基于数字相关技术的泡沫金属吸能过程分析教材.docx
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基于数字相关技术的泡沫金属吸能过程分析教材
基于数字相关技术的泡沫金属吸能过程分
摘要
泡沫金属作为新型多孔材料,以其轻质、消声、吸能、高比强度等多种优良特性,在汽车、建筑及航空等领域均发挥了重要作用。
6061泡沫铝合金热处理强化可增强吸能效果,具有广泛的应用前景。
本课题对由填加造孔剂法制备的开孔泡沫铝进行准静态单轴压缩试验,并基于数字图像相关技术,使用非接触全场应变测量系统(VIC-3D)构建吸能过程中的三维位移场及应变场,对经过不同固溶温度和时效温度热处理强化的6061开孔泡沫铝合金的吸能性能进行了对比和研究。
实验结果表明,VIC-3D系统受外界噪声影响很小,其构建出的开孔泡沫铝三维位移场及应变场可以直观展现材料压缩过程中的全场变形机理,水平方向应变场的变化过程可以很好表征裂纹萌生及扩展机制。
由填加造孔剂法制备的6061开孔泡沫铝合金的吸能特性对热处理的时效温度敏感性不高,最优固溶温度约为510oC。
关键词:
泡沫铝;数字图像相关;应变场;吸能;热处理
Asanewtypeofporousmaterialwhohaslotsofexcellentpropertiesincludinglightweight,noiseelimination,energyabsorptionandhighstrength,foamedmetalplaysanimportantroleinfieldsofautomobile,architectureandaviation,etc.6061aluminumalloyfoamwhichhasabetterenergyabsorptionperformanceafterbeingheatedforstrengtheningwillbewidelyused.
Thispaperillustratesthequasi-staticuniaxialcompressionexperimentsofopencellaluminumfoammadebyspace-holderpreparationmethod.BasedontheDigitalImageCorrelationtechnology,the3Ddisplacementfieldandstrainfieldintheprocessoftheenergyabsorptionareconstructedbyusingthenon-contactfullfieldstrainmeasurementsystem(VIC-3D),toanalyzeandcomparethemechanicalperformanceandenergyabsorptionof6061openaluminumalloyfoamswhichareheatedwithdifferentsolidsolutiontemperatureordifferentagingtemperature.
Theexperimentresultsshowthat,theinfluenceofexternalnoisetoVIC-3Dsystemislittleenough,3Ddisplacementfieldandstrainfieldcandemonstratedirectlythedeformationmechanismofaluminumfoamduringcompression,andtheevolutionofitshorizontalstrainfieldcanpredictandrevealthemechanismofthecrackgrowthandpropagationduringthecompression.Theenergyabsorptionperformanceof6061opencellaluminumalloyfoampreparedbyspace-holdermethodafterheattreatmentisn’tsensitivetotheagingtemperature,andthebestsolidsolutiontemperatureisabout510oC.
第1章绪论
1.1课题研究背景及意义
泡沫金属材料属于新型多孔材料,经过发泡处理在其内部形成大量气孔,这些气孔分布在金属相中构成孔隙结构。
泡沫金属材料有闭孔和开孔两种形式的孔隙结构,闭孔泡沫金属内气孔封闭且互相独立,开孔结构内气孔不封闭且互相连接。
泡沫金属材料中闭孔与开孔结构一般同时存在。
泡沫金属的结构特点包括:
具有较大的孔径,一般为0.1~10mm;具有较高的孔隙率,一般为40%~90%之间;材料密度小,且随孔隙率的增大而降低,密度一般仅为相同体积金属的0.1~0.6倍。
泡沫金属材料的性能主要受孔隙率、气孔形状大小和分布以及基体金属的性能等因素影响[1-4]。
泡沫金属既有结构材料的特点,又有功能材料的特点。
其结构材料性能主要表现在密度低、比表面积大、比强度高等方面,其功能材料性能主要表现在吸能、减震、吸声、隔热、散热、以及电磁屏蔽等方面。
因此,泡沫金属在航空、建筑、交通等各个科技与工业领域都有重要应用,是目前材料领域的研究热点。
泡沫金属材料具有吸收能量的重要用途,泡沫金属具有减震、缓冲、吸能等特性,被应用于制造缓冲器、吸震器等典型的能量吸收装置,如波音客机的壳体、宇宙飞船起落架以及汽车的防冲装置等。
其轻质、高比强度的特点用于制作航空航天飞行器的相应零件,可以大大减轻重量、节省能源。
与其它吸能材料相比,泡沫金属具有明显优势:
相较于层板复合材料,泡沫金属在压实前的变形过程中应力均匀,具有各向同性和强大的压缩应变等优点;相较于泡沫聚合物有更高的应力平台和更优的吸能能力[5-6]。
泡沫金属作为吸能材料具有广阔的应用前景,因而对泡沫金属吸能过程的损伤失效研究具有重要意义。
1.2数字图像相关技术基本原理
数字图像相关技术是一种由现代光电子技术、图像处理与计算机技术结合的全场、非接触光学测量方法,通过分析物体表面的人工散斑场来提取变形信息。
在实验固体力学领域里,结构和材料在不同载荷下表面的变形测量方法主要包括接触式和非接触式两种。
通常使用的电阻应变片测量属于接触式测量方法,由于手段限制和测量范围限制,难以获得全场变形数据,不能直观得到物体表面的变形情况。
而非接触式测量方法可以更方便直观地获取全场变形信息。
常用的全场非接触光学测量方法包括散斑干涉技术和全息照相干涉技术等干涉测量方法,以及网格测量法和数字图像相关技术等非干涉测量方法。
干涉测量方法需要相干光源和较复杂的光路设置,容易受到外界震动的影响,应用范围受到很大限制。
非干涉测量方法根据物体表面的灰度值来追踪对比变形前后图像中的特征区域来决定物体表面的位移与变形信息,对测量环境要求较低[7]。
数字图像相关技术能使用白光源或自然光源,结合立体匹配技术与双目视觉成像原理,如图1-1所示,通过使用两台互成一定角度的CCD相机,采集变形前后物体表面图像并利用相关算法进行处理得到变形信息。
数字技术不断发展与革新,数字图像分辨率不断提高,这使数字图像相关技术的测量精度越来越高,成为被广泛接受的测量物体表面变形情况的直观方法。
数字图像相关技术的基本原理是基于有一定以像素点为坐标的特征点分布的散斑图像,选取一个区域为所研究的像素点的正方形子区,通过分析和对比物体表面变形前后该子区的散斑图像信息,来追踪匹配前后两个时刻的子区散斑图像的位置进而获得子区中心点的位移矢量,通过分析多个子区中心点的位置信息得到物体表面整个分析区域的位移场。
数字图像相关技术通过一定的相关算法和匹配方法来追踪变形前后的特征点,以二维数字图像相关法为例,如图1-2所示,首先选取像素大小为的子区作为参考图像子区,子区以特征点为中心,根据数学相关算法和匹配方法,变形后的特征点所对应的相关函数应该达到极值,可以在变形后的图像中找到所匹配的特征点以及对应的参考图像子区。
比较变形前后子区中的特征点的位置变化,可以构建相应的位移场和应变场。
图中特征点变形后在水平方向的位移为,在竖直方向的位移为。
图1-2变形前后子区变化示意图
1.3泡沫金属的研究进展及DIC技术的应用现状
1.3.1泡沫金属的研究进展
泡沫金属作为新型多孔材料逐渐成为国内外材料领域研究的热点之一。
近年来的泡沫金属研究包括Al、Ni、Cu等材料,其中尤其以泡沫铝合金的性能研究最多。
美国Ethyl公司在20世纪60年代开始对泡沫金属展开研究,在1968年由美国ERG公司制备的泡沫铝板材应用到美国航天飞机上[8]。
在1991年日本九州工业金属研究所使用渗流法与发泡法生产部件,开发了成熟的泡沫铝工业化生产路线,并将应用于高速列车制造上。
90年代,德国弗雷霍夫实用材料研究所研究了泡沫铝的微观结构以及发泡动力学过程,并将粉末致密化工艺应用到了工业化生产中。
国外对泡沫金属的研究非常深入广泛,美、日、德等发达国家的泡沫金属制备工艺和理论研究都处于领先地位,且已成功将泡沫金属应用于汽车、建筑、机床等领域。
我国的泡沫金属研制起步于80年代。
经过多年的探索,东南大学、贵州科学院等研究单位已基本掌握了泡沫金属的生产方法。
其中东南大学材料系分别对泡沫金属的声学、热学及渗透性能进行了研究。
2006年,赵乃勤和姜斌通过填加造孔剂法成功制备出性能良好的孔隙率为50%-80%的开孔泡沫金属,且得出尿素颗粒是制备泡沫铝的理想造孔剂[9]。
曹晓卿等研究了热处理对渗流法生产的开孔泡沫Al-Mg-Si合金性能的影响,发现经过时效处理和T6强化的泡沫铝合金动静态压缩强度都有所提高[10]。
国内科研者的努力为我国泡沫金属的研究带来进展,但仍有很多制备工艺属于实验室探索阶段,如何实现产品优质化与生产规模化是我国泡沫金属材料领域的研究重点。
1.3.2DIC技术的应用现状
目前,DIC技术在材料的力学性能测试上广为应用。
加拿大研究中心通过使用DIC技术对商务飞机货舱表面在发生爆炸时的位移场和应变场进行了研究,如图1-3通过DIC技术得到高应变区域来进行飞机结构设计方面的改善。
Song等使用DIC技术研究了密砂试样在三轴压缩实验中的表面位移[11]。
Zhou等利用DIC方法分析了热处理对开孔泡沫铝压缩变形的影响[12]。
潘兵等通过DIC技术与加热设备结合实现薄膜材料的热变形和热膨胀系数的测量,并通过与瞬态气动热环境模拟系统的结合实现了550oC高温变形场的测量[13]。
随着DIC测量方法算法的精度提高,我国的DIC技术应用范围不断扩大,在建筑、岩石、医学、高分子材料等研究上均有应用。
1.4论文研究主要内容
本论文主要包括以下内容:
1.研究外界环境噪声对VIC-3D系统测量精度的影响,分别分析对比三维位移场及应变场的测量误差。
2.对由填加造孔剂法制备的开孔泡沫铝进行准静态单轴压缩实验,使用DIC技术对吸能过程构建三维位移场及应变场,并分析泡沫铝吸能过程的裂纹扩展机制。
3.基于DIC技术分析不同固溶温度和不同时效温度的T6热处理对6061开孔泡沫铝合金吸能过程的影响。
第2章实验设备和测量系统
2.1实验设备及仪器
开孔泡沫铝的准静态压缩实验采用Instron-5982万能电子实验机,同时采用由Solution-Correlation公司制造的VIC-3D非接触测量系统进行位移场和应变场的测量。
实验设备如图2-1所示,VIC-3D测量系统可以分为软件系统和硬件系统两部分。
软件部分包括Vic-Snap图像采集软件以及Vic-2D和Vic-3D图像分析软件,硬件部分包括三脚架、两台CCD相机、LED光源以及计算机。
(a)万能电子实验机及VIC-3D图像采集装置;(b)VIC-3D图像处理装置
2.2VIC-3D系统测量方法
VIC-3D系统的测量方法共分为以下步骤:
散斑制备、相机调整、系统校正、图像采集以及图像处理分析。
下面将具体介绍这些步骤。
2.2.1散斑制备
数字图像相关技术的测量需要识别被测物体表面可识别的散斑图案,可使用物体表面的自然纹理,或者使用喷涂、染色等方式人为添加散斑。
散斑的质量对系统的测量精度有一定影响,为了得到有效的相关性,数字图像相关技术要求散斑图案必须符合非重复性、各向同性和高对比性的标准。
散斑图案由不同灰度值的像素格构成,为得到质量较好的散斑必须使邻近的像素格具有较大的灰度差值,因此要求散斑是随机分布,显示出一定的灰度对比。
数字图像相关法对于散斑尺寸也有一定要求。
一般而言,散斑也不能过大或过小,最佳的散斑大小可以获得更好的灵活性。
散斑过大会导致同一子区内的图像为全黑或全白,不利于DIC技术对子区的追踪与匹配,如果通过增加子区大小来弥补则会使空间分辨率降低。
散斑过小则有可能因为相机分辨率的不足导致成像不够精准,对DIC的追踪造成一定困难。
对于开孔泡沫铝压缩实验,由于开孔泡沫铝表面本身不具有适用于数字图像相关法的自然纹理,且其表面具有金属光泽,不利于应用VIC-3D系统对散斑图像进行采集和计算,故需要对试样表面进行人工散斑处理。
常用的散斑制备方法有喷漆、墨粉、网格、印刷和电化学腐蚀等。
本实验采用如图2-2所示的黑色和白色哑光漆,对大小为的圆柱形泡沫铝试样进行喷涂。
在擦净圆柱形泡沫铝试样表面后,使用白色哑光漆对试样表面进行喷涂,注意当喷出的漆呈均匀雾状时再慢慢移动到距试样一定距离处,以确保底漆均匀覆盖试样表面,完全盖住表面的金属光泽。
底漆不能过薄,否则实验过程中会形成反光点影响图像采集质量;同时底漆不能过厚,否则会影响甚至改变试样表面的力学性能,而且可能在压缩过程中成块脱落导致散斑丢失。
当底漆晾干后开始喷涂黑色哑光漆,注意当喷出的漆呈均匀雾状时移向试样上方,喷嘴方向与试样表面保持平行,使漆自由散落。
按压喷嘴力度不能过小,否则易出现较大墨滴导致散斑过大,同时力度也不宜过大使得散斑难以落到试样表面。
图2-3为喷斑前后的泡沫铝试样对比。
2.2.2相机调整
将泡沫铝试样放在压盘中心,散斑部分朝向镜头,打开LED光源对准试样使拍摄时有足够的亮度。
打开Vic-Snap软件图像视窗,调整相机支架位置及高度,使得两个CCD相机保持绝对水平且位置适合于拍摄整个压缩过程。
进一步调整相机位置和角度,如图2-4所示,使两个镜头的十字中心大致在同一位置且试样大致位于图像中央,使用软件中的sigma评估参数调节两个相机的光圈大小和焦距,使得拍摄图片清晰且亮度合适。
通过sigma评估参数系统软件给出试样表面散斑图像的不确定度分布云图,颜色为紫色的区域不确定度较低,调节时应使紫色区域面积达到最大,后期图像分析过程中将选取紫色区域作为研究区域。
2.2.3系统校正
对于每次实验必须使用系统配有的尺寸合适的校正板对DIC系统进行校正。
没有经过校正的图像是以像素为单位的,而通过校正板可以使像素单位与实际长度相匹配,将图像尺寸化。
放置校正板在被测试样处,保持与拍摄试样时相同的设置对校正板进行拍摄,系统就可以通过校正板上两点之间在图像上显示的距离,将像素大小与实际长度相对应,将像素单位转化为实际长度单位,得到被测物体的实际尺寸以及位移尺寸。
本实验采用网格尺寸为3mm的校正板(板上两点间距为3mm),拍摄25张以上的校正板图像后使用Vic-Snap软件完成系统自动校正,如图2-5所示,去掉不确定度过高的校正板图像,使最终的不确定度评分在0.04以下,此时系统校正较为精确。
2.2.4图像采集分析
在使用Instron万能电子实验机对试样进行实验的同时,使用VIC-3D测量系统对实验过程中的试样进行图像采集。
设置Vic-Snap的拍照速率,为保证万能电子实验机得到的数据与VIC-3D系统测得的数据相匹配,应尽量在实验开始的同时开始拍摄。
实验结束后,使用Vic-3D分析软件导入由Vic-Snap所采集的试样变形图像和校正板图像,完成系统校正后,如图2-6所示在初始图像上选取分析区域(AOI),尽量选择sigma参数评估不确定度较低的紫色区域作为研究区域。
选取合适的网格大小(subsetsize),一般选择系统推荐的网格大小,设置最佳步长,再利用软件完成对变形图像的分析,得到试样在实验过程中的全场位移和应变云图,以及其他相关的位移和应变信息。
2.3环境噪声对VIC-3D系统测量精度的影响
DIC技术的测量精度会受到众多因素影响,比如相关算法、光学元件、散斑质量和外界环境噪声等。
本章主要研究外部环境噪声对VIC-3D系统测量精度的影响。
由于DIC技术涉及数字图像的形成与提取,其测量精度会受到测量过程中外部环境噪声的影响,噪声的产生主要来自于环境和光源的不稳定性。
下面通过对零载荷静止状态下的泡沫铝试样进行图像采集和分析研究本实验环境下噪声对系统测量精度的影响。
使用的圆柱形泡沫铝试样,经过表面喷斑处理后放置在压盘中心位置并且使散斑区域朝向镜头。
使用Vic-Snap软件采集试样在零载荷的静止状态下的图像,设置拍照速率为2秒/张,共拍摄25张图像。
使用Vic-3D软件导入图像,在完成系统校正后,选取适当的区域进行分析,系统会默认将第一张(第0秒拍摄)图像作为参考图像来分析其他图像的位移和应变信息。
图2-7为第1张零载荷静止状态下的泡沫铝试样图像经过Vic-3D软件分析后得到的3D视图图像,其中X方向为试样的水平方向,Y方向为试样的竖直轴向方向,Z方向为试样的离面方向。
对于圆柱形泡沫铝试样,X方向和Z方向均可以认为是泡沫铝的径向方向。
本实验选取系统建议的网格大小像素,步长设置为6像素,经过对所有图像的分析处理可以得到分析区域内的全场位移和应变数据,图2-8为其中一张图像的位移及应变云图。
其中,X方向位移分量由U表示,Y方向位移分量由V表示,Z方向位移分量由W表示,X方向应变分量由exx表示,Y方向应变分量由eyy表示,XY方向剪切应变分量由exy表示,同一个位移范围或应变范围用相同颜色区域表示。
理论上,零载荷下静止状态的试样位移和应变数值应该为零,但由于系统误差和外部环境造成的误差等因素,该值不可能为零。
从图2-8中可以看出,分析区域内的全场位移和应变数值都很小,且图像绝大部分区域的位移和应变数值接近于零,说明系统误差和外界环境噪声造成的误差很小,证明了VIC-3D测量系统的精确性。
根据VIC-3D系统所得数据可知,本实验每张图像的所选分析区域内共有1365个计算特征点。
如图2-9所示,取每张图像所有特征点位移和应变的平均值并计算其标准差作为纵轴,以拍摄时刻作为横轴,可以发现不同时刻测得的位移和应变数值数量级都维持在较小水平。
再对25张图像的位移和应变平均值取平均并计算标准差可以得到表2-1,求得的位移和应变的数量级依然很小,进一步证明了VIC-3D系统的准确性。
表2-1零载荷静态泡沫铝试样位移和应变均值和标准差
变量水平位移
U(mm)竖直位移
V(mm)离面位移
W(mm)水平应变
exx竖直应变
eyy剪切应变exy
均值3.39E-031.49E-03-4.61E-03-8.56E-052.49E-051.05E-04
标准差9.11E-041.21E-033.72E-035.39E-041.32E-041.22E-04
此外,由图2-9和表2-1能得出,水平位移U和竖直位移V的平均值要比离面位移W的平均值更稳定且绝对值更小,说明本实验中VIC-3D系统对泡沫铝试样的水平位移和竖直位移的测量要比离面位移的测量更精确。
同时,水平方向应变exx的标准差比eyy和ezz的标准差大,说明exx的测量相对容易受到外部环境噪声的影响。
第3章基于DIC技术的泡沫铝压缩实验研究
本章使用万能电子实验机对泡沫铝试样进行准静态压缩,同时使用VIC-3D系统对压缩过程进行图像采集,分析其在压缩过程中的三维位移场和应变场以及裂纹扩展机制。
3.1实验材料及方法
本实验采用由填加造孔剂法制备的开孔泡沫铝作为准静态单轴压缩实验的材料,使用的造孔剂为球形尿素。
填加造孔剂法制备泡沫铝的工艺流程以及制备出的开孔泡沫铝实物如图3-1所示,通过控制造孔剂的形状、大小及比例可以制备不同孔径、孔隙率以及孔形状的开孔泡沫铝。
本实验使用大小为的圆柱形泡沫铝试样,孔径范围1.6-2.0mm,孔隙率约为60%。
实验使用Instron-5982万能电子实验机,设置的压缩速率为2mm/min,使用VIC-3D系统采集变形图像,设置的图像采集速率为2秒/张。
3.2泡沫铝压缩实验曲线
根据万能电子实验机得到的泡沫铝压缩数据,可以得到如图3-2所示的应力应变曲线,压缩过程可分为三个阶段,分别为线弹性阶段、塑性平台阶段和致密化阶段。
在线弹性阶段,试样发生弹性变形,应力随着应变的增加呈线性递增;达到最大屈服强度后,试样发生塑性变形,且应力随着应变持续增加保持在相对稳定的水平,形成一个屈服平台,该阶段为塑性平台阶段,此时的应力称为平台应力。
随后,泡沫铝被压实,进入致密化阶段,应力迅速增大。
两个阶段的交界处应变称为压实应变,可使用塑性平台阶段与致密化阶段曲线的切线交点来确定[14],对应的应力为压实应力。
泡沫铝的塑性平台区域较大,压实应变较大,在塑性平台区保持了较大的应力范围,通过泡沫铝在这一阶段的不断受压变形以及孔洞结构的屈曲、延展、坍塌吸收了大量能量,因而具有良好的吸能能力。
3.3基于DIC技术的位移场分析
基于DIC技术,通过VIC-3D系统可以构建泡沫铝压缩过程中的位移场和应变场。
位移场通过对采集的图像进行相关算法匹配得到,应变场是系统根据应变与位移的关系进行计算得到。
对于圆柱形泡沫铝试样,主要考虑试样的径向位移和轴向位移。
DIC技术可以测量试样表面分析区域的水平位移U、竖直位移V和离面位移W,其中竖直位移即试样的轴向位移,水平位移和离面位移均可近似表示试样的径向位移。
由2.3节的实验结论可知,VIC-3D系统对泡沫铝试样的水平位移测量要比离面位移测量更精确,因此,本节采用水平位移场来对泡沫铝试样的径向位移进行研究。
3.3.1水平位移场分析
DIC技术测得的试样水平位移场U在不同压缩应变水平下的变化云图如图3-3所示。
图中水平位移U取正值时表示向右移动,负值表示向左移动。
取U的绝对值可以表示试样沿径向向外的膨胀程度。
图3-3中,在压缩应变水平为2.4%时,试样处于线弹性阶段,水平位移绝对值大部分处于0.05mm以下且呈横向带状分布,试样表面下部有轻微的向左位移,试样无明显膨胀,位移场分布均匀且没有裂纹产生。
在应变为4.8%时,试样接近屈服,表面的水平位移在中线两侧区域方向相反,右侧位移为正,左侧位移为负,试样轻微膨胀,且上下两端膨胀更明显。
在进入塑性阶段后,这一现象更加显著,试样上端出现裂纹,水平位移绝对值增幅逐渐增大,试样膨胀明显。
在应变达到16.0%时,试样表面中部也萌生裂纹,且裂纹两侧水平位移较大。
随着应变继续增加,试样表面开裂更加严重,表面开裂扭曲甚至崩塌,使部分分析区域散斑丢失无法被系统追踪识别,在应变为24.0%时,试样上端崩塌部分已不能被匹配分析,没有位移云图覆盖。
3.3.2竖直位移场分析
图3-4为试样在压缩过程中的竖直位移场V在不同应变水平下的变化云图,由于本实验为压缩实验,故竖直位移为负值,方向向下。
云图中紫色区域表示向下位移量最小,红色区域表示向下位移量最大。
实验过程中,上压盘逐渐下降压缩试样,从图3-4可以看出在应变为2.4%的弹性阶段,试样表
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