基于数字图像测试压电复合结构层间动态应力的方法与流程

1.本发明涉及动态实验力学领域及非接触光学测量领域，尤其涉及一种基于数字图像测试压电复合结构层间动态应力的方法。


背景技术：

2.在许多工程领域中，诸如航空航天、土木、汽车以及电子封装。都大量用到压电材料与其他基体材料结合而成的智能结构，这种智能结构结合界面的力学行为严重影响到结构的断裂破坏以及使用寿命。因此研究这种复合结构结合界面的力学行为对合适材料的选择和结构设计具有十分重要的意义。目前应用最广泛的测试方法是数字图像相关（digital image correlation, dic）方法，它是一种非接触光学测量方法，其具有设备简单，对环境要求低，测量精度高和非接触性等特点。但是这种测试方法只能测试被测试件的表面应力，无法直接测量出结合界面的动态应力。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中现有测量技术无法直接测量复合结构结合界面应力应变的问题，提供一种基于数字图像测试压电复合结构层间动态应力的方法，根据相似性原则制作出部分透明的压电复合结构，能够直接测试出压电复合结构的层间动态应力。该方法加工制作简单，成本低廉，普适性高。
4.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：基于数字图像测试压电复合结构层间动态应力的方法，包括以下步骤：步骤1），按照以下步骤制作两块相同的打印有散斑场的透明试件：步骤1.1），制作杨氏模量和被测试件基体杨氏模量在预设的第一误差阈值之内且泊松比和被测试件基体泊松比在预设的第二误差阈值之内的透明基体，并将该透明基体制作成与被测试件基体形状完全一样的透明试件；步骤1.2），使用mimaki散斑打印机将散斑场打印到透明试件的一个表面，并在该表面喷涂底漆，使得从透明试件的另一个表面能够清晰的拍摄出散斑场；步骤2），使用胶合剂将被测试件的压电陶瓷与其中一块透明试件喷有底漆的一面的中心粘合在一起，通过加压、加温后制成压电复合结构试件；将另外一块透明试件作为标定板；步骤3），使用高速ccd相机从标定板远离底漆的一面垂直于标定板进行拍摄，采集标定板的散斑图像作为标定图像；步骤4），对压电复合结构试件的压电陶瓷通电，使其振动，并根据nyquist采样定理使用高速ccd相机从压电复合结构试件透明试件远离底漆的一面垂直于其进行拍摄，采集通电后压电复合结构试件上的散斑图像作为试验图像；步骤5），根据所采集到的标定图像和试验图像进行计算，得到被测试压电复合结构的层间动态应力。
5.作为本发明基于数字图像测试压电复合结构层间动态应力的方法进一步的优化方案，所述步骤1.1）中的透明基体采用环氧树脂透明滴胶和固化剂混合制作而成。
6.作为本发明基于数字图像测试压电复合结构层间动态应力的方法进一步的优化方案，所述步骤1.2）中使用mimaki散斑打印机将散斑场打印到透明试件的一个表面前，对透明试件的该表面使用酒精清洁。
7.作为本发明基于数字图像测试压电复合结构层间动态应力的方法进一步的优化方案，所述步骤1.2）中使用mimaki散斑打印机将散斑场打印到透明试件的一个表面时，打印的散斑具有随机分布特征，散斑为黑色的散斑点，散斑大小为0.5
µ
m，占空比30%；底漆采用白色底漆。
8.本发明还提供了另一种基于数字图像测试压电复合结构层间动态应力的方法，包括以下步骤：步骤1），设置最小比例阈值d
min
、最大比例阈值d
max
、比例步长阈值l，令当前比值d=d
min
；步骤2），按照以下步骤制作两块相同的打印有散斑场的透明试件：步骤2.1），制作杨氏模量和被测试件基体杨氏模量的比值为d、且泊松比和被测试件基体泊松比在预设的第二误差阈值之内的透明基体，并将该透明基体制作成与被测试件基体形状完全一样的透明试件；步骤2.2），使用mimaki散斑打印机将散斑场打印到透明试件的一个表面，并在该表面喷涂底漆，使得从透明试件的另一个表面能够清晰的拍摄出散斑场；步骤3），使用胶合剂将被测试件的压电陶瓷与其中一块透明试件喷有底漆的一面的中心粘合在一起，通过加压、加温后制成压电复合结构试件；将另外一块透明试件作为标定板；步骤4），使用高速ccd相机从标定板远离底漆的一面垂直于标定板进行拍摄，采集标定板的散斑图像作为标定图像；步骤5），对压电复合结构试件的压电陶瓷通电，使其振动，并根据nyquist采样定理使用高速ccd相机从压电复合结构试件透明试件远离底漆的一面垂直于其进行拍摄，采集通电后压电复合结构试件上的散斑图像作为试验图像；步骤6），根据所采集到的标定图像和试验图像进行计算，得到杨氏模量和被测试件基体杨氏模量的比值为d时压电复合结构试件的层间动态应力；步骤7），令d=d l，判断d是否大于d
max
，如果d大于d
max
，执行步骤8），否则跳转执行步骤2）；步骤8），根据杨氏模量和被测试件基体杨氏模量的比值不同时其对应的压电复合结构试件的层间动态应力进行插值拟合，得到杨氏模量和被测试件基体杨氏模量的比值
‑
压电复合结构试件的层间动态应力的拟合曲线；步骤9），在拟合曲线中找到被测试件基体杨氏模量对应的压电复合结构试件的层间动态应力，作为被测试压电复合结构的层间动态应力。
9.作为该另一种基于数字图像测试压电复合结构层间动态应力的方法进一步的优化方案，所述步骤2.1）中的透明基体采用环氧树脂透明滴胶和固化剂混合制作而成。
10.作为该另一种基于数字图像测试压电复合结构层间动态应力的方法进一步的优
化方案，所述步骤2.2）中使用mimaki散斑打印机将散斑场打印到透明试件的一个表面前，对透明试件的该表面使用酒精清洁。
11.作为该另一种基于数字图像测试压电复合结构层间动态应力的方法进一步的优化方案，所述步骤2.2）中使用mimaki散斑打印机将散斑场打印到透明试件的一个表面时，打印的散斑具有随机分布特征，散斑为黑色的散斑点，散斑大小为0.5
µ
m，占空比30%；底漆采用白色底漆。
12.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明采用相似性原则制作实验试件，操作简单，适用性广，解决了无法直接测量复合结构结合界面应力应变场的问题；拓宽了光测实验力学的领域；为研究贴片式复合结构的疲劳特性，可靠性等奠定了基础，对复合结构的结构设计有一定的指导意义。
附图说明
13.图1为本发明的操作流程图；图2（a）、图2（b）分别为本发明中压电复合结构试件和标定板的结构示意图；图3为本发明中采集通电后压电复合结构试件上的散斑图像的示意图；图4为本发明实施例中位移场云图。
14.图中，1
‑
透明基体；2
‑
散斑图案；3
‑
白色底漆；4
‑
压电陶瓷, 5
‑
散斑图案，6
‑
ccd高速相机，7
‑
数字采集处理系统。
具体实施方式
15.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
16.本发明提出一种基于数字图像测试压电复合结构层间动态应力的方法，主要利用相似性原则制作实验试件，用和原测试件物理属性相近或相同的透明材料替代原测试件的基底材料以实现对复合结构内部结合面的应力应变测试，如图1所示，其具体步骤如下：步骤1），按照以下步骤制作两块相同的打印有散斑场的透明试件：步骤1.1），制作杨氏模量和被测试件基体杨氏模量在预设的第一误差阈值之内且泊松比和被测试件基体泊松比在预设的第二误差阈值之内的透明基体，并将该透明基体制作成与被测试件基体形状完全一样的透明试件；步骤1.2），使用mimaki散斑打印机将散斑场打印到透明试件的一个表面，并在该表面喷涂底漆，使得从透明试件的另一个表面能够清晰的拍摄出散斑场；步骤2），使用胶合剂将被测试件的压电陶瓷与其中一块透明试件喷有底漆的一面的中心粘合在一起，通过加压、加温后制成压电复合结构试件；将另外一块透明试件作为标定板；步骤3），使用高速ccd相机从标定板远离底漆的一面垂直于标定板进行拍摄，采集标定板的散斑图像作为标定图像；步骤4），对压电复合结构试件的压电陶瓷通电，使其振动，并根据nyquist采样定
理使用高速ccd相机从压电复合结构试件透明试件远离底漆的一面垂直于其进行拍摄，采集通电后压电复合结构试件上的散斑图像作为试验图像；步骤5），根据所采集到的标定图像和试验图像，得到被测试压电复合结构的层间动态应力。
17.所述步骤1.1）中的透明基体采用环氧树脂透明滴胶和固化剂混合制作而成。
18.所述步骤1.2）中使用mimaki散斑打印机将散斑场打印到透明试件的一个表面前，对透明试件的该表面使用酒精清洁。打印的散斑具有随机分布特征，散斑为黑色的散斑点，散斑大小为0.5
µ
m，占空比30%；底漆采用白色底漆。
19.下面以透明聚碳酸酯材料作为透明基体进行说明，首先选取尺寸为20
×
10
×
0.5mm的pzt
‑
8压电陶瓷和尺寸为100
×
10
×
1mm的聚碳酸酯板作为压电复合结构试件制作的材料；用酒精清洗除去透明聚碳酸酯板表面的污渍，使用mimaki散斑先打印黑色的散斑点，散斑大小为0.5
µ
m，占空比30%，再打印白底，保证透过透明基体也能清晰看到散斑图案，制成透明试件；使用环氧树脂ab胶将压电陶瓷粘贴到透明试件喷有底漆一面的中间部位，使用虎钳加高压，并放置于100℃烘箱中2小时制作成实验压电复合结构试件，示意图如图2（a）所示。
20.然后，选取尺寸为20
×
10
×
1mm的透明聚碳酸酯板制成透明试件作为标定板，如图2（b）所示。
21.其次，将标定板放置于实验平台上，调整高速ccd相机使散斑图像清晰，前后缓慢移动标定板2mm，采集标定板的散斑图像，作为标定图像；接着，将压电复合结构试件置于实验平台，固定压电复合结构试件两端，给压电复合结构的压电陶瓷通正弦交流电，频率为压电复合结构试件的一阶固有频率476hz，电压200v，根据nyquist采样定理，使用高速ccd相机调节采样频率为2500hz拍照采集试验图像，如图3所示；最后，根据所采集到的标定图像以及试验图像进行计算，得到被测试压电复合结构的层间动态应力，位移场云图如图4所示。
22.本发明还公开了另一种基于数字图像测试压电复合结构层间动态应力的方法，包括以下步骤：步骤1），设置最小比例阈值d
min
、最大比例阈值d
max
、比例步长阈值l，令当前比值d=d
min
；步骤2），按照以下步骤制作两块相同的打印有散斑场的透明试件：步骤2.1），制作杨氏模量和被测试件基体杨氏模量的比值为d、且泊松比和被测试件基体泊松比在预设的第二误差阈值之内的透明基体，并将该透明基体制作成与被测试件基体形状完全一样的透明试件；步骤2.2），使用mimaki散斑打印机将散斑场打印到透明试件的一个表面，并在该表面喷涂底漆，使得从透明试件的另一个表面能够清晰的拍摄出散斑场；步骤3），使用胶合剂将被测试件的压电陶瓷与其中一块透明试件喷有底漆的一面的中心粘合在一起，通过加压、加温后制成压电复合结构试件；将另外一块透明试件作为标定板；步骤4），使用高速ccd相机从标定板远离底漆的一面垂直于标定板进行拍摄，采集
标定板的散斑图像作为标定图像；步骤5），对压电复合结构试件的压电陶瓷通电，使其振动，并根据nyquist采样定理使用高速ccd相机从压电复合结构试件透明试件远离底漆的一面垂直于其进行拍摄，采集通电后压电复合结构试件上的散斑图像作为试验图像；步骤6），根据所采集到的标定图像和试验图像进行计算，得到杨氏模量和被测试件基体杨氏模量的比值为d时压电复合结构试件的层间动态应力；步骤7），令d=d l，判断d是否大于d
max
，如果d大于d
max
，执行步骤8），否则跳转执行步骤2）；步骤8），根据杨氏模量和被测试件基体杨氏模量的比值不同时其对应的压电复合结构试件的层间动态应力进行插值拟合，得到杨氏模量和被测试件基体杨氏模量的比值
‑
压电复合结构试件的层间动态应力的拟合曲线；步骤9），在拟合曲线中找到被测试件基体杨氏模量对应的压电复合结构试件的层间动态应力，作为被测试压电复合结构的层间动态应力。
23.所述步骤2.1）中的透明基体采用环氧树脂透明滴胶和固化剂混合制作而成。
24.所述步骤2.2）中使用mimaki散斑打印机将散斑场打印到透明试件的一个表面前，对透明试件的该表面使用酒精清洁。打印的散斑具有随机分布特征，散斑为黑色的散斑点，散斑大小为0.5
µ
m，占空比30%；底漆采用白色底漆。
25.下面以环氧树脂透明滴胶和固化剂混合制作的透明材料作为透明基体进行说明，首先按不同的质量比例的主胶和固化剂制作尺寸为100
×
10
×
1mm，杨氏模量与被测基体材料比例为0.15的透明基体，选取尺寸为20
×
10
×
0.5mm的pzt
‑
8压电陶瓷作为压电复合结构试件制作的材料；取出杨氏模量比例为0.15的透明基体，用酒精清洗除去透明透明基体表面的污渍，使用mimaki散斑先打印黑色的散斑点，散斑大小为0.5
µ
m，占空比30%，再打印白底，保证透过透明基体也能清晰看到散斑图案，制成透明试件；使用环氧树脂ab胶将压电陶瓷粘贴到其中一块透明试件喷有底漆一面的中间部位，使用虎钳加高压，并放置于100℃烘箱中2小时制作成实验压电复合结构试件，示意图如图2（a）所示。
26.然后，选取其中一块透明基体制成透明试件作为标定板，如图2（b）所示。
27.其次，将标定板放置于实验平台上，调整高速ccd相机使散斑图像清晰，前后缓慢移动标定板2mm，采集标定板的散斑图像，作为标定图像；接着，将压电复合结构试件置于实验平台，固定压电复合结构试件两端，给压电复合结构的压电陶瓷通正弦交流电，频率为压电复合结构试件的一阶固有频率476hz，电压200v，根据nyquist采样定理，使用高速ccd相机调节采样频率为2500hz拍照采集试验图像，如图3所示；之后，根据所采集到的标定图像以及试验图像进行计算，得到杨氏模量比值为0.15的被测试压电复合结构的层间动态应力；重复以上步骤得到杨氏模量和被测试件基体杨氏模量比值为0.3、0.45、0.6时其对应的压电复合结构试件的层间动态应力，进行插值拟合，得到杨氏模量和被测试件基体杨氏模量的比值
‑
压电复合结构试件的层间动态应力的拟合曲线；最后，在拟合曲线中找到被测试件基体杨氏模量对应的压电复合结构试件的层间
动态应力，作为被测试压电复合结构的层间动态应力。
28.本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
29.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。