基于数字散斑相关法的蜂窝板拉伸力学性能测试

赵 兵，王广飞，栾 旭，梁 军

(哈尔滨工业大学 航天学院，哈尔滨 150001)

基于数字散斑相关法的蜂窝板拉伸力学性能测试

赵 兵，王广飞，栾 旭，梁 军

(哈尔滨工业大学 航天学院，哈尔滨 150001)

作为金属热防护系统的重要组成部分，金属蜂窝夹芯板的性能和结构可靠性关系到使用寿命。本研究采用数字散斑相关技术和时间序列散斑检测技术，对蜂窝夹芯板共面拉伸性能进行试验研究，测得共面拉伸弹性模量，与利用等刚度法计算得到的蜂窝夹芯板的等效弹性模量进行对比，结果吻合较好，验证了数字散斑相关技术的有效性和实用性。

金属蜂窝夹芯板；数字散斑相关法；拉伸性能

0 引言

与传统材料相比，金属蜂窝夹芯板结构具有比刚度大、比强度高、可设计性好等优点，被广泛应用于航空、航天领域。可重复使用的高效的热防护系统是实现RLV计划的最关键技术之一。蜂窝夹芯板作为热防护系统(Thermal Protection System，TPS)的重要部件，集承载和防热功能于一体，其力学性能对于金属热防护系统是非常重要的。蜂窝夹芯板作为可重复使用运载飞行器大面积防热金属热防护系统最外层的防护件，有必要了解其在高温作用下的断裂失效过程。

固体实验力学中的变形测量常用的方法有电阻应变测量法和光测力学变形测量法。电阻应变测量法具有测量精度高、测量结果稳定、操作简便且有成熟的配套仪器等优点[1]。但在研究某些特殊问题时，也存在一些不足：1)电阻应变测量是点测量方法，不能(或者非常困难)获得应变场，这对于研究界面、破坏等非均匀变形问题是不利的；2)应变片的应变测量范围有限，大变形(如破坏区变形)时常将应变片电阻丝拉断，因而不能获得测量数据。光测力学变形测量方法中的数字散斑相关法为非接触的场测量方法，可获得变形场，而且可测量大变形。以上这些特点正好可弥补应变测量方法的几个不足。因此，光测力学变形测量方法[2-4]常应用于极小试件变形测量、特殊材料(如生物材料)、界面问题、破坏问题测量等。

数字散斑相关法(Digital Speckle Correlation Method，DSCM)也称之为数字图像相关(Digital Image Correlation，DIC)是80年代由I. Yamaguchi和W. H. Peter等独立提出的，是一种用于面内位移或变形测量[5-6]的非接触计算机辅助光学测量方法。此方法图像采集方式简单、光路布置方便、处理自动化程度高、精度高、灵敏度好等优点。宏观测试方面可以实现长距离检测，微观可以实现细微位移测量、形貌测量等。

本研究利用DSCM技术，通过蜂窝夹芯板拉伸试验测试蜂窝夹芯板的弹性模量，并与等刚度法计算得到蜂窝夹芯板拉伸的等效弹性模量进行对比，验证该技术的可靠性和实用性。

1 材料及方法

1.1 试验材料

蜂窝夹芯板制备流程如图1所示。采用GH188蜂窝夹芯材料，尺寸为200 mm×200 mm×5 mm，面板厚度0.12 mm，单元胞壁厚度为0.076 mm(图1a)，通过轧制成所需厚度的金属带材；其次，通过精密剪切加工，制成条状带材，所剪切带材的宽度就是所设计的蜂窝芯高度；然后，使用经过精心设计的安装有齿轮状的板材轧制成半六角形的波纹板；最后将所轧制成型的波纹板通过一定的顺序，叠加点焊制备成蜂窝芯。最后将蜂窝面板和蜂窝芯子采用钎焊加工成一个整体。

图1 蜂窝夹芯板的制备过程Fig.1 Manufacturing process of honeycomb sandwich panel

1.2 试验方法

拉伸试验尺寸为100 mm×25 mm×3.6 mm，在Instron4505电子万能试验机上进行拉伸性能测试，数据采集5点/s。

同时在加载过程中采用数字散斑相关法技术连续采集图像以得到拉伸过程中的变形和应变，从而得出等效弹性模量。图3为数字相关系统试验设备布置图。试件被固定在试验机的夹持机构上，预先施加100 N的预紧力以消除机械间隙及保持试件的稳定垂直加载；其余部分则为数字相关测量系统部分，包括：长距离工作显微镜、Basler数字CCD、机械支撑机构(包括延伸臂、三角架及其云台)、图像采集及处理系统(包括数据线及图像卡和计算机等)。

在试验开始前仔细标定该系统的位移-像素(Pixel)关系，一旦知道该关系后，就可以将像素值转化成位移值(μm)。采集试件图像，然后对试件图像进行划分网格，见图2分为20个网格。为消除初始试验的连接间隙等问题，在试验开始后3 s开始截图，截图时间间隔为2 s，数字图像时间序列图记录每一时刻图像的微小变化。图像分辨率为512×512像素。

图2 数字相关系统试验布置图Fig.2 Arrangement plan of digital image correlation system

图3 DSCM数字序列图网格划分情况Fig.3 Mesh division of DSCM

2 结果与讨论

图4为试件1和试件2两个蜂窝夹芯板拉伸至破坏全过程的载荷-位移曲线。由2条拉伸曲线可以看出，两试件拉伸初始阶段的弹性部分几乎完全重合，此部分可以作为计算蜂窝板拉伸等效弹性模量的依据。试件1和试件2由于试验机夹具对夹持部位的压缩作用及试件拉伸过程中的变形引起夹具与夹持部位之间的打滑，造成曲线中的凹坑现象，但不影响弹性部分等效弹性模量的计算。从图4可以看出，两试件的变形均较大，说明蜂窝夹芯板有很好的抗拉性能；还可以看出，载荷在0～2.0 kN范围内，材料处于线弹性变性阶段。因此，采用此段作为弹性模量测量的区间。并对比采用刚度法和DSCM法测得的弹性模量。

图4 蜂窝夹芯板拉伸载荷-位移曲线Fig.4 Load and displacement curve of honeycomb sandwich panel

图5为试件2蜂窝夹芯板拉伸初始3、5、7 s的灰度图。拉伸弹性模量可以取弹性变形阶段的数字图像时间序列灰度图进行计算。以试件2初始t=5 s和t=7 s两幅数字序列图为例进行简单说明(图5b、图5c)。因为材料初始拉伸曲线，载荷与位移近似成线性关系。所以可以近似得到蜂窝板拉伸时的等效弹性模量。

图6是裂纹产生到贯穿阶段数字图像时间序列灰度图。从图6可以看到，在1 126 s时都达到了峰值力5 377 N，即出现宏观裂纹时是拉伸力最大的时候(图6a)。此时的峰值力对应于图4中试件2位移在19 mm附近的最大载荷。此后拉伸力就直线下降。在1 192 s，蜂窝夹芯板拉伸破坏，此时的力为58.6 N(图6f)，对应于图4试件2位移在20 mm附近的载荷。对比图6、图4可以看出，CCD采集的数字图像时间序列灰度图记录的值与Instron4505电子万能试验机记录试件2的曲线相吻合。

利用DSCM原理，进行数字图像处理。图7为计算得到的应变矩阵。若已知材料截面积，则按照式(1)的关系可以很容易计算得到材料拉伸时的等效弹性模量。

(1)

而利用等刚度法，将蜂窝夹芯板等效为单层板的拉伸弹性模量为：

(2)

图5 数字图像时间序列灰度图Fig.5 Digital gray pictures of elastic tension

通过DSCM法测得的应变与计算得到的应变见表1，表中的应变是通过Instron4505电子万能试验机测量的位移计算得到的，表中DSCM测得的应变和通过位移计算得到的应变比较，误差较小。将DSCM测得的应变和对应的力，代入式(1)得到等效弹性模量，取几组数据计算后取平均值，可得平均的等效弹性模量为4.01 GPa，利用等刚度法计算得到的等效弹性模量为4.88 GPa，结果吻合较好。

图6 裂纹产生到贯穿阶段数字图像时间序列灰度图Fig.6 Digital gray picture from crack beginning to breakthrough

图7 按照像素-位移换算关系得到的应变矩阵Fig.7 Strain matrix obtained according to pixel-displacement conversion relationship表1 计算的应变和测得的应变进行对比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 结论

采用数字散斑相关技术，计算得到了蜂窝夹芯板的拉伸弹性模量，并且与应用等刚度法计算得到的等效拉伸弹性模量进行对比，采用DSCM法测得弹性模量为4.01 GPa，利用等刚度法计算得到的等效弹性模量为4.88 GPa，结果吻合较好，说明了该方法的实用性。

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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

国家高技术研究发展计划资助项目(2007AA702408)

赵兵(1959年-),男，工程师，主要从事材料力学性能测试等方面的研究。

TB35

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.02.001

1673-6214(2017)02-0067-04