《1 前言》

1 前言

传统的木材力学测试采用电阻应变测试方法。这种电测法虽然是一种很成熟的力学测试方法, 但是该方法以点测量为基础, 不能获得全场的变形信息, 在木材力学测试领域中具有一定的局限性[1,2,3]。近年来, 光测方法逐渐受到许多学者的重视, 其中数字散斑相关方法 (digital speckle correlation method, DSCM) 以其全场、非接触、高精度、测量敏感范围大等特点获得了重要的成功[4,5]。DSCM是基于数字图像处理的一种变形场测试方法, 由I.Yamaguchi, W.H.Peters和W.F.Ranson[6,7]等人于20世纪80年代初提出, 后又经许多学者的发展成为一种比较成熟的变形场测试方法, 并成功地应用于包括木材等许多种材料的各种力学测试研究中。

除了上述特点, DSCM应用于木材力学测试上还具有其他优势, 包括:设备简单, 仅需要一套普通的数字化图像采集设备即可完成数据采集;数据处理方法简单, 可以编制软件全自动进行[8];实验消耗极小, 利于进行大批量的重复实验总结规律。DSCM的特点和木材非均匀特性对测试方法的特殊要求决定了DSCM在木材科学中具有广阔的应用前景。

《2 DSCM原理及测试分析系统》

2 DSCM原理及测试分析系统

《2.1DSCM原理》

2.1DSCM原理

DSCM又称为数字图像相关 (digital image correlation, DIC) 、数字图像/散斑相关 (Digital image/speckle correlation, DISC) 以及数字强度相关方法 (Digital intensity correlation method, DICM) 等, 其基本原理是匹配物体表面不同状态下的数字化散斑图像上的几何点, 跟踪点的运动获得物体表面变形信息。散斑场可由激光照射漫反射表面后干涉产生, 也可由人工斑化的方法制作, 木材表面的一些特殊纹理也可以当作散斑场进行分析。两种不同成因的散斑图如图1示。

DSCM通过匹配变形前后两幅散斑图像上对应点在变形前后的几何位置获得点的变形信息[9,10]。设:

Ιs=F(x,y),(1)Ιt=G(X,Y),(2)

《图1》

图1 不同类型散斑场Fig.1 Different kinds of speckle field

图1 不同类型散斑场Fig.1 Different kinds of speckle field  

a.Wood surface painted by special paint;b.Nature wood surface with special texture

为变形前后两幅散斑图, Is称为源图像, 即基准图像, 代表起始状态;It称为目标图像, 代表变形后状态。一般假设散斑图像在物体变形过程中具有不变性[11], 则有:

Ιt=G(XY)=F(x+u,y+v)(3)

式中u, v为点 (x, y) 在Lagrange坐标下的位移, 如式 (4) 。

{u=u0+uxx+uyy+v=v0+vxx+vyy+(4)

如图2所示, 假设要对Is上点P的运动进行跟踪, 则需求得点PIt上的匹配点。为此, 先在源图像上取点P的特征散斑图案fP (i, j) :

fΡ(i,j)=F(x,y)W(i,j,x,y,w,h)(5)

《图2》

图2 相关匹配示意图

图2 相关匹配示意图  

Fig.2 Sketch of the correlation match

式中, (i, j) 为P点在Is上的坐标, W (i, j, x, y, w, h) 是窗口函数, 定义为:

W(i,j,x,y,w,h)={1i-w/2xi+w/2,j-h/2yj+h/20else(6)

其中w, h为相关窗口。

同理, 在变形后目标散斑图像上取目标散斑图案gQ (I, J) 。其中, (I, J) 含有待求位移及其梯度项的未知量; Q为散斑图案gIt上的对应点。I, J一般不是整数, 所以gQ (I, J) 的灰度值要由整像素位置处的灰度值通过插值获得。由式 (3) 可知, 对于一组符合实际变形的变形量, 散斑图案fg 在理论上相同, 如果变形量不符合实际时, fg有较大的差异。定义一个相关函数:

C=C(f,g)(7)

来表示P, Q两点特征散斑图案fg的相似程度, 也即P, Q两点的匹配程度。对于按一定规则设计的相关函数 (如式8) , 其极值点 (本文中为最大值) 表示最佳匹配, 因此, 极大值点所对应的变形量即为要求的实际变形量。

C=[(f-f)(g-g)][(f-f)2(g-g)2]1/2(8)

上述匹配搜索算法可以达到像素级的精度, 但这样的精度对于常规的力学实验远远不够, 因此在完成像素级的匹配后, 还要进一步利用特殊的数学方法, 获得亚像素级的匹配点的位置, 以获得更高的测量精度。对于质量较好的散斑图, DSCM的位移测量精度可以达到0.01像素。

《2.2DSCM测试和数据分析系统》

2.2DSCM测试和数据分析系统

DSCM的测试和数据分析由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统由CCD摄像机、图像采集卡、监视器、计算机以及A/D卡组成 (见图3) 。CCD负责拍摄物体表面的图像, 传输到图像卡进行数字化后存贮到计算机中以备处理;监视器实时显示实验过程中的图像;计算机是整个系统的控制中心, 由其发出指令协调各部分工作, 保存和处理图像并输出最后结果。

《图3》

图3 DSCM的硬件系统

图3 DSCM的硬件系统  

Fig.3 Hardware system of DSCM

软件系统用来对试验中采集到的散斑图像进行处理获得所需的变形场信息。DSCM算法的计算量相当大, 因此在设计软件时不但要考虑计算精度, 还要考虑计算消耗。图4、图5为通过DSCM系统测量得到的一个三点弯木材试件表面的位移场。

《图4》

图4 木材三点弯试件及DSCM处理区域

图4 木材三点弯试件及DSCM处理区域  

Fig.4 Wood three-point bending specimen and DSCM processing area

《3 DSCM在木材科学上的应用》

3 DSCM在木材科学上的应用

DSCM在木材科学上的应用最初是从木材的蠕变研究开始的, Agrawal[12]曾在1989年应用DSCM获得了木材蠕变的全场变形图, 同时研究了DSCM测试系统对测量木材蠕变的适应性, 并且把DSCM图像测试变形的效果同普通电测进行了比较, 结果表明DSCM具有高效、精确和快速等特点, 可以成功地应用到木材蠕变测量当中。Choi 等在1990年用DSCM对木材压缩进行了研究。这两项研究标志着DSCM在木材科学中应用的开端。随后Choi, Zink, Sutton和Samarasinghe等应用DSCM进行了木材的常规力学测试和木材的细观力学测试以及木质复合材料的力学特性研究。下面分几个方面对这些工作进行综述。

《图5》

图5 某一载荷下处理区域内纵向位移分布 (位移单位:像素)

图5 某一载荷下处理区域内纵向位移分布 (位移单位:像素)   

Fig.5 Vertical displacement on certain load (displacement unit:pixel)

《3.1木材常规力学测试》

3.1木材常规力学测试

木材常规力学测试包括普通的压缩、拉伸以及弯曲载荷下木材的变形规律测试, 这些测试对于了解木材的基本力学性质具有重要意义。考虑到DSCM的优点, 应用DSCM进行木材的常规力学测试可以得到一些重要的新结果, 这些结果对于深入认识木材的力学性质以及指导木材加工工艺等都有重要意义。

木材压缩特性的研究是认识木材力学性质的最基本的手段, 同时对木材的某些加工工艺 (如木质复合材料的热压工艺和木材密实化压缩过程等) 具有重要的指导意义。应用传统的电测方法对木材压缩进行测试时, 只得到贴片点的变形信息, 因而在分析时只能近似假设压缩过程中木材在平行于荷载方向上的变形基本相同。Choi 等[13,14]应用DSCM对1 mm×1 mm×4 mm木材小试件进行单轴顺纹压缩实验获得了试件表面平行和垂直于载荷方向的变形场, 发现在平行于加载方向上变形场具有较大的起伏, 其应变变化范围为-1.0 %~0.76 %, 这表明受压试件的某些区域在加载方向上甚至承受拉应力。这一点说明对木材力学性质均匀变形的假设是不符合实际的。为了进一步对比这种非均匀性, Zink等还对铝和木材进行了压缩对比实验, 发现各向同性的铝表面的变形场较光滑, 而各向异性的木材变形场起伏较大, 在相同荷载下铝试件应变ε变化范围为1.8×10-3~2.0×10-3, 而木材ε为1.25×10-3~2.95×10-3。这说明相对于铝, 木材的非均匀程度更高。费本华[15]等应用DSCM对木材和铝进行三点弯断裂对比试验, 研究发现试件变形的位移场与Zink对变形场的研究具有相似的规律, 进一步证实了木材的力学性质的非均匀性。关于木材的压缩破坏机理, Choi[16]在研究中认为, 变形场在压缩区边缘的木射线周围出现应变集中, 随着荷载的增加, 应变集中的区域增大, 最后围绕木射线周围形成了一个破坏区。Choi指出这种破坏是由于木射线周围的应力集中和组成木射线的纤维屈曲而导致的。从全场的变形演化过程中可以看出, 木材甚至在荷载水平低于比例极限时, 一些局部的应变集中区已经开始发展。Zink还发现在试样的局部区域出现垂直于荷载方向上的应变较平行于荷载方向上的应变大的现象, 此现象对已被接受的泊松比概念提出了质疑[17]。这些现象进一步表明了木材的力学性质的非均匀性, 同时也展示了木材的破坏行为的复杂性。因此, DSCM的全场测量结果更有助于全面展示木材的力学性质并分析木材中载荷传递的机理和失稳发生的原因。除此之外, Zink, Davidson和Hanna还采用DSCM对25.4 mm×25.4 mm×101.6 mm大试样进行了同样的顺纹压缩试验, 试验结果同Choi的小试样类似, 说明DSCM在试样的观测尺度上具有很好的适应性。另外, 徐曼琼和金观昌等[18]在木材的压缩实验中用DSCM测量木材的弹性模量, 发现DSCM具有光路简单, 数据处理简便等优点。

同样, 为了考察木材的力学性质的非均匀性, Samarasinghe和 Kulasiri等[19]用DSCM分别对材料各向同性的橡胶和材料各向异性的木材进行了顺纹和横纹方向拉伸变形场的观测对比实验。结果表明当橡胶试样被拉伸时, 水平和垂直方向上的变形场均相当光滑;而木材被横纹拉伸时, 拉伸方向的变形场比较均匀光滑 (同橡胶一样) , 被顺纹拉伸时, 其变形场轮廓线非常复杂。这不但说明了木材力学性质的非均匀性, 而且揭示了其明显的各向异性。当木材被顺纹拉伸时, 木材内部发生了滑移和剪切变形, 因此其变形场非常复杂。Jernkvist和Thuvander[20]在木材径向拉伸试验过程中, 发现木材的径向和弦向变形场起伏也很大, 且具有不同的特征, 进一步证实了上述结果。

木材的抗弯强度亦称静曲极限强度, 为最重要的木材力学性质之一, 主要用作建筑物的屋架和地板等易于弯曲的构件以及木桥的梁等的设计[21]。Zink等用DSCM对小试件木材抗弯特性进行了静曲试验, 实验结果描绘出了木材抗弯过程中变形场的分布。关于木材弯曲的理论计算, Navier公式的前提是假定弯曲梁的截面上应力的分布为直线并且对称。实际上, 当弯曲荷载超过比例极限后, 木材产生塑性变形并常伴生微破坏, 这些因素都将影响木梁截面中性层的位置和应力分布, 因此计算木结构梁抗弯强度的公式只能为经验公式。Zink应用DSCM进行的木梁的抗弯实验表明, 加载初期中性轴靠近梁的上缘受压部位, 随着荷载的增加中性轴向下缘受拉部位移动, 并指出由于木材的抗拉强度大于抗压强度, 因此木结构梁的顶部较底部先达到极限强度, 这是导致中性层向抗拉部位移动的原因。这一实验从木结构梁在弯曲过程中的中性层的移动进一步证实了木材的力学性质的非均匀性。

以上结果从不同角度证实了木材力学性质的非均匀性和各向异性, 同时展示了DSCM在进行木材的常规力学测试方面的优越性。除此之外, DSCM的应用对于许多实际问题也有指导意义。对于木材加工和改性中的一些复杂问题, 如在木材密实化和木质复合材料压缩过程 (在这些工艺中, 均匀的变形过程对于保证产品的强度和尺寸稳定性是很关键的, 因而需要监测其中变形场的非均匀程度) 的研究中, DSCM的全场测量具有更大的优势。

《3.2木材的断裂研究》

3.2木材的断裂研究

断裂力学能够很好地揭示含裂纹结构体材料的工作性质。木材中有节疤、劈裂、孔洞等天然缺陷, 因此断裂力学在研究木材力学特性中占有重要的地位[22]。木材断裂是非常复杂的动态过程, 要经过裂纹的发生、扩展、稳定和失稳几个阶段。DSCM在研究木材断裂上的优势是能够直观而清晰地描述木材复杂的断裂行为, 可以动态地再现整个断裂过程[23]

Samarasinghe 和 Kulasiri[24]应用DSCM对橡胶和木材的RT方向I型断裂模型和复合断裂模型进行研究, 发现I型断裂的初始裂纹对u方向和v方向的位移分布有很大的影响。由于滑移和内部剪切应力的原因, 有裂纹试件表面的变形分布在平行于管胞方向较无裂纹试件表面的变形分布复杂, 而垂直于管胞方向上变形场相对平滑。混合断裂研究结果表明, 初始裂纹角度对变形场的影响较大。DSCM对分析具有裂纹的木材试件的断裂特性非常有效, 它能够很好地预测垂直于纹理方向上的位移, 并且可以捕捉平行于纹理方向位移的整个趋势。

王丽宇和鹿振友等[25,26]利用DSCM对木材裂纹的演化与增长的力学行为进行了实验研究。得出裂纹尖端的变形场分布, 并对含有LT型裂纹的木材断裂韧度进行测定。为了能够定量描述断裂过程中裂纹的发育及演化过程, 费本华等应用DSCM对木材裂纹断裂的发育过程进行了分形研究, 并对位移场进行分形处理, 发现分形维数在裂纹尖端处最小, 而在远离裂纹尖端的地方分形维数较大。

《3.3木材微观力学的研究》

3.3木材微观力学的研究

虽然宏观上木材是一种正交异向性材料, 但由于其内部复杂的微结构, 其微观力学性质也相当复杂。木材微单元力学性质的有限元方法是一种有效的木材力学分析方法, 但是这种方法的有效性是建立在对木材微单元力学性质准确把握的基础上的。而对于木纤维和生物细胞单元体来说, 对其力学特性的深入了解是很困难的, 尤其使用传统的测试方法。Jernkvist和Thuvander等基于DSCM和有限元方法, 提出了测量木材微单元力学常数的反演方法, 在一定程度上解决了上述难题。他们应用微拉伸仪对3.28 mm×25.0 mm×13.0 mm木材试样进行径向拉伸试验, 用DSCM测量了木材的径向、弦向和早晚材变形场, 然后应用有限元模型反演, 成功地计算出微单元的径向和弦向的弹性模量和剪切模量。

《3.4木质复合材料力学特性研究》

3.4木质复合材料力学特性研究

木质复合材料包括以单板、纤维、刨花为原料制造的各种人造板和以木材或木纤维与塑料、金属、合成纤维等材料复合而成的复合材料[27]。木质复合材料具有复合材料固有的非均匀性和结构复杂性特征, 通常需用细观力学和宏观力学两种观点对其进行分析。细观力学承认复合材料的非均匀性, 并在分析中考虑它的效应;宏观力学只承认复合材料单层板的平均性能是唯一重要参数, 而忽略单层板内部的细观结构效应。这两种观点在考虑木质复合材料的某些问题时都可能存在一些问题, 而DSCM的全场和多尺度测量特性能准确把握木质复合材料的宏观力学特征, 同时又能对其细观力学特征进行深入了解。

用DSCM对胶合板静弯中的轴向位移场研究发现, 其中性轴不同于实木木梁那样固定不动, 而是会随着荷载的增加而变化, 胶合板的中性轴在加载的过程中始终在轴线部位, 而且最大的拉应力和压应力在大小和方向上没有对称性。用DSCM对定向刨花板静弯研究发现最大应变发生在刨花板中最大单体刨花部位, 其垂直于荷载方向的变形场分布是非对称的, 没有明显的中性轴, 受压部位延伸到中线以下, 导致这种现象的部分原因是由于个体刨花具有局部效应。总之, 在小试件情况下, 木材的抗弯特性符合梁单元理论, 而木质复合材料却不都是完全符合传统的梁单元理论, 如胶合板的抗弯特性与梁单元相近, 定向刨花却明显具有复合材料的组合特性[28]

在木质复合材料胶合工艺上要保证最大剪切力是作用在材料而不是作用在胶层, 而DSCM能够很直观地观测到最大剪切力是在材料上还是在胶层上, 从而可以根据DSCM剪切变形场来评价产品的好坏, 然后对工艺进行改进, 提高产品质量。

以上的研究结果展示了DSCM在木质复合材料研究和应用领域的广阔前景, DSCM的测量结果对木质复合材料以及建筑结构材料的设计等具有重要意义。可以通过DSCM来确定梁单元中性轴的位置, 然后根据复合材料理论, 分别对结构胶合梁上缘的受压部位和下缘的受拉部位配备不同强度的材料;可以根据DSCM变形场起伏大小对胶合板的对称性进行定量评价和设计 (对称的原则要求胶合板中心平面两侧对应单板层的树种, 厚度, 含水率, 纤维方向, 制造方法都相同, 这样可使胶合板中心层两边材性一致, 不产生应力, 不翘曲变形。如果胶合板对称较差, 在抗弯过程中变形场的起伏会很大) 。总之, 可以应用DSCM对木质复合材料的设计制定一种高效、准确、科学的方法。

《4 结语》

4 结语

DSCM提出至今20多年来, 已经在实验力学领域取得了相当的成功, 显示出了强大的潜力。文章介绍了DSCM方法的基本原理和特点, 并重点总结了DSCM在木材科学领域中的应用。相对于传统的测试方法, DSCM在深入认识木材的力学性质以及指导木材科学领域中的一些新问题具有重要的意义。

我国DSCM的研究在方法的发展上同国际水平相当, 但是具体到木材科学领域的应用上, 就与国外有不小的差距。因此应该进一步总结DSCM的优点及中国木材科学发展的特点, 指出仍存在的问题, 才能达到和超过国际水平, 更好地为中国木材科学服务。在今后研究中应该加强DSCM测试方法在木材科学领域中的转化, 并且根据木材的特殊材料特性, 形成一套完整的适合木材学科的DSCM理论体系和测试系统, 在注重DSCM对木材基本力学和木材物理特性方面研究外, 应该加强DSCM对木材加工和木质复合材料设计的指导作用。