基于工业CT和DVC方法的增材制造铝合金结构内部变形测量

发布时间：2021-10-24 13:59

　　数字体相关（Digital Volume Correlation,DVC）方法是一种能够对结构内部全场变形进行直接测量的技术。本文建立了基于工业CT（Computed Tomography）设备、自行研制的原位加载装置和商用DVC分析软件的结构内部变形测量系统,设计多种结构形式的试样,可产生从简单到复杂的不同内部变形场,采用激光选区熔融（Selective Laser Melting,SLM）工艺制作拉伸、双环型压缩和缺口拉伸等增材制造铝合金试样,进行原位加载及成像实验,使用DVC方法获取了试样内部三维位移场与应变场数据。相比标准材料,实验中测得的简单拉伸试样的弹性模量出现显著下降,与机械测量结果完全吻合,这是试样打印时引入的高孔隙率导致的;双环型压缩试样在载荷作用下产生了预想的含梯度应变场,其分布形式与有限元方法计算结果吻合;缺口拉伸试样的应力集中现象在测量得到的三维变形场中有明显表现。本文研究结果验证了使用DVC方法对增材制造铝合金材料内部三维变形场进行测量的可行性和有效性。 

【文章来源】：实验力学. 2020,35(05)北大核心CSCD

【文章页数】：9 页

【部分图文】：

(a)增材制造正方体铝合金块;(b)多取向铝合金拉伸试样;(c)3D打印双环灯笼形试样;(d)模拟应力集中试样

使用DVC方法测量三维变形场需要借助材料内部存在的密度分布差异、颗粒结构、结构分层、裂纹及孔隙等微观结构特征,它们在三维数字体图像中产生的灰度差异将作为变形信息载体,通过追踪其在受载变形前后的空间位移计算出试样材料内部三维变形场。对于缺乏明显微观结构特征的材料,可通过制作试样时混入颗粒状标志物或预制内部孔隙进行变形追踪,但会对材料本身的力学性能产生影响[17]。本文使用的图像处理软件为CSI(Correlated Solutions Inc)公司的DVC分析软件Vic-Volume[14],当材料中变形信息载体尺度在10至15个像素左右时,最有利于软件对其追踪和计算空间位移,因此在制作试样时特别调整了工艺参数,使得试样内部能够形成适合识别的随机分布孔隙,从而在图像中产生便于计算的显著灰度差异。需要指出的是,本文中使用的试样存在人为设定孔隙,其性能不代表实际产品。1.2 基于工业CT和DVC方法的实验平台

在600N拉伸载荷作用下的X取向拉伸试样的位移场和应变场如图3和图4所示。由图3可见内部位移场从下到上总体线性增加,能观察到同一横截面上位移轻微的线性变化,可能是简易加载装置的偏心造成的;由图4可观察到试样内部应变场总体较为均匀,符合简单拉伸变形的理论计算结果。图4 1700N拉伸载荷下的试样轴向应变场: (a)整体;(b)YZ中截面;(c)XZ中截面;(d)XY中截面

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于数字图像相关方法的矿用扁平接链环模型接触变形实验研究[J]. 李阳,孙晨,陈巨兵.  实验力学. 2019(06)
[2]基于DVC技术测量锈蚀钢筋混凝土应变场[J]. 王志强,田野,金南国,金贤玉,蒋昊宇.  混凝土. 2018(12)
[3]人工砂岩物理力学性质的实验研究[J]. 赵阳,周宏伟,钟江城.  实验力学. 2018(03)
[4]X射线断层扫描在材料力学行为研究中的应用[J]. 王龙,冯国林,李志强,吴建国,张伟.  强度与环境. 2017(06)
[5]数字体图像相关方法研究进展[J]. 潘兵,王博.  科学通报. 2017(16)
[6]3D打印材料应用和研究现状[J]. 王延庆,沈竞兴,吴海全.  航空材料学报. 2016(04)
[7]基于同步辐射X射线相衬显微CT技术的竹木复合材料胶合界面特征研究[J]. 彭冠云,王玉荣,任海青,杨淑敏,马红霞,谢红兰,邓彪,杜国浩,肖体乔.  光谱学与光谱分析. 2013(03)
[8]基于显微CT的骨微观三维变形场测量系统的研究[J]. 孟昊业,马沁巍,汪爱媛,马少鹏,彭江,许文静,卢世璧.  医用生物力学. 2012(01)
[9]基于梯度的数字体图像相关方法测量物体内部变形[J]. 潘兵,吴大方,谢惠民,胡振兴.  光学学报. 2011(06)



本文编号：3455406