DIC试验——鸟击试验的定量图像分析——与圣戈班公司合作

作者：N. Cordero, F. Fremy, M.Beneck for Saint-Gobain, F. Mathieu for EikoSim

关键字：数字图像相关，鸟击试验，非接触式应变测量，复合材料性能测试，

圣戈班公司生产的飞机天线罩是由复合材料制成的。除了这些结构必须遵守的通常设计要求（亮度、空气动力学形状、抗冲击性）外，它们还需要具有射频透明性，以便其遮蔽的系统能够正常工作。最后一点极大地限制了适用材料的数量，并对复合材料施加了特定的设计。

为了确保在这些限制条件下仍能获得令人满意的机械性能，优化天线罩结构和装配设计至关重要。此外，嵌入式通信系统的快速发展需要基于可靠高效的分析工具的频繁设计更新。材料特性测试非常重要，需要在预期应用的实际加载速度下进行。带有飞机机身的总成也需要通过机械测试进行表征和验证。这项工作的目标是优化这一关键区域，以满足资格标准并确保最佳的飞行中结构性能。

为了研究抗冲击性，冲击试验通常在接近飞机着陆或起飞的速度（约150m/s）下进行：这些鸟击试验在行业内已经很成熟，可以是用鸟或凝胶近似物进行的。由于撞击速度相当高，许多测试中心已经使用了高速摄像机（采集速度从每秒100帧到几千帧不等），这是建立结构损伤和断裂模式的重要诊断工具。这些图像与更多传统传感器（激光、应变计）一起用作定性补充信息，圣戈班工程师依靠这些传感器进行定量分析。

Figure 1 – Test setup of a bird strike test on a composite material (approximate size: 80 x 50cm)

这些传统传感器的缺点是，它们只产生局部、分散的信息，很难与数值模拟联系起来。如果传感器稍微处于关闭位置，或者如果撞击没有准确发生在其应该发生的位置，则测试结果可能会发生显著变化。

使用二维数字图像相关（DIC）的测试仪器在圣戈班已经建立，因此，借助立体DIC将这种方法扩展到平面外运动是他们之前工作的自然结果。摄像机定位是专门为鸟击试验进行的，摄像机输出是同步的。在本例中，对玻璃/环氧树脂材料进行撞击，以测试该方法，并确定该简单荷载路径的材料响应。为了使仪器具可以使用DIC，在冲击对面的样品表面上沉积了油漆斑点图案（见图1）。

对于该应用，使用EikoTwin DIC软件直接在模拟中使用的FE网格上执行立体DIC。这种测量可以直接将测量结果与数值结果进行比较。使用图像信息可以获得应变下结构变形的更广泛估计，甚至比通常的传感器覆盖更长的时间。事实上，由于冲击过程中产生的能量，样品中会出现较大的应变和损坏，测试过程中仪表接线经常会被扯断。因此，通过DIC对这些试验进行后处理，可以了解结构在一段时间内的行为，以及损伤模式对部件周围固定件（见图2和图3）机械阻力的影响。图3显示了加载是不对称的，尤其是在图像左侧附近，其中应变主要在前几毫秒内传播。使用传统传感器无法证明这种行为，而这一结果本身就为研究人员更好地理解实际组件行为。

Figure 2 – Images of the structure taken between t=0.001s et t=0.0013s, and displacement profiles measured at these instants. Image processing provides a displacement profile that could hardly have been anticipated by direct observation.

Figure 3 – Displacement profiles over time along the horizontal central line, as measured by digital image correlation

该试验的下一步是与DIGITAL TWIN进行试验模拟比较，以确定复合材料的本构参数。DIC提供的全场测量使我们有机会验证边界条件，这是这些模拟中的一个关键点。直接在FE网格上进行测量的事实将允许直接进行比较。这一基本步骤的最终目标是在接近工业应用的试验条件下，对本构关系进行稳健的识别，并对其进行模拟。