彭奕涵 孙新杨

摘 要：DIC测试方法以其诸多的优点广泛应用于材料的力学性能表征方面。本文为了分析该设备的可靠性，完成了复合材料层合板、编织材料和45号钢的拉伸试验，将DIC设备测定的数据与应变片和引伸计的测定数据比较，结果表明：DIC的测试结果具有较高的精度，而且具有引伸计和应变片所不具备的优势。

关键词：数字图像相关技术；拉伸试验；应变片；引伸计

中图分类号：TH873.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）08-0064-03

数字图像相关（Digital Image Correlation， DIC）技术是一种非接触式现代光学测量实验技术，由于具有光路简单、环境适应性好、测量范围广以及自动化程度高等诸多优点，已经被广泛应用于工程领域[1]。目前在材料研究的许多方面特别是力学性能表征方面得到了越来越广泛的应用。DIC方法的基本原理是通过跟踪物体表面变形前后散斑图像中同一像素点的位置来获得该像素点的位移向量，从而得到试件表面的全场位移[2]。DIC测量系统一般由照明光源、图像采集卡、CCD摄像机及计算机组成。在材料研究方面应用最广泛也最成熟的就是通过DIC技术代替应变片或引伸计来测量试样在拉伸中的应变。

本文为了分析DIC测试设备的可靠性，通过不同材质的试件，利用DIC测试设备、应变片和引伸计进行了拉伸试验。试验结果表明：利用DIC设备测定的应变数据稳定、准确。

1 试样

试样包括：复合材料层合板，铺层角度分别为0°、±45°、90°，共2个试样；编织材料，共3个试样；45号钢，1个试样。试样尺寸为250mm*15mm*8mm。

2 试验方法

试验设备包括MTS-370-25疲劳试验机、DEEP补光灯、高速摄像机、应变仪、引伸计。

复合材料层合板的试样，在背面沿中轴线粘贴了两组位置对称的应变片，测量轴向应变，正面喷涂散斑，如图1所示。试验加载速率为1mm/min。第1个试样加载到相对位移1.5mm后卸载（试验编号为0101），再加载到相对位移1mm后卸载（试验编号为0102）；第2个试样加载到相对位移1mm后卸载（试验编号为0201），再加载至断裂（试验编号为0202）。共进行了四组静态拉伸试验。

编织材料的试样，在中央选取对称的四个点，选取其中三个粘贴应变片，测量轴向应变，另一个喷涂散斑，如图2所示。试验加载速率为0.5mm/min。第1，2个试样加载的相对位移为1mm，第3个试样加载至断裂。共进行了三组静态拉伸试验。

45号钢为各向同性材料，在试件正面中心位置喷涂散斑，散斑上下对称位置和背面中心粘贴应变片，测量轴向应变。同时采用引伸计，完成一组静态拉伸试验。试验加载速率为0.5mm/min，加载的相对位移为0.5mm。

3 试验结果及分析

3.1 复合材料层合板

复合材料层合板2个试样共完成4组拉伸试验。0102试验的应力-应变曲线如图3所示。图中CH1和CH2为应变片测量的数据，R0和R1为DIC测量的数据（数据点的位置与应变片粘贴位置一致）。两种测量方法的误差如图4所示。所有试验的两种测量方法的误差列于表1。

试验初始阶段，DIC与应变仪的数据有较大误差，这是由于DIC的分辨率为50个微应变，在试件应变不大的情况下，会有较大影响。但是随着载荷的上升，应变逐渐增加，经DIC采集的图像分析所得的数据和应变仪所采集的数据拟合度较好，误差在5%-10%。DIC的图像相较于应变片采集的图像有抖动是由于分析图片信息时选取的是一个区域进行分析，计算这一区域的平均应变，如果区域选择较大，就能得到平滑的直线。

观察表1可以发现：对于第2个试样，应变片粘贴位置2两种测试手段的误差较大，可能的原因是应变片粘贴有偏角，应变片粘贴不牢固等。

3.2 编织材料

编织材料3个试样共完成3组拉伸试验。第1个试样的应力-应变曲线如图5所示，图中CH1，CH2和CH3为应变片测量的数据，R0为DIC测量的数据。两种测试手段的测量误差如图6所示。

三组实验数据当中，应变仪采集的应变和DIC设备自带软件计算出的应变数值总体趋势一致，曲线平滑，误差均在5-8%。误差原因可能是由于贴片位置造成的，试件边缘应力分布不均一，同时也还有可能是由于编织材料本身的特性，材料性能分散性较大。

3.3 45号钢

45号钢1个试样共完成1组拉伸试验，该试验增加了引伸计的测试方法。图7为应力应变曲线，图8为三种测试方法的测量误差。观察图8发现：DIC和应变仪与引伸计的误差均在5%以内。

4 结语

（1）由于应变片采集的只是点应变，而DIC采集的是场应变，因此DIC比应变仪具有更为广泛的实用性。

（2）在静态拉伸试验中，试样在接近强度极限时会有较大应变，这时应变片可能已经破坏，无法记录数据，但是只要试样表面散斑未发生剥脱，DIC就能进行数据采集处理。

（3）将应变仪、引伸计和DIC技术采集的应变进行比较分析，可以看出，DIC的计算结果具有较高的精度，且能同时采集某一点或者某一区域的各个方向的位移和应变，这是引伸计和应变仪所不具有的优势。

参考文献

[1]Hubert Schreier， Jean-JoséOrteu， Michael A.Sutton. Image Correlation for Shape，Motion and Deformation Measurements[M].Boston：Springer，2009：1-2.

[2]刘小勇.数字图像相关方法及其在材料力学性能测试中的应用[D].吉林大学博士学位论文，2012：2-5.