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工程科学与技术,国际期刊21(2018)760完整文章数字图像相关技术在杯突试验中的应用Murat Aydina,Zhao,Xin Wub,Kerim Cetinkayaa,Mustafa Yasara,Ibrahim Kadiaa土耳其Karabuk大学工业设计工程系,78050 Karabukb美国密歇根州底特律市韦恩州立大学机械工程系阿提奇莱因福奥文章历史记录:接收日期:2018年2018年5月20日修订2018年6月4日接受在线发售2018年保留字:数字图像相关杯突试验拉伸成形A B S T R A C T数字图像相关(DIC)技术在许多工业应用中是一个强大而有用的工具,无论是科学还是商业目的。它已被广泛用于力学测试,以了解材料的行为。本研究将3D DIC技术应用于埃里克森杯突试验(ECT)中,测量骨折杯高度,并证明其优于传统测量技术。实验中使用了不同材料厚度的CK75钢板。将扁平试样固定在闭合模具装置中,并沿两个方向拉伸直至断裂。所有的实验都是在手动操作的液压机上进行的,具有恒定的十字头位移,并用高分辨率相机记录。最后,为了确定破裂杯的高度,通过DIC测量获得了准确和令人满意的结果。还确定了全场厚度分布和最大断裂力。©2018 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。1. 介绍数字图像相关(DIC),也称为白光散斑技术,是一种非接触式光学测量技术,其基于变形和未变形数字图像的比较,以确定各种载荷条件下任何物体表面上的全场位移测量[1多年来,人们对图像处理进行了大量的研究,最近的研究主要集中在将数字图像相关技术应用于材料试验中,以了解材料的力学性能。Peters和Ranson[4]提出了一种技术,该技术包括比较小区域的变形和未变形图像,并通过捕获反射的超声波确定加载条件下的位置。Sutton等人[5]开发了数值算法,并使用光学记录图像进行了初步实验,以表明2D数字图像相关适用于使用光学记录图像。Pan等人[6,7]将2D DIC技术与高空间分辨率显微镜相结合,用于微米级和纳米级*通讯作者。电 子 邮 件 地 址 : murataydin@karabuk.edu.tr ( M.Aydin ) , xin. wayne.edu( X.Wu ) ,kcetinkaya@karabuk.edu.tr( K.Cetinkaya ) ,myasar@karabuk.edu.tr(M.Yasar),ibrahimkadi@karabuk.edu.tr(I. Kadi)。由Karabuk大学负责进行同行审查提出了平均光强梯度是表征散斑图质量的一个简单而有效的全局参数。Chen等人[8]使用3D DIC测量技术进行了三点弯曲测试,以确定牛骨的力学性能,并证明在达到峰值强度之前,挠度-力关系几乎是线性的Bai等人[9]开发了一种光学伸长计,用于使用大幅面透镜和图像传感器估计平面上的局部均匀应变。他们进行了单轴拉伸实验,以验证DIC的结果,并发现光学引伸计的分辨率在2和3lE之间。 Gencturk等人[10]对足尺预应力工字形梁进行极限荷载场三维位移,并与传统测量结果进行了比较。他们证明了DIC技术提供了非常准确和详细的信息,这是不可能通过传统技术获得的。Wang等人[11]将通用立体有限元模型更新方法和立体DIC相结合,通过将其方法应用于Erichsen杯突试验来确定板材的塑性各向异性。他们发现可以确定冲头和板材之间的摩擦系数。Li等人[12]通过数值计算和实验研究了钛合金焊接板的成形性。他们用DIC和埃里克森杯突试验研究了焊接工艺对应变分布的影响。结果表明,实验和数值计算结果给出了较好的综合。Ashwinihttps://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.06.0042215-0986/©2018 Karabuk University.出版社:Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页:www.elsevier.com/locate/jestchM. Aydin等人/工程科学与技术,国际期刊21(2018)760761××等人[13]研究了利用DIC进行板材质量检测的集成模式匹配方法。他们指出,使用开发的系统取得了相当稳定和良好的结果,并且在各种现实生活图像上一致的可接受输出显示了其鲁棒性。Poozesh等人[14]安装了一个多摄像机3D DIC测量系统,以确定置于悬臂边界条件下的单个风力涡轮机叶片的谐振频率和相应的工作形状。他们表明,多相机3D DIC系统有能力识别风力涡轮机叶片的整体动态行为。Wang等人[15]开发了一种多摄像机立体DIC系统,用于获得经受埃里克森杯形试验的金属试样的整个位移和应变场提出了对变形试件的几何形状和位移场进行拼接,得到表面应变场传统的测量仪器在材料测试中只能提供平均值,这些平均值不足以理解材料的力学行为。而DIC可以计算金属和非金属材料的全场应变和位移分布以及力学性能。Zhou等人[16]使用DIC技术在拉伸试验中确定了软包装材料显示了DIC非接触、无强化效应、全场精度高、测量范围宽、测量稳定性好等优点Grytten等人[17]还使用3DDIC计算了单轴拉伸试验中滑石和弹性体改性聚丙烯化合物矩形截面的应变和位移场他们表明,等容假设是无效的,必须使用3D DIC测量横向收缩以获得真实应力库巴[18]和Othman研究了聚醚醚酮在室温下各种应变率下拉伸试验中的机械行为,以便使用DIC确定冲击应变率范围。Heinz[19]使用3D DIC技术计算了玻璃态聚合物的屈服应变、泊松比和压缩模量。他认为,DIC是一个实用的技术,以了解非均匀应变分布屈服前。 Dudescu等人[20]使用DIC技术来确定屈服前和屈服后状态以及取决于聚氯乙烯(PVC)在各种十字头速度下的单轴拉伸试验中的变形特性的速率。结果表明,对于小应变率,应变率对真实应变-应力曲线的影响不大与更高的应变速率相比。Hwang等人[21]使用改进的粗细迭代DIC技术测量几个增强铝试样的应变和位移场。他们认识到,即使在高伸长率下,所开发的技术也可以覆盖这些试样的整个应变场。在上述文献综述的基础上,目前的研究已经进行,以证明DIC技术在二维拉伸实验(ECT),而不是在单轴拉伸试验的能力和好处。使用具有各种片材厚度的平坦试样进行ECT。因此,应用DIC技术,确定与板料厚度相关的埃里克森指数,获得全场材料厚度分布是本文的目的为了验证DIC结果,采用物理测量仪器2. 材料和方法2.1. 材料在本研究中,Ck75钢(在美国标准中也称为SAE 1074[22])用于埃里克森杯突试验。选择了三种不同的材料厚度,0.40 mm、0.50 mm和0.60 mm,以确定Erichsen指数。从制造商处获得机械性能以及化学组成。图1给出了试验材料在各轧制方向上的拉伸曲线。表1和表2显示了三个轧制方向的试验材料的化学成分和平均机械性能[23]。从表2中可以看出,q定义密度,E定义杨氏极限抗拉强度n定义了应变硬化指数。2.2. 方法在成形实验中,使用球冲压变形试验(众所周知的Erichsen杯突试验)来拉伸平坦试样直到断裂,以确定金属片材的延展性。成形试验包括对圆形或方形扁平件的完全受约束试样进行双轴拉伸。根据ASTME643-15标准[24]设计所有工具和实验样本。为了充分约束平板试件,模具设计为两部分,一部分为外圈,外圈上有内螺纹(M90 2 mm),另一部分为中间部分,外圈上有外螺纹(M90 2 mm)。通过旋转中间部分,借助摩擦力将平板试样固定在模具表面。图2显示了Erichsen工具设置的示意图。表3描述了测试工具的尺寸。在实验过程中,使用市售润滑脂作为润滑剂,并在每次试验中将其施加在冲头顶部。成形试验在行程380 mm、流量控制阀调节冲头速度使用流量控制阀将十字头位移设定为0.1 mm/s 的速率所有的力都用ZemicHM2D4 5t测力传感器测量称重传感器的输出灵敏度为2: 0 0:002 mV= V。称重传感器的输出电压通过称重显示器转换为千克,力通过称重显示器的Modbus协议保存。modbus协议的采样速率设置为每秒1000个样本图3示出了安装有测力传感器和闭合模具设置的液压机。Fig. 1. Ck75在不同轧制方向的拉伸试验曲线。762M. Aydin等人/工程科学与技术,国际期刊21(2018)760××表1Ck75的化学性质[23]。C10%Si10%MN10%P10%S10%Al10%CR10%莫10%Cu10%Ni10%0.7610.2410.6080.0090.0010.0330.1610.0040.0340.042表2Ck75的机械性能[23]。样品方向Q公斤=米3公斤E(GPa)Rp0: 2(MPa)Rm(MPa)n(-)0米纵向7.852053995760.14945度对角线7.852054135900.15090度 transmittance7.852054095930.156图二. Erichsen装置示意图[24]。表3埃里克森杯突测试装置的尺寸[24]。图三. 油压机及闭模装置。如今,由于光学技术的提高,许多数码相机已经开始使用CMOS传感器,并且这些传感器已经广泛用于DIC测量[25用两台分辨率为1280 × 720像素、焦距为50 mm、光圈为f/1.8、镜头为18-105 mm的Nikon D90数码相机对 图图4a显示了位于压板下方的摄像机设置。DIC技术需要特殊的绘画过程,其基础是产生随机散斑图案,即白色背景上的黑点。通过使用这种技术,可以创建不均匀和随机的表面纹理,以便跟踪全场位移测量[29]。在ECT试验中,制备尺寸为149 mm× 120 mm的试样,将它们快速轻松地放入封闭的模具组在每次测试之前,用320砂纸打磨所有样品以去除任何污垢和腐蚀。在研磨过程之后,用丙酮清洗所有样品。当清洁过程完成时,用无光泽纤维素白色涂料作为背景涂敷试样,在涂上白漆后,在样品表面上溅上哑光黑色斑点, 图图4 b显示了涂漆ECT样本的示例。所有实验均在室温和实验室环境下进行。为了提高测量精度,防止样品表面上的阴影误差在实验过程中,在测试开始时进行校准过程,以获得准确和精确的结果。使用高分辨率激光打印机打印129个间距为8mm的圆形点,并将其粘合在平坦的氧化铝板上。该板在测量区域中平移和移动,符号定义尺寸mm不试样厚度全厚度DpABDtDb穿透器球形端直径底模上模内径上模外径上模外径20点 05分25: 4 0: 125: 4 0: 190 0: 190 0: 1DsRiReRtHb试样宽度内底模圆角半径外底模圆角半径外顶模圆角半径底模89时间00: 01: 05时间00: 01: 05时间00: 01: 0520Ht上模20M. Aydin等人/工程科学与技术,国际期刊21(2018)760763见图4。DIC设置。(a)摄像机方向,(b)涂漆样本示例。在样品的相同位置,两个相机捕获几个图像用于校准。 图 5显示校准板。目前,市场上有许多数字图像相关利用软件进行图像处理,计算平板试件的三维位移场和应变场,非常方便。实验中的所有图像均使用Vic3D软件进行处理。3. 结果和讨论利用Vic3D DIC软件测量了材料在初始裂纹前的最大高度,使用测力传感器测量。为了验证DIC结果,使用灵敏度为0.01 mm的数字高度计测量断裂试样的高度。每种厚度的高度计测量示例如图6所示。在表4中,根据板厚度和DIC平均杯高度值给出DIC和高度计测量。从表4中可以看出,对于0.4 mm板厚度,断裂试样的高度测量为4.41mm,对于0.5 mm板厚度,为4.78 mm,对于0.6 mm板厚度,为5.04mm。此外,用DIC测量的埃里克森指数(EI)值对于0.4mm板厚度在4.353 mm和4.356 mm之间变化,对于0.5mm板厚度在4.724 mm和4.727 mm之间变化,图五、校准板。(a)摄影机1,(b)摄影机2。见图6。 高度规测量,(a)1号样本为0.40 mm,(b)2号样本为0.50 mm,(c)3号样本为0.60 mm。764M. Aydin等人/工程科学与技术,国际期刊21(2018)760表4通过高度计和DIC测量断裂髋臼杯高度。厚度(mm)标本高度规(mm)DIC髋臼杯高度(mm)DIC平均高度(mm)No.14.414.356680.40No.24.414.353034.35491No.34.414.35503No.14.784.727190.50No.24.784.724064.72607No.34.784.72697No.15.044.985430.60No.25.044.988084.98618No.35.044.98503对于0.6mm的板厚度为4.985和4.988。此外,对于0.4 mm、0.5 mm和0.6 mm的片材厚度,平均杯高度分别计算为4.35491 mm、4.72607mm和4.98618 mm。研究结果表明,破裂杯的高度测量DIC和高度计,埃里克森指数,增加与片材厚度。此外,通过对DIC和数字高度计测量值,可以看出数字高度计测量值略高于DIC,两种测量方法之间的差异为0.05192 mm至0.05697 mm。根据DIC结果,具有不同片材厚度的试样的破裂杯高度测量值在图11和12中给出。7-9,分别。从图中可以看出,每组图像见图7。1号试样0.40 mm板厚的DIC断裂杯高度测量。(a)3D绘图,(b)摄像机1,(c)摄像机2。见图8。1号样本(a)3D图,(b)摄像机1,(c)摄像机2的0.50 mm板厚DIC断裂杯高度测量。M. Aydin等人/工程科学与技术,国际期刊21(2018)760765包括3D绘图数据,其示出了在精确断裂时刻、摄像机1和摄像机2视图处的板的3D圆顶高度形状。图像右侧给出的彩色比例尺表示断裂的髋臼杯高度值(W),单位为毫米。对于0.40 mm板厚,最大断裂髋臼杯高度测量为4.35668 mm,并在图7(a)中显示为圆顶高度从图中可以看出,最大圆顶高度显示为红色区域,该区域位于冲头顶部,见图9。1号样本(a)3D图,(b)摄像机1,(c)摄像机2的0.60 mm板厚DIC断裂杯高度测量。见图10。 (a)0.40 mm、(b)0.50 mm、(c)0.60 mm和(d)平均最大力对片材厚度的力测量值。766M. Aydin等人/工程科学与技术,国际期刊21(2018)760在孔直径处获得的板的最小位移为0.245962 mm,并且该区域显示为紫色。由于薄板上的断裂,在断裂边缘,子集的对比度消失,不良的相关性被去除因此,该字段在3D图中显示为非彩色,并且从摄像机1和摄像机2的角度来看也显示为灰色。当板厚增加到0.50 mm时,测得最大拱顶高度为4.72719 mm,板的最小位移为0.30146 mm(见图10)。 8)。 对于0.60 mm的板厚,断裂杯高度约为4.98543 mm,这是所有实验的最大值,并且板的最小位移约为0.336798 mm,其中位置接近模具边缘的孔径(见图11)。 9)。从这些结果可以看出,断裂的髋臼杯高度和形状-通过将板厚度从0.4 mm增加到0.6 mm来增加成形极限。测得的力值如图所示。图10(a-c)示出了对于所有板厚度(分别为0.40 mm、0.50 mm、0.60 mm)的每个试样(No.1、No.2、No.3)的断裂杯高度的函数。 在图10(a)中,1号、2号和3号样本的最大力分别测得为6914.9 N、7466.2 N和7578.3 N。当片材厚度增加至0.50 mm时,测得的最大力为10633.0 N、10272.0 N和10966.0 N。当片材厚度增加至0.60 mm时,最大力测定为14459.0 N、14566.0 N和13100.0N。根据这些结果,0.40 mm的平均最大力约为7319.8 N,0.5 mm的平均最大力约为10623.67 N,0.6 mm的平均最大力约为14041.67 N。可以看出,见图11。 0.40 mm试样(a)1号试样、(b)2号试样、(c)3号试样的DIC板厚度分布测量。见图12。 0.50 mm试样(a)1号试样、(b)2号试样、(c)3号试样的DIC板厚度分布测量。图十三. 0.60 mm试样(a)1号试样,(b)2号试样,(c)3号试样的DIC板厚度分布测量。M. Aydin等人/工程科学与技术,国际期刊21(2018)760767裂缝杯高度随着板厚的增加而增加,如图所示。 10(d).DIC技术不仅可以计算杯形件高度,而且可以计算板料的板厚分布。断裂后的板厚分布见图11和图12。 11 -13对于每个试样的所有板厚度。从图中可以看出(图11-13),在冲头顶部发生的断裂以紫色表示,最大变薄的位置。在图11中,对于板材厚度为0.4 mm的1号、2号和3号试样,最小厚度分别计算为0.336918 mm、0.333694 mm和0.317837mm。此外,对于0.5 mm板厚,1号、2号和3号试样的最小厚度分别为0.381817 mm、0.384867 mm和0.393381 mm(见图12)。此外,当板厚度增加到0.6 mm时,对于相同的试样,最小厚度达到0.481818mm、0.46417 mm和0.496006 mm(见图13)。可以看出,断裂后的最小厚度随着板厚度的增加而增加。对于所有的实验,最小减薄发生在断裂试样的裂纹线。4. 结论本文介绍了将DIC技术应用于传统的杯突试验中,以测量杯突高度,并通过实验确定试件的准确破裂高度(杯突指数),是一种简便、灵活的技术。将不同厚度的扁钢试样约束在一个封闭的模具中,以恒定的十字头速度变形,直到断裂发生,同时用两台高清摄像机记录整个过程。使用Vic3D软件处理变形和未变形的图像。结果,1. DIC测量结果与高度计测量结果相比,可接受且令人满意。物理仪器测量略高于DIC测量。因为,在成形实验中,手动操作的液压机的十字头仍然移动了一点,尽管当从外部监视器观察到裂纹此外,在DIC测量中,对于一秒钟,获得24帧,并且使用作为断裂开始的帧此外,商用CMOS相机在实验室环境中也很有用[25]。2. 测量的杯高度随着板厚度的增加而增加(参见表4)。当试样厚度从0.40 mm增加到0.50 mm时,平均断裂杯高度急剧增加到约0.37116mm。然而,与厚度为0.50 mm的板相比,板厚度为0.60 mm的板的平均杯高度增加了0.26011 mm。3. 在力测量方面,每个实验的最大力和平均最大力随着片材厚度和杯高度的增加而增加(参见图10)。 平均最大力计算为7319.8 N,0.40 0.50 mm板厚为10623.67 N,0.60 mm板厚为14041.67 N。4. 根据实验,对于0.4 mm、0.5 mm和0.6 mm的板厚度,平均最小厚度分别计算为0.329483 mm、0.386688 mm和0.480665 mm。还观察到,平均最小厚度也随着材料的片材厚度的增加而增加。5. 安装的DIC设置可应用于Erichsen杯突测试,可在成型操作的同时进行精确测量。此外,根据非接触、简单、灵活的测量要求,同一装置可用于各种变形测量。引用[1] T.朱,W。Ranson,文学硕士Sutton,数字图像相关技术在实验力学中的应用,Exp。Mech.25(3)(1985)232https://doi.org/10.1007/BF02325092[2] H. Bruck , S. McNeill , M. Sutton , W. Peters , 使 用 偏 微 分 校 正 的 Newton-Raphson 方 法 的 数 字 图 像 相 关 , Exp.Mech.29 ( 3 ) ( 1989 )261https://doi.org/10.1007/BF02321405[3] D. Lecompte , A.Smits , S.Bossuyt , H.Sol , J. Vantomme , D. VanHemelrijck,A.Habraken,用于数字图像相关的散斑图案的质量评估,Opt. 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