趙 兵，王廣飛，欒 旭，梁 軍

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，哈爾濱 150001)

基于數(shù)字散斑相關(guān)法的蜂窩板拉伸力學(xué)性能測(cè)試

趙 兵，王廣飛，欒 旭，梁 軍

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，哈爾濱 150001)

作為金屬熱防護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分，金屬蜂窩夾芯板的性能和結(jié)構(gòu)可靠性關(guān)系到使用壽命。本研究采用數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)和時(shí)間序列散斑檢測(cè)技術(shù)，對(duì)蜂窩夾芯板共面拉伸性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，測(cè)得共面拉伸彈性模量，與利用等剛度法計(jì)算得到的蜂窩夾芯板的等效彈性模量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的有效性和實(shí)用性。

金屬蜂窩夾芯板；數(shù)字散斑相關(guān)法；拉伸性能

0 引言

與傳統(tǒng)材料相比，金屬蜂窩夾芯板結(jié)構(gòu)具有比剛度大、比強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域?？芍貜?fù)使用的高效的熱防護(hù)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)RLV計(jì)劃的最關(guān)鍵技術(shù)之一。蜂窩夾芯板作為熱防護(hù)系統(tǒng)(Thermal Protection System，TPS)的重要部件，集承載和防熱功能于一體，其力學(xué)性能對(duì)于金屬熱防護(hù)系統(tǒng)是非常重要的。蜂窩夾芯板作為可重復(fù)使用運(yùn)載飛行器大面積防熱金屬熱防護(hù)系統(tǒng)最外層的防護(hù)件，有必要了解其在高溫作用下的斷裂失效過程。

固體實(shí)驗(yàn)力學(xué)中的變形測(cè)量常用的方法有電阻應(yīng)變測(cè)量法和光測(cè)力學(xué)變形測(cè)量法。電阻應(yīng)變測(cè)量法具有測(cè)量精度高、測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便且有成熟的配套儀器等優(yōu)點(diǎn)[1]。但在研究某些特殊問題時(shí)，也存在一些不足：1)電阻應(yīng)變測(cè)量是點(diǎn)測(cè)量方法，不能(或者非常困難)獲得應(yīng)變場(chǎng)，這對(duì)于研究界面、破壞等非均勻變形問題是不利的；2)應(yīng)變片的應(yīng)變測(cè)量范圍有限，大變形(如破壞區(qū)變形)時(shí)常將應(yīng)變片電阻絲拉斷，因而不能獲得測(cè)量數(shù)據(jù)。光測(cè)力學(xué)變形測(cè)量方法中的數(shù)字散斑相關(guān)法為非接觸的場(chǎng)測(cè)量方法，可獲得變形場(chǎng)，而且可測(cè)量大變形。以上這些特點(diǎn)正好可彌補(bǔ)應(yīng)變測(cè)量方法的幾個(gè)不足。因此，光測(cè)力學(xué)變形測(cè)量方法[2-4]常應(yīng)用于極小試件變形測(cè)量、特殊材料(如生物材料)、界面問題、破壞問題測(cè)量等。

數(shù)字散斑相關(guān)法(Digital Speckle Correlation Method，DSCM)也稱之為數(shù)字圖像相關(guān)(Digital Image Correlation，DIC)是80年代由I. Yamaguchi和W. H. Peter等獨(dú)立提出的，是一種用于面內(nèi)位移或變形測(cè)量[5-6]的非接觸計(jì)算機(jī)輔助光學(xué)測(cè)量方法。此方法圖像采集方式簡(jiǎn)單、光路布置方便、處理自動(dòng)化程度高、精度高、靈敏度好等優(yōu)點(diǎn)。宏觀測(cè)試方面可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離檢測(cè)，微觀可以實(shí)現(xiàn)細(xì)微位移測(cè)量、形貌測(cè)量等。

本研究利用DSCM技術(shù)，通過蜂窩夾芯板拉伸試驗(yàn)測(cè)試蜂窩夾芯板的彈性模量，并與等剛度法計(jì)算得到蜂窩夾芯板拉伸的等效彈性模量進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證該技術(shù)的可靠性和實(shí)用性。

1 材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

蜂窩夾芯板制備流程如圖1所示。采用GH188蜂窩夾芯材料，尺寸為200 mm×200 mm×5 mm，面板厚度0.12 mm，單元胞壁厚度為0.076 mm(圖1a)，通過軋制成所需厚度的金屬帶材；其次，通過精密剪切加工，制成條狀帶材，所剪切帶材的寬度就是所設(shè)計(jì)的蜂窩芯高度；然后，使用經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的安裝有齒輪狀的板材軋制成半六角形的波紋板；最后將所軋制成型的波紋板通過一定的順序，疊加點(diǎn)焊制備成蜂窩芯。最后將蜂窩面板和蜂窩芯子采用釬焊加工成一個(gè)整體。

圖1 蜂窩夾芯板的制備過程Fig.1 Manufacturing process of honeycomb sandwich panel

1.2 試驗(yàn)方法

拉伸試驗(yàn)尺寸為100 mm×25 mm×3.6 mm，在Instron4505電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，數(shù)據(jù)采集5點(diǎn)/s。

同時(shí)在加載過程中采用數(shù)字散斑相關(guān)法技術(shù)連續(xù)采集圖像以得到拉伸過程中的變形和應(yīng)變，從而得出等效彈性模量。圖3為數(shù)字相關(guān)系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)備布置圖。試件被固定在試驗(yàn)機(jī)的夾持機(jī)構(gòu)上，預(yù)先施加100 N的預(yù)緊力以消除機(jī)械間隙及保持試件的穩(wěn)定垂直加載；其余部分則為數(shù)字相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)部分，包括：長(zhǎng)距離工作顯微鏡、Basler數(shù)字CCD、機(jī)械支撐機(jī)構(gòu)(包括延伸臂、三角架及其云臺(tái))、圖像采集及處理系統(tǒng)(包括數(shù)據(jù)線及圖像卡和計(jì)算機(jī)等)。

在試驗(yàn)開始前仔細(xì)標(biāo)定該系統(tǒng)的位移-像素(Pixel)關(guān)系，一旦知道該關(guān)系后，就可以將像素值轉(zhuǎn)化成位移值(μm)。采集試件圖像，然后對(duì)試件圖像進(jìn)行劃分網(wǎng)格，見圖2分為20個(gè)網(wǎng)格。為消除初始試驗(yàn)的連接間隙等問題，在試驗(yàn)開始后3 s開始截圖，截圖時(shí)間間隔為2 s，數(shù)字圖像時(shí)間序列圖記錄每一時(shí)刻圖像的微小變化。圖像分辨率為512×512像素。

圖2 數(shù)字相關(guān)系統(tǒng)試驗(yàn)布置圖Fig.2 Arrangement plan of digital image correlation system

圖3 DSCM數(shù)字序列圖網(wǎng)格劃分情況Fig.3 Mesh division of DSCM

2 結(jié)果與討論

圖4為試件1和試件2兩個(gè)蜂窩夾芯板拉伸至破壞全過程的載荷-位移曲線。由2條拉伸曲線可以看出，兩試件拉伸初始階段的彈性部分幾乎完全重合，此部分可以作為計(jì)算蜂窩板拉伸等效彈性模量的依據(jù)。試件1和試件2由于試驗(yàn)機(jī)夾具對(duì)夾持部位的壓縮作用及試件拉伸過程中的變形引起夾具與夾持部位之間的打滑，造成曲線中的凹坑現(xiàn)象，但不影響彈性部分等效彈性模量的計(jì)算。從圖4可以看出，兩試件的變形均較大，說明蜂窩夾芯板有很好的抗拉性能；還可以看出，載荷在0～2.0 kN范圍內(nèi)，材料處于線彈性變性階段。因此，采用此段作為彈性模量測(cè)量的區(qū)間。并對(duì)比采用剛度法和DSCM法測(cè)得的彈性模量。

圖4 蜂窩夾芯板拉伸載荷-位移曲線Fig.4 Load and displacement curve of honeycomb sandwich panel

圖5為試件2蜂窩夾芯板拉伸初始3、5、7 s的灰度圖。拉伸彈性模量可以取彈性變形階段的數(shù)字圖像時(shí)間序列灰度圖進(jìn)行計(jì)算。以試件2初始t=5 s和t=7 s兩幅數(shù)字序列圖為例進(jìn)行簡(jiǎn)單說明(圖5b、圖5c)。因?yàn)椴牧铣跏祭烨€，載荷與位移近似成線性關(guān)系。所以可以近似得到蜂窩板拉伸時(shí)的等效彈性模量。

圖6是裂紋產(chǎn)生到貫穿階段數(shù)字圖像時(shí)間序列灰度圖。從圖6可以看到，在1 126 s時(shí)都達(dá)到了峰值力5 377 N，即出現(xiàn)宏觀裂紋時(shí)是拉伸力最大的時(shí)候(圖6a)。此時(shí)的峰值力對(duì)應(yīng)于圖4中試件2位移在19 mm附近的最大載荷。此后拉伸力就直線下降。在1 192 s，蜂窩夾芯板拉伸破壞，此時(shí)的力為58.6 N(圖6f)，對(duì)應(yīng)于圖4試件2位移在20 mm附近的載荷。對(duì)比圖6、圖4可以看出，CCD采集的數(shù)字圖像時(shí)間序列灰度圖記錄的值與Instron4505電子萬能試驗(yàn)機(jī)記錄試件2的曲線相吻合。

利用DSCM原理，進(jìn)行數(shù)字圖像處理。圖7為計(jì)算得到的應(yīng)變矩陣。若已知材料截面積，則按照式(1)的關(guān)系可以很容易計(jì)算得到材料拉伸時(shí)的等效彈性模量。

(1)

而利用等剛度法，將蜂窩夾芯板等效為單層板的拉伸彈性模量為：

(2)

圖5 數(shù)字圖像時(shí)間序列灰度圖Fig.5 Digital gray pictures of elastic tension

通過DSCM法測(cè)得的應(yīng)變與計(jì)算得到的應(yīng)變見表1，表中的應(yīng)變是通過Instron4505電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量的位移計(jì)算得到的，表中DSCM測(cè)得的應(yīng)變和通過位移計(jì)算得到的應(yīng)變比較，誤差較小。將DSCM測(cè)得的應(yīng)變和對(duì)應(yīng)的力，代入式(1)得到等效彈性模量，取幾組數(shù)據(jù)計(jì)算后取平均值，可得平均的等效彈性模量為4.01 GPa，利用等剛度法計(jì)算得到的等效彈性模量為4.88 GPa，結(jié)果吻合較好。

圖6 裂紋產(chǎn)生到貫穿階段數(shù)字圖像時(shí)間序列灰度圖Fig.6 Digital gray picture from crack beginning to breakthrough

圖7 按照像素-位移換算關(guān)系得到的應(yīng)變矩陣Fig.7 Strain matrix obtained according to pixel-displacement conversion relationship表1 計(jì)算的應(yīng)變和測(cè)得的應(yīng)變進(jìn)行對(duì)比Table 1 Contrast of strains by calculation and measurement

Time/sLoad/NDisplacement/mmStrainStrainobtainedbyDSCMAbsoluteerror5．06680．076920．0012820．00200．00077．09600．110720．0018450．00280．00109．012400．144360．0024060．00540．003011．015070．177360．0029560．00680．0040

3 結(jié)論

采用數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)，計(jì)算得到了蜂窩夾芯板的拉伸彈性模量，并且與應(yīng)用等剛度法計(jì)算得到的等效拉伸彈性模量進(jìn)行對(duì)比，采用DSCM法測(cè)得彈性模量為4.01 GPa，利用等剛度法計(jì)算得到的等效彈性模量為4.88 GPa，結(jié)果吻合較好，說明了該方法的實(shí)用性。

[1] 張如一,陸耀楨. 實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1981:59-61.

[2] 陳俊達(dá). 數(shù)字散斑相關(guān)方法理論和應(yīng)用研究[D]. 北京:清華大學(xué),2007:12-15.

[3] Sutton M A, McNeill S R, Helm J D, et al. Advances in two-dimensional and three-dimensional computer vision[J]. Topics in Applied Physics,2000,77(1):323-372.

[4] Williams D C. Optical methods in engineering metrology[M]. Chapman & Hall,1992:20-26.

[5] Hung P C, Voloshin A S. In-plane strain measurement by digital image correlation[J]. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences & Engineering,2003,25(3):215-221.

[6] Huang Y H, Quan C, Tay C, et al. Shape measurement by the use of digital image correlation. Optics Engineering,2005,44(8): 087011-7.

[7] 史麗萍,赫曉東. 可重復(fù)使用航天器的熱防護(hù)系統(tǒng)概述[J]. 航空制造技術(shù),2004(7):80-83.

[8] 姚草根,呂宏軍,賈新潮,等. 金屬熱防護(hù)系統(tǒng)材料與結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展[J]. 宇航材料工藝,2005,35(2):10-13.

[9] 趙淑媛,張博明,赫曉東. 熱防護(hù)系統(tǒng)高溫纖維隔熱氈傳熱及有效熱導(dǎo)率分析[J]. 宇航材料工藝,2006,36(s1):23-27.

[10] 閆長(zhǎng)海. 金屬熱防護(hù)系統(tǒng)隔熱材料的隔熱機(jī)理及隔熱效率研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2006:16-18.

[11] 馬忠輝. 可重復(fù)使用運(yùn)載器熱防護(hù)系統(tǒng)性能分析研究[D]. 西安:西北工業(yè)大學(xué),2004:152-169.

Tensile Properties Testing of Honeycomb Panels by DigitalSpeckle Correlation Method

ZHAO Bing，WANG Guang-fei，LUAN Xu，LIANG Jun

(Aerospaceacademy,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)

As the main component of metal thermal protection systems, the performance and the structural reliability of the metal honeycomb panels are related to the service life of the integral structures. The experimental study of honeycomb sandwich panels is significant. In this paper, digital speckle correlation technology and time sequence speckle detection technology were used to investigate the tensile properties of honeycomb sandwich panels. The experimental results are compared with the equivalent elastic modulus worked out by the equivalent stiffness method. The good consistency shows the efficiency and practicability of the digital speckle correlation technology.

metallic honeycomb sandwich panel; digital speckle correlation method; tensile properties

2016年10月26日

2017年1月16日

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2007AA702408)

趙兵(1959年-),男，工程師，主要從事材料力學(xué)性能測(cè)試等方面的研究。

TB35

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.02.001

1673-6214(2017)02-0067-04