刘海淙１,李湘萍２

(１．厦门航空有限公司飞机维修工程部,厦门３６１００６;

２．中国民航大学中欧航空工程师学院,天津３００３００)

摘　要:建立了基于三维数字图像相关(３DＧDIC)的非接触光学测试系统,对２A１２铝合金弹性

常数进行了测试,在此基础上分析了DIC子区和步长的大小对材料弹性常数测试结果的影响,并

探讨了２A１２铝合金在拉伸载荷作用下的变形演化规律.结果表明:３组２A１２铝合金试样测得的

弹性模量和泊松比分别为６６．３２,６７．５１,６３．０８GPa和０．３３３,０．３３６,０．３４７;改变子区大小将引起图

像噪音的变化,对测试结果的影响较改变步长的影响更为明显,步长则主要作用于DIC算法的运

行时间;２A１２铝合金试样在整个拉伸过程中依次经过弹性变形、均匀塑性流动以及应变局部化三

个阶段后发生断裂.

关键词:２A１２铝合金;弹性常数;数字图像相关;子区;步长;灵敏度分析

中图分类号:O３４８．１;TG１４６．２ 文献标志码:A 文章编号: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

数字图像相关(DigitalImage Correlation,DIC)技术是应用计算机视觉技术的一种图像测量方法,它将物体表面随机分布的散斑作为变形信息的载体,可用于测量材料或结构件受外载荷作用下的全场位移和应变分布[１].由于该方法拥有试验光路简单、精度高、普适性强、受环境影响小等优点,已应用于结构变形破坏检测[２]、生物工程[３]、航空航天[４]等许多工程技术领域.其中,将DIC技术用于材料宏、微观力学性能的测试是其应用的一个重要

方向[５Ｇ６].白晓虹[７]运用二维数字图像相关(TwoＧDimensionalDIC,２DＧDIC)技术,以DP５９０双相钢和３０４不锈钢为试验材料,测得各自的塑性应变比r 值以及全场r 值分布;胡斌等人[８]通过在圆柱体橡胶试样单轴压缩试验中采集变形图像,得到小应变范围内橡胶的应力Ｇ应变曲线,计算出材料的弹性模量.ZHU 等人[９]利用三维数字图像相(ThreeDimensionalDIC,３DＧDIC)测试系统并搭载电子万能试验机,研究了低碳钢棒材在拉伸载荷作用下的全场塑性变形演化过程,并通过３DＧDIC 还原的试样三维形貌获得了瞬时净截面积,进而绘制出了材料的真应力Ｇ真应变曲线.

２A１２铝合金具有高强度、高韧性和可进行热处理强化等优良性能,成为了航空工业中应用最广泛的铝合金之一[１０Ｇ１１].目前,对该材料拉伸弹性常数的测试研究多数采用接触式的测试方法,例如采用引伸计和电阻式应变片,获得标距段的平均工程应变或某些离散位置的点应变.传统测试手段具有以下两点不足:①应变片一般只满足单点、单向测量,难以追踪试样在整个拉伸过程中的变形情况,以及材料在非均匀变化出现后的应变局部化现象;②引伸计有易打滑、

易损伤试件以及自重和夹持力会引起试件附加变形等缺点[１２],给材料应变测量带来一定的误差.笔者利用先进的DIC 光学测试系统和分析软件,对２A１２铝合金在单轴拉伸载荷作用下的全场纵向应变和横向应变进行了试验测量,通过拟合相关曲线获得材料的弹性模量及泊松比;在此基础上,围绕DIC算法运行过程所涉及的两个重要参数子区和步长,对其不同尺寸对测试结果的影响开展了灵敏度分析,为其合理取值提供参考;最后利用DIC全场测量的优越性,对试样表面随拉伸过程的变形演化规律进行了探讨.

１　数字图像相关法及其关键参数

图１为利用３DＧDIC技术测量试样表面三维位移的示意图.首先在左相机拍摄的参考图像中确定分析区域(AreaofInterest,AOI).由于单一像素点的灰度值不具有唯一性,通常不可能在变形图像

中识别出与参考图像相同的单个像素点[１３].因此,

为了精确辨识测试点P(x０,y０,z０)的空间位置,软

件建立了一个以该点为中心并包含(２M ＋１)×

(２M ＋１)像素的正方形子区(Subset),通过相关性