CN208109595U - 一种基于dic测试技术的超低温力学试验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于DIC测试技术的超低温力学试验系统，其包括静力试验装置、三维数字图像测试设备和测控系统，其采用先进的三维数字图像技术实现全场实时非接触测量，且测量范围可调节。试验过程使用液氮实现超低温环境，并通过CCD相机垂直于平板试件及液氮液面的安装方式避免了由于温度梯度造成的气流扰动对测量结果的影响；采用开放式的试验装置及加载系统消除了低温环境下试件表面结霜影响测量的难题。

Description

一种基于DIC测试技术的超低温力学试验系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于DIC测试技术的超低温力学试验系统，属于力学试验领域。

背景技术

材料和结构在低温环境下的力学性能测试是航天航空工业领域的一大技术难题。航天航空飞行器中的一些重要部件，如火箭贮箱、低温管路等，在空天环境中可能处于真空、低温及交变载荷耦合的恶劣环境状态下。复杂的服役环境将导致结构部件的强度极限和承载能力降低，影响航天航空飞行器的服役安全性能。因此，发展适用于低温环境的先进测量技术，表征材料和结构的低温力学性能，对于航天航空飞行器的可靠性评定、寿命预测及安全设计具有重要意义。

变形测量是研究材料和结构力学性能的重要手段。目前，极端环境(超高、低温)下的变形测量技术按测量方式可以分为传统的接触式测量技术和现代的非接触式测量技术。由于极端环境的复杂性，接触式测量技术在应用上往往会受到较大的限制。非接触式测量技术通常基于光学原理，克服了接触式测量无法获得全场变形信息的缺点而成为目前极端环境下的主流变形测量技术。

目前国内外虽然已有一些利用光学非接触测量技术对材料或结构在低温环境下的力学性能进行了试验研究，但大多仅限于零下几十度温度范围内的试验，关于如何实现试验中所需的低温或超低温(-196℃)环境，如何消除试验中由于温差过大造成的气流扰动，如何避免试件表面结霜等诸多问题依然没有统一且有效的解决手段，因此十分有必要针对低温环境下应用光学测量技术产生的具体问题进行深入研究，并建立一套完善的典型结构超低温力学试验系统，为准确测定材料和结构在超低温环境下的力学性能奠定技术基础。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有技术中的上述不足，本实用新型提出一种基于DIC测试技术的超低温力学测试系统，其采用先进的三维数字图像技术实现全场实时非接触测量，且测量范围可调节。试验过程使用液氮实现超低温环境，并通过CCD相机垂直于平板试件及液氮液面的安装方式避免了由于温度梯度造成的气流扰动对测量结果的影响；采用开放式的试验装置及加载系统消除了低温环境下试件表面结霜影响测量的难题。

(二)技术方案

一种基于DIC测试技术的超低温力学试验系统，包括静力试验装置、三维数字图像测试设备和测控系统；其特征在于，所述静力试验装置包括液氮槽、液氮、四点弯支撑块、挡板、平板试件、四点弯加载块、压杆、力传感器、承力地轨、直立柱、承力梁、调节板、作动筒；所述三维数字图像测试设备包括LED光源、双目CCD相机；所述测控系统包括温度测量系统、电阻应变测量系统、液压自动协调加载与控制系统、数字图像相关测量系统；

液氮槽通过连接螺栓固定在承力地轨上，液氮槽内部加工有盲孔，四点弯支撑块通过螺栓固定在液氮槽的底板上，四点弯支撑块的两弧形支撑间距离为L1；平板试件水平放置于四点弯支撑块的两弧形支撑上，四点弯支撑块的两弧形支撑与平板试件的中心线距离相等；挡板通过螺栓固定在四点弯支撑块上，以限制平板试件沿水平方向移动；平板试件上方设置四点弯加载块，四点弯加载块的两个压头间距离为L2，L2＜L1，且与平板试件中心线的距离相等。

其中，在液氮槽的外周，由底部的承力地轨、两侧的直立柱、顶部的承力梁搭建成承力龙门架，力传感器的一端通过压杆与四点弯加载块连接，其另一端依次连接压杆、作动筒并通过调节板固定在承力龙门架上；所述力传感器与液压自动协调加载与控制系统协作。

其中，在平板试件上表面喷涂白色底漆，在所述白色底漆上喷涂黑色漆，以形成随机散斑图像。

其中，在平板试件上表面粘贴温度传感器并将其接入温度测量系统。

其中，在平板试件的下表面待测位置粘贴应变计并将其接入电阻应变测量系统。

(三)有益效果

本实用新型的一种基于DIC测试技术的超低温力学试验系统，采用了先进的三维数字图像相关技术，具有全场实时测量、非接触、测量范围可调整等优点。试验过程中使用液氮加注来实现超低温环境(-196℃)的模拟，并通过CCD相机垂直于平板试件及液氮液面的安装方式避免了由于温度梯度造成的气流扰动对测量结果的影响，同时采用开放式的试验装置及加载系统(利用液氮自身蒸发所形成的氮气气封)消除了低温环境下试件表面结霜影响测量的难题，有效解决了低温环境下应用DIC测试手段进行变形测量所涉及的技术问题。

附图说明

图1一种基于DIC测试技术的超低温力学试验系统示意图。

图2一种基于DIC测试技术的超低温力学试验系统局部剖面图。

图3一种基于DIC测试技术的超低温力学试验系统俯视图。

图4平板试件结构图。

图5平板试件上下表面应变云图及应变测点位置。

图中，液氮槽-1，液氮-2，四点弯支撑块-3，挡板-4，平板试件-5，四点弯加载块-6，压杆-7，力传感器-8，承力地轨-9，直立柱-10，承力梁-11，调节板-12，作动筒-13，LED光源-17，双目CCD相机-18，温度测量系统-14，电阻应变测量系统-15，液压自动协调加载与控制系统-16，数字图像相关测量系统-19。

具体实施方式

参见图1-3，一种基于DIC测试技术的超低温力学试验系统，包括静力试验装置、三维数字图像测试设备和测控系统；所述静力试验装置包括液氮槽1、液氮2、四点弯支撑块3、挡板4、平板试件5、四点弯加载块6、压杆7、力传感器8、承力地轨9、直立柱10、承力梁11、调节板12、作动筒13；所述三维数字图像测试设备包括LED光源17、双目CCD相机18；所述测控系统包括温度测量系统14、电阻应变测量系统15、液压自动协调加载与控制系统16、数字图像相关测量系统19。

液氮槽1通过连接螺栓固定在承力地轨9上，液氮槽1内部加工有盲孔，四点弯支撑块3通过螺栓固定在液氮槽1的底板上，四点弯支撑块3的两弧形支撑间距离为L1；平板试件5水平放置于四点弯支撑块3的两弧形支撑上，四点弯支撑块3的两弧形支撑与平板试件5的中心线距离相等；挡板4通过螺栓固定在四点弯支撑块3上，以限制平板试件5沿水平方向移动；平板试件5上方设置四点弯加载块6，四点弯加载块6的两个压头间距离为L2，L2＜L1，且与平板试件5中心线的距离相等。

在液氮槽1的外周，由底部的承力地轨9、两侧的直立柱10、顶部的承力梁11搭建成承力龙门架，力传感器8的一端通过压杆7与四点弯加载块6连接，其另一端依次连接压杆7、作动筒13并通过调节板12固定在承力龙门架上；所述力传感器8与液压自动协调加载与控制系统16协作。

在平板试件5上表面喷涂白色底漆，在所述白色底漆上喷涂黑色漆，以形成随机散斑图像。

在平板试件5上表面粘贴温度传感器并将其接入温度测量系统14。

在平板试件5的下表面待测位置粘贴应变计并将其接入电阻应变测量系统15。

所述超低温指的是-196℃。

试验时，向液氮槽1内灌入液氮2提供低温环境，使平板试件5上表面刚好没入液氮2中。在液面上方适宜距离处安装双目CCD相机18，双目CCD相机18的摄像头通过四点弯加载块6的观察口对平板试件5上表面的散斑区进行拍照记录，并通过数据线连接到数字图像相关测量系统19。通过调整LED光源17的位置及亮度使散斑区的成像效果最佳，然后开始采集试件表面散斑图像。在不施加载荷的情况下，通过双目CCD相机18记录平板试件5的表面散斑图像；开始施加载荷，再通过双目CCD相机18记录平板试件5的表面散斑图像。在不同载荷下重复此图像采集过程，直至试验结束。最后，利用数字图像相关测量系统19进行散斑图像处理并获取所需的试验结果。

一种基于DIC测试技术的超低温力学试验系统的操作方法，其试验对象为中心具有焊缝的平板试件5，参照图4，所述焊缝所在的焊缝区两侧为热影响区，其余区域为母材区，所述操作方法包括以下步骤：

步骤一：在平板试件5上表面喷涂白色底漆，在所述白色底漆上喷涂黑色漆，以形成随机散斑图像。

步骤二：在平板试件5上表面粘贴温度传感器并将其接入温度测量系统14；在平板试件5的下表面待测位置粘贴应变计并将其接入电阻应变测量系统15。

步骤三：将液氮槽1通过连接螺栓固定在承力地轨9上，将四点弯支撑块3通过螺栓固定在液氮槽1的底板上。

步骤四：将平板试件5水平放置于四点弯支撑块3的两弧形支撑上，使两弧形支撑分别与平板试件5上的焊缝距离相等。

步骤五：将挡板4通过螺栓固定在四点弯支撑块3上。

步骤六：在平板试件5上方安装四点弯加载块6，使四点弯加载块6的两弧形压头与焊缝距离相等。

步骤七：搭建承力龙门架，将作动筒13通过调节板12固定在承力龙门架的承力梁11上，作动筒13下端连接力传感器8，力传感器8与四点弯加载块6之间通过压杆7连接，将作动筒13接入液压自动协调加载与控制系统16。

步骤八：向液氮槽1内灌入液氮2，使平板试件5上表面刚好没入液氮2中，液氮2上方形成氮气气封，避免了平板试件5表面结霜。

步骤九：在液面上方适宜距离处安装双目CCD相机18，双目CCD相机18的摄像头通过四点弯加载块6的观察口对平板试件5上表面的散斑图像进行拍照记录，双目CCD相机18通过数据线连接到数字图像相关测量系统19，通过调整LED光源17的位置及亮度使散斑图像的成像效果最佳。

步骤十：在不施加载荷的情况下，通过双目CCD相机18记录平板试件5的表面散斑图像；然后，施加载荷，通过双目CCD相机18记录平板试件5的表面散斑图像。

步骤十一：在不同载荷下重复散斑图像的采集过程，直至试验结束。

步骤十二：利用数字图像相关测量系统19进行散斑图像的相关计算，获得平板试件5不同区域及焊缝附近关键部位的变形场，并计算得到各区域的力学性能参数。

采用本实用新型顺利完成了铝合金焊接平板结构在液氮环境中的四点弯试验，利用三维数字图像相关技术获得了焊接平板结构件不同区域及焊缝附近关键部位的变形场，并计算得到各区域的力学性能参数(表1)，对金属焊接结构在超低温环境下的力学性能进行了深入研究。由表1中结果可以看出，母材区的弹性模量最大，热影响区次之，相较于母材区下降了约16％；焊缝区的弹性模量最小，相对于母材区降低了约23％。

表1焊接平板结构不同区域的力学性能参数

进一步地，还可以利用有限元分析软件，结合表1中焊接平板结构不同区域的力学性能参数实现针对焊接结构的精细化仿真建模，并可从有限元模型中获得精确的分析数据。

对于焊接结构的有限元分析，目前通常采用折减系数法，即对焊缝处的材料参数以一定比例进行折减。为了验证精细化建模方法的优势，选取试验中的四个应变测点，分别将折减系数法和精细化建模方法的有限元模拟结果与应变计实际测量数据进行对比，参见表2。

表2应变计测量结果与有限元模拟结果的对比(单位：με)

由结果可以看出，对于距离焊缝较远的测点1、4，两种有限元分析方法得到的结果几乎相同；而对于距离焊缝结构较近的测点2、3，精细化模型得到了更为精确的模拟结果，在精度上得到了较大地提高，证明精细化建模方法具有更高的计算分析精度，更适用于对焊接结构的有限元分析。

在整个试验过程中，系统运行稳定，满足试验要求，达到了试验考核目的，证明了本实用新型所述的试验系统的科学性和有效性，为后续的研究工作奠定了坚实的技术基础。

Claims (5)

1.一种基于DIC测试技术的超低温力学试验系统，包括静力试验装置、三维数字图像测试设备和测控系统；其特征在于，所述静力试验装置包括液氮槽、液氮、四点弯支撑块、挡板、平板试件、四点弯加载块、压杆、力传感器、承力地轨、直立柱、承力梁、调节板、作动筒；所述三维数字图像测试设备包括LED光源、双目CCD相机；所述测控系统包括温度测量系统、电阻应变测量系统、液压自动协调加载与控制系统、数字图像相关测量系统；

液氮槽通过连接螺栓固定在承力地轨上，液氮槽内部加工有盲孔，四点弯支撑块通过螺栓固定在液氮槽的底板上，四点弯支撑块的两弧形支撑间距离为L1；平板试件水平放置于四点弯支撑块的两弧形支撑上，四点弯支撑块的两弧形支撑与平板试件的中心线距离相等；挡板通过螺栓固定在四点弯支撑块上，以限制平板试件沿水平方向移动；平板试件上方设置四点弯加载块，四点弯加载块的两个压头间距离为L2，L2＜L1，且与平板试件中心线的距离相等。

2.如权利要求1所述的一种基于DIC测试技术的超低温力学试验系统，其特征在于，在液氮槽的外周，由底部的承力地轨、两侧的直立柱、顶部的承力梁搭建成承力龙门架，力传感器的一端通过压杆与四点弯加载块连接，其另一端依次连接压杆、作动筒并通过调节板固定在承力龙门架上；所述力传感器与液压自动协调加载与控制系统协作。

3.如权利要求1或2所述的一种基于DIC测试技术的超低温力学试验系统，其特征在于，在平板试件上表面喷涂白色底漆，在所述白色底漆上喷涂黑色漆，以形成随机散斑图像。

4.如权利要求1或2所述的一种基于DIC测试技术的超低温力学试验系统，其特征在于，在平板试件上表面粘贴温度传感器并将其接入温度测量系统。

5.如权利要求1或2所述的一种基于DIC测试技术的超低温力学试验系统，其特征在于，在平板试件的下表面待测位置粘贴应变计并将其接入电阻应变测量系统。