CN115597985A - 一种基于dic技术的剪切性能直接测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于DIC技术的剪切性能直接测试方法，包括步骤：通过CCD相机采集整个剪切试验过程中的试样变形图像信息；再系统分析图像信息数据，依据标定参数，先构建直角坐标系，受力方向为Y轴方向，在垂直于力的X轴方向构建虚拟引伸计，获取引伸计长度变化与时间的关系曲线Lt‑t、引伸计在Y轴方向长度变化与时间的关系曲线Lty‑t、引伸计在X轴方向长度变化与时间的关系曲线Ltx‑t，依据几何关系计算引伸计与初始时夹角的变化，进而计算出剪应变与时间的关系曲线。本发明方法贴合剪应变定义，能够更准确的直接测得剪切应变，从而准确表征材料的剪切性能，大大提升了基于DIC测试技术的剪切性能测试方法的可操作性。
Description
技术领域
本发明涉及新材料力学性能测试技术领域，具体涉及一种基于DIC技术的剪切性能直接测试方法。
背景技术
材料的剪切性能测试在材料性能表征及工程分析过程中重中之重，在众多的力学分支学科中都有直接或间接的应用。国家工信部发布的《重点新材料首批次应用示范指导目录（2021年版）》中明确指出，对于一些特殊应用的新材料（如：先进基础材料类别中的耐腐蚀不锈钢复合板、高铁制动用高性能铜基复合材料等，关键战略材料类别中的碳纤维/环氧树脂复合材料、风电用高强高模耐疲劳拉挤复合材料板材、超高温碳/陶复合材料及制品等），其剪切强度需要达到一定的要求。可见，剪切性能测试对于新材料的研究和开发具有重要意义。
剪切变形是指物体受到与其截面平行、相距很近、大小相等、方向相反的一对外力作用时，以使物体横截面发生相对错动的变形。发生剪切变形的横截面称为剪切面，剪切面平行于外力方向，挤压面垂直于外力方向。剪切性能包括剪切应力、剪切应变、及剪切模量等。剪切应力（剪应力）是应力的一种，定义为单位面积上所承受的剪力，且力的方向与受力面的法线方向正交。剪切应变（剪应变）是物体上的微小线段的两端在该线段的垂直方向（也是剪应力的作用方向）上的相对位移量（错动距离）同线段的原长度之比值；在简单剪切的情况下，材料受到的力是与截面相平行的大小相等、方向相反的两个力，在此剪切力作用下，材料将发生偏斜，偏斜角θ的正切定义为剪应变；当剪切变形不大时，也可以用变形前后的偏斜角θ来表示剪应变。
剪切性能测试的关键在于剪应变的准确测定。传统方法是在试样V型缺口根部中心区域粘贴应变计（常以±45°角组合式粘贴），以两个应变片的变化量之和表示剪应变值，然而该方法存在预先粘贴应变计与实际变形位置存在差异、应变计无法交叉重叠、应变计粘接力影响材料受力变形等问题，无法真实反馈材料实际变形，影响剪切性能的表征。
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土木工程、机械、材料科学、电子封装、生物医学、制造、焊接等许多科学及工程领域。DIC技术目前在材料研究的许多方面尤其是力学性能表征方面得到了越来越广泛的应用，其基本原理就是通过跟踪（或匹配）物体表面变形前后两幅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。
中国专利申请CN113959866A公开了一种剪切性能测试装置及测试方法，用于测试物体在高速状态下的剪切性能，其通过采取DIC方法监测变形信息，依据±45°角引伸计的变化量之和表示剪应变值（目前对于这种剪切形式的变形普遍认为理论上是沿着±45°方向开展的），但申请人研究发现，在实际的剪切变形过程中，剪切作用会使得变形角度会发生变化，该方法测得的剪应变值并非剪应变定义的实际应变值，仍存在较大误差。
因此，目前亟需一种更准确的剪切性能直接测试方法，尤其是剪应变的直接测试，以满足新材料的研究和开发需求。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于DIC技术的剪切性能测试方法，能够更准确的直接测得剪切应变，从而准确表征材料的剪切性能。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于DIC技术的剪切性能直接测试方法，包括以下步骤：
（1）将表面布设有散斑的V型缺口试样安装在剪切性能测试装置的剪切夹具上，设置剪切试验参数后，启动测试程序，通过CCD相机监测试样的变形位置，并采集在整个变形过程中的散斑变化图像信息；
（2）将采集的图像信息数据导入图像分析系统，在试样缺口中心线的中间位置构
建直角坐标系，受力方向为Y轴方向，垂直于力的方向为X轴方向；在X轴上构建长度为L0且
关于Y轴对称的虚拟引伸计，获取引伸计在Y轴方向长度变化Lty与时间t的关系曲线Lty-t，
剪应变为引伸计在Y轴方向上的相对位移量与引伸计原长度的比值，计算剪应变
，
得到剪应变γ1与时间t的关系曲线γ1-t。
进一步的，在简单剪切的情况下，所述步骤（2）还包括：获取引伸计在X轴方向长度
变化Ltx与时间t的关系曲线Ltx-t，剪应变为引伸计变形前后的偏斜角θ的正切值，计算剪应
变
，得到剪应变γ2与时间t的关系曲线γ2-t。
进一步的，在剪切变形不大（剪切变形小于8.73%，即偏斜角θ＜5°）的情况下，所述
步骤（2）还包括：获取引伸计长度变化Lt与时间t的关系曲线Lt-t，剪应变为引伸计变形前后
的偏斜角θ，计算剪应变
，得到剪应变γ3
与时间t的关系曲线γ3-t。
本发明所述V型缺口试样优选为ASTM D7078-20的标准试样。其他可满足试验要求的样件也适用于本发明方法。在进行试验前，需对试样进行散斑制取，在试样表面形成均匀分布的散斑点，以供CCD相机识别获取图像信息。
本发明所述剪切性能测试装置可选用万能材料试验机或高速拉伸试验机。
所述剪切试验参数包括夹具间距、试验速率或采集频率。
所述CCD相机内部设有CCD（电荷耦合元件），CCD能够把光学影像转化为数字信号进行存储及转移，目的将拍摄散斑图像后转化成数字信号后导出计算。通过图像信息可直接反馈试样的变形发展状态和断裂形貌，直观展现实际变形位置，便于后期构建变形数据采集的位置等，并可依据实际变形进行调整，真实反映材料变形信息。
进一步地，可以采用光源照射于散斑上以提高散斑的清晰度，方便CCD相机对散斑进行拍摄。
在试验过程中，CCD相机保持位置不变。调试CCD相机和光源，获取试样的清晰图像，保证足够视窗范围。进一步的，调节相机曝光频率与试验机采集频率相同。
进一步的，所述剪切夹具上连接有力值传感器，在试验过程中，通过力值传感器获取采集力值变化信息，得到剪应力τ与时间t的关系曲线τ-t。依据剪应力与时间的关系曲线及剪应变与时间的关系曲线，计算合并得出剪应力-剪应变曲线。
本发明的剪切性能直接测试方法适用于对聚合物材料（如聚丙烯材料等）、复合材料等进行的剪切性能测试。
本发明具有如下有益效果：
本发明使用DIC测试技术，克服了传统测试技术对变形量测试的限制以及在高速测试时不匹配的问题（如预先粘贴的应变计与材料实际变形的位置存在差异且不可以根据实际变形进行调整，应变计无法交叉重叠，与剪切变形真实发展位置存在结构上的差异，高速应变计采集传输问题，粘贴应变片的粘接力影响材料变形等），拓展了应用范围。
本发明将理论知识与实际测试相结合，建立了剪应变的数据处理方法，相比于现有技术，其更贴合实际剪切变形本质，符合剪应变定义，能够更准确的直接测得剪切应变，减小测量值与实际剪应变的误差，从而准确表征材料的剪切性能，大大提升了基于DIC测试技术的剪切性能测试方法的可操作性。
附图说明
图1为实施例1的一种剪切性能测试装置结构示意图；
图2为实施例1的剪切夹具装置的结构示意图；
图3为实施例1的V型缺口标准试样的结构示意图；
图4为实施例1构建直角坐标系和虚拟引伸计的示意图；
图5为实施例1的引伸计长度变化与时间的关系曲线图；
图6为实施例1的剪应变与时间的关系曲线图；
图7为实施例1的剪应力与剪应变的关系曲线图；
附图标记：1-试验机，2-剪切夹具，3-V型缺口标准试样，31-散斑点，4-力值传感器，5-图像分析系统，6-CCD相机。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1-图7所示，一种基于DIC技术的剪切性能直接测试方法，包括以下步骤：
将聚丙烯材料依据ASTM D7078-20加工成V型缺口标准试样3，然后散斑制取，在试样表面形成均匀分布的散斑点31；
将V型缺口标准试样3安装在试验机1的剪切夹具2上，设置剪切试验参数（夹具间距100mm，试验速度5mm/min，采集频率60Hz），调试CCD相机6和光源使能够获取试验机上试样的清晰图像，且保证足够视窗范围，保持CCD相机6的位置不变，标定图像参数，将图像尺寸与试样尺寸建立对等关系；调节相机曝光频率与试验机采集频率相同；
然后启动测试程序，通过CCD相机6监测试样的变形位置，并采集在整个变形过程中的散斑变化图像信息；
试验结束后，将采集的图像信息数据导入图像分析系统5，依据标定的图像参数，
在试样缺口中心线的中间位置构建直角坐标系，受力方向为Y轴方向，垂直于力的方向为X
轴方向；在X轴上构建长度为L0且关于Y轴对称的虚拟引伸计，获取引伸计在Y轴方向长度变
化Lty与时间t的关系曲线Lty-t，剪应变为引伸计在Y轴方向上的相对位移量与引伸计原长
度的比值，计算剪应变
，得到剪应变γ1与时间t的关系曲线γ1-t。
进一步的，在简单剪切的情况下，还包括步骤：获取引伸计在X轴方向长度变化Ltx
与时间t的关系曲线Ltx-t，剪应变为引伸计变形前后的偏斜角θ的正切值，计算剪应变
，得到剪应变γ2与时间t的关系曲线γ2-t。
进一步的，在剪切变形不大（剪切变形小于8.73%）的情况下，还包括步骤：获取引
伸计长度变化Lt与时间t的关系曲线Lt-t，剪应变为引伸计变形前后的偏斜角θ，计算剪应变
，得到剪应变γ3与时间t的关系曲线γ3-
t。
进一步的，在剪切夹具2上连接有力值传感器4，在试验过程中，通过力值传感器获取采集力值变化信息，剪应力为力值与V型缺口处截面尺寸的比值，得到剪应力τ与时间t的关系曲线τ-t。依据剪应力与时间的关系曲线及剪应变与时间的关系曲线，计算合并得出剪应力-剪应变曲线。
通过本发明方法，可以直接测试得到符合剪应变定义的实际剪应变值，从而能够准确表征材料的剪切性能。
Claims (9)
1.一种基于DIC技术的剪切性能直接测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将表面布设有散斑的V型缺口试样安装在剪切性能测试装置的剪切夹具上，设置剪切试验参数后，启动测试程序，通过CCD相机监测试样的变形位置，并采集在整个变形过程中的散斑变化图像信息；
（2）将采集的图像信息数据导入图像分析系统，在试样缺口中心线的中间位置构建直
角坐标系，受力方向为Y轴方向，垂直于力的方向为X轴方向；在X轴上构建长度为L0且关于Y
轴对称的虚拟引伸计，获取引伸计在Y轴方向长度变化Lty与时间t的关系曲线Lty-t，剪应变
为引伸计在Y轴方向上的相对位移量与引伸计原长度的比值，计算剪应变
，得到剪
应变γ1与时间t的关系曲线γ1-t。
2.根据权利要求1所述的基于DIC技术的剪切性能直接测试方法，其特征在于，在简单
剪切的情况下，所述步骤（2）还包括：获取引伸计在X轴方向长度变化Ltx与时间t的关系曲线
Ltx-t，剪应变为引伸计变形前后的偏斜角θ的正切值，计算剪应变
，得到
剪应变γ2与时间t的关系曲线γ2-t。
3.根据权利要求2所述的基于DIC技术的剪切性能直接测试方法，其特征在于，在剪切
变形小于8.73%的情况下，所述步骤（2）还包括：获取引伸计长度变化Lt与时间t的关系曲线
Lt-t，剪应变为引伸计变形前后的偏斜角θ，计算剪应变
，得到剪应变γ3与时间t的关系曲线γ3-
t。
4.根据权利要求1所述的基于DIC技术的剪切性能直接测试方法，其特征在于，所述V型缺口试样为ASTM D7078-20的标准试样。
5.根据权利要求1所述的基于DIC技术的剪切性能直接测试方法，其特征在于，所述剪切性能测试装置选自万能材料试验机或高速拉伸试验机。
6.根据权利要求1所述的基于DIC技术的剪切性能直接测试方法，其特征在于，所述剪切试验参数包括夹具间距、试验速率或采集频率。
7.根据权利要求1所述的基于DIC技术的剪切性能直接测试方法，其特征在于，在试验过程中，CCD相机保持位置不变。
8.根据权利要求1-3任一项所述的基于DIC技术的剪切性能直接测试方法，其特征在于，所述剪切夹具上连接有力值传感器，在试验过程中，通过力值传感器获取采集力值变化信息，得到剪应力τ与时间t的关系曲线τ-t。
9.根据权利要求8所述的基于DIC技术的剪切性能直接测试方法，其特征在于，还包括步骤：依据剪应力与时间的关系曲线及剪应变与时间的关系曲线，计算合并得出剪应力-剪应变曲线。
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