫測量方法和測量環境，合理選擇以上優化實驗方法，可以有效減少高溫測量誤差。再次，為了克服3D DIC在測量大曲率物體時可測面積局限的難題，從大變形測試技術優化及設備研發和多相機技術發展兩方面進行了分析，為該技術在大形變、大曲率、復雜形貌部件測量中的工程應用提供借鑒。即，采用了一種新的參照圖的設定方法：每拍攝固定幾張數量的圖像，就重新設定一次參照圖像，這樣可以解決無法測量所有漸進位移的問題。為了達到遠距離（100～300 m）、多目標、實時位移追蹤和現場測量的目的，設計研發了視頻撓度計，并驗證了該視頻撓度計在實際、遠距離、非接觸實驗中的實用性和有效性。同時，精度實驗也可以證明3D DIC測量結果的有效性。最后，指出為了提高3D DIC技術的精度，未來還應在以下方面做進一步研究：（1）散斑大小和形狀與數字圖像相關方法的位移測量精度密切相關，關于散斑特征（如尺寸、密度等）與匹配誤差關系目前研究較少，今后要深入研究隨機散斑分布特征對測量精度的影響，從而能夠高效、準確地在試件表面制作最佳的隨機散斑；（2）當前3D DIC技術對于多散斑場區域變形測量，可以將測量精度控制到50°以下，對于幾個散斑之間的變形，精度可以控制到20°以下。微應變尺度測量、高速測量和高溫測量等方面3D DIC技術的作用并沒有完全發揮出來，有待于進一步的研究；（3）目前尚缺乏外界因素（如環境光、振動等）干擾對測量效果的影響研究，今后應該進一步在此方向進行研究，使得3D DIC更好地應用于實際工程測量；（4）3D DIC在軍事材料和生物醫學領域的研究中體現了可行性和優越性，但目前在此類材料性能測試中應用較少，有待于進一步研究。

來源出版物：航空材料學報，2017，37(4):90-100

入選年份：2017

連續纖維增強金屬基復合材料的研制進展及關鍵問題

王濤，趙宇新，付書紅，等

摘要：本文介紹了連續纖維增強鋁基、鎂基、鈦基、鎳基等復合材料的增強纖維種類、制備技術、性能研究、成型與加工技術、熱處理技術、纖維排布技術等方面的研究進展及其各類復合材料在航空航天等領域的應用情況，對連續纖維增強金屬基復合材料研制過程中的難點和熱點問題進行歸納和總結，提出了部分關鍵技術問題的研究方法和思路，并對連續纖維增強復合材料的產業化發展與應用提出了部分建議。連續纖維增強鋁基復合材料應用相對廣泛，對于減輕飛機、導彈等重量起到了重要作用；鎂基復合材料在航天領域中獲得應用；連續鈦基復合材料則重點應用于航空發動機葉環、機匣等零部件，顯著降低了零部件的重量；連續纖維增強鎳基復合材料尚未獲得應用，處于實驗室研究階段，中國航發北京航空材料研究院探索研究了碳化硅纖維與GH4738等鎳基合金的界面反應、熱處理等技術基礎。纖維與金屬基體間的界面控制是其研究重點和熱點，并且是確保良好應用的關鍵，可以從纖維的表面改性、纖維與基體的相容性和潤濕性、界面反應、界面強度等方面入手，結合各種復合材料制備工藝的特點，解決界面薄弱性問題；進一步完善連續纖維增強金屬基復合材料的制備工藝，構建工藝可行性評估體系，加強工藝理論研究，將制備過程與計算機模擬技術有機結合，可以縮短研制周期，降低制備成本，推動其工程化應用；另外加強復合材料損傷機理與力學行為的研究，針對纖維的斷裂、纖維/基體的分離、纖維的滑動和拔出、基體裂紋等復合材料失效表觀，重點研究裂紋形核、裂紋擴展、斷裂機理和壽命預測，建立其損傷評價體系，同時深入研究不同條件下的力學行為，掌握復合材料為復合材料的實際應用提供參考依據。先進的加工成形和連接技術，可以減少成型和加工過程中復合材料的損傷，降低復合材料零件的制造成本，確保零件質量，是復合材料產業化應用的重要保證。急需開展連續纖維增強金屬基復合材料的質量過程控制技術研究，從產品質量保證工藝設計、產品質量信息采集、質量信息數據后續處理、現場加工制造過程等方面完善批量產品加工質量過程控制技術。

來源出版物：航空材料學報，2013，33(2):87-96

入選年份：2017