高速3D-DIC技术用于霍普金森杆试件拉伸瞬态变形测量

妮子201812

利用分离式霍普金森压杆（SHPB），对材料进行动态冲击力学测试，研究材料的动态力学性能。采用两台高速摄像机采集瞬态冲击图像，通过三维数字图像相关（3D-DIC）技术分析高速摄像图像，获得材料实时应变场，据此分析了动态荷载下材料的动力变形特性和裂纹开展行为。

        实验目的

        采用新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，基于三维数字图像相关法（3D-DIC技术），分析高速摄像机采集的图像，测量霍普金森杆试件拉伸过程中的瞬态变形。

        实验简介

        霍普金森杆装置主要用于材料动态力学性能的测试，应变率范围102-104s-1。当枪膛中的打击杆（子弹）以一定的速度弹入输入杆时，在输入杆中产生一个入射脉冲，应力波通过弹性输入杆到达试件，试件在应力脉冲作用下产生高速变形，应力波通过试件同时产生反射脉冲进入弹性输入杆和投射脉冲进入输出杆。

        利用测速器可以获得子弹的打击速度，利用粘贴在弹性杆上的应变片，记录下的应变脉冲计算材料的动态应力、应变参数。

        新拓三维3D-DIC技术，XTDIC三维全场应变测量系统，结合高速摄像机可实现霍普金森杆实验中高速加载图像采集，3D-DIC软件对采集图像进行分析，实现三维全场变形和应变测量，从数据准确性、全面性和操作便携性等方面颠覆了传统测量方法，为霍普金森杆实验中的变形和应变测量提供全新解决方案。

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        霍普金森杆实验又分为拉伸和压缩实验，压缩实验试件易飞出，需要有保护玻璃，需要定制相关横梁。此实验为拉伸实验，试件不飞出，可不需要保护玻璃及横梁。

        实验参数：材料：不锈钢，试件尺寸：Ф4X10mm，采集帧频：100000帧，相机：phantomV1612 分辨率768X96、256X96，镜头：佳能24-70mm可调 快门9us、光圈4，触发方式：后触发。

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霍普金森杆冲击-拉伸试件

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新拓高速3D-DIC测量设备布置

        实验流程

        试件制备，将试件放置在合适位置，调节3D-DIC技术设备相机、镜头相关参数。满幅面下（1280X800），128x96标定板对XTDIC三维全场应变测量系统进行标定，偏差0.02。

        3D-DIC技术搭配的高速摄像机分辨率改为256X96或768X96，进行霍普金森杆冲击实验。实验完成后，采用后触发采集数据，采用3D-DIC技术软件对数据进行计算。

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3D-DIC技术设备调节焦距

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        3D-DIC技术设备相机标定

        霍普金森杆实验数据处理

        数据要求：在3D-DIC技术软件中，左、中、右选三个点，绘制真实、工程主应变、次应变曲线，并计算应变率。沿一条直线上的主应变、次应变曲线。

        剪切应变云图；位移、应变云图。最大应变能达到60%左右，最大应变率能达到1800s-1左右。

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3D-DIC技术软件分析应变场

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3D-DIC技术软件分析位移场

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3D-DIC技术软件分析轴向截线上应变分布

        3D-DIC软件分析结论

        3D-DIC技术搭配的高速摄像机大致参数为100万满分辨率下16000帧，针对具体霍普金森杆不同实验，具体要求相机、镜头可灵活选择。通过高速摄像机获取试件变形过程中图片，DIC软件可计算出试件表面三维位移场及应变场。

        除了应用于霍普金森压杆试验，新拓三维高速3D-DIC技术还可以用于其他冲击试验中应变测量，比如落锤冲击试验、兵器爆炸试验、建筑爆破拆除试验，高速风洞等。