《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
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
《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。
《图1》
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
式中u, v为点 (x, y) 在Lagrange坐标下的位移, 如式 (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P在It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) :
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:
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g在It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f和g 在理论上相同, 如果变形量不符合实际时, f和g有较大的差异。定义一个相关函数:
来表示P, Q两点特征散斑图案f和g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。
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。
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。
《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
《图5》
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
同样, 为了考察木材的力学性质的非均匀性, Samarasinghe和 Kulasiri等
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
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
Samarasinghe 和 Kulasiri
王丽宇和鹿振友等
《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
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
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。