DIC实验——晶格结构的数字图像相关测试

数字图像相关技术在快速成型制造行业的晶格结构测试中的应用

特别是随着航空航天器件的发展，人们对晶格结构的兴趣与日俱增。除了他们允许考虑的重大质量收益外，他们还提供了基于其组成模式优化其行为的可能性。金属添加剂制造技术的强劲发展使得制造由点阵结构组成的零件成为可能，材料以其机械性能著称，如镍基合金、钛合金或新一代铝合金。这些有前途的建筑材料仍然没有广泛应用于结构部件的设计，因为它们需要商业规模的新开发方法（模拟、表征、制造）。在这种情况下，圣埃克苏佩里研究所（IRT）根据SIMaP实验室在建筑材料领域的经验，正在进行一项为期24个月的研究和开发项目，称为LASER（发动机和发射器的晶格结构），将主要的航空航天制造商聚集在一起，为他们提供研究部门的理解和设计工具。EikoSim是一家专门从事测试和模拟之间联系的年轻公司，它为激光项目提供了利用数字图像相关进行现场测量的专业技术和软件。侧重于测试和模拟方法。

 

Compression test on a BCCZ lattice structure – IRT Saint-Exupery

作为LASER项目的一部分，对晶格结构进行的试验旨在突出压缩或剪切配置中的应变模式，当构成试件的单位胞数不同时，对其施加不同的边界条件和比例效应。这些配置的多样性应允许开发和验证数值模拟方法。当时的研究仅限于将室温下的准静态应力作为确定方法的出发点。所测试的结构由最大直径为1 mm的微梁组成，按照BCC晶格（体心立方）或BCCZ晶格（体心立方和垂直梁）组织。

BCCZ lattice structure after a compression test, characteristic shear belt – IRTSaint-Exup?ry

采用更有效的测量方法是应对这些新几何结构所带来挑战的一种举措。现场测量，特别是数字图像相关，是捕捉应变的非均匀性和局部不稳定现象的自然候选。 

基于图像相关的压缩测试

数字图像相关的实现包括在试件上应用斑点（对比图案），这些斑点要大小合适，并适应相机分辨率。在晶格结构上，用喷枪喷制几微米透镜大小的斑点。

在测试过程中，使用两对高分辨率相机观察样品的两面。这使得我们能够准确地捕捉剪切带的特征应变模式和所有复杂的运动学。从测量的角度来看，这会使处理过程变得复杂。根据EikoTwin DIC软件中提出的基于有限元网格的方法，测量结果与模型零件三维空间中的一个点直接相关。在数据分析时对摄像机的数量没有限制，这有助于测量各自视野范围内点的位移。

Instrumentation by 4 cameras of two sides of a lattice structure for a compressiontest – IRT Saint-ExupEry

 

数字图像相关是一种通过假设结构中的点在图像中保持相同的灰度来跟踪其移动的技术。因此，必须控制照明条件，以限制测量不确定性，并确保即使在大位移情况下也能跟踪结构。

Vertical displacement eld measured by image correlation on the simulation mesh,

EikoTwin DIC software – IRT Saint-Exupéry

 

建模与计算

网格结构力学行为的几种建模方法可以考虑。在几何表示方面最精确的是用体积来描述每个微束。通过体积单元的离散化，可以尽可能接近最初设计的几何体。从物理角度来看，考虑到压缩试验期间预期的应变水平，描述结构构件的弹塑性行为非常重要。在这一点上的一个困难是描述局部力学行为的适应法则。对于研发部门来说有几种可能的方法： 

l  第一种方法，可以从标准试验中考虑组成材料的特性。在这种情况下，建议至少对由与晶格结构相同的添加剂制造工艺获得的原材料加工而成的试样进行标准试验。 

 

l  在LASER项目中提出并实施的第二种方法是描述晶格结构的组成元素，即微束。在与晶格结构相同的托盘上设计和制造了样品几何结构，以便根据微梁的方向（垂直、倾斜）获得其固有特性。这种方法的优点是，它允许观察效果，特别是与几何体的精细度有关，这在添加剂制造中是相对众所周知的：粗糙度、形状误差（平均直径、圆柱度）、热历史和特定的冶金。

“Microbeam” test pieces for the characterization of the constituent elements of

a lattice structure – IRT Saint- Exupéry

       荷载和边界条件的应用是建模的重要部分。正如设计和制造的几何结构之间的差异一样，“理想”荷载和结构实际承受的荷载之间的差异也会对响应产生重大影响。然而，研究部门很少能获得这些差距的测量数据。因此，最初选择的模型在很大程度上忽略了它们。

Simulation of the compression test on a 5x5x5 BCCZ lattice structure, solid element mesh, Abaqus software – IRT Saint-Exupéry

对于这种由数百万个单元组成的非线性模型，计算时间的问题出现得很快就呈现出来了。LASER项目目前正在研究一种简化的方法，其基础是通过具有光束运动学的线性有限元近似几何，目的是不降低模拟的精度。

 

测试与模拟的比较

测量和模拟结果之间的比较本身就是一个挑战。在点云上测量位移的方法很有趣，但在与模拟相比较时，它会产生新的问题。该方法在EikoTwin-DIC软件中实现，基于有限元，在同一三维坐标系下，直接在数值模拟网格上测量位移场。从而避免了与测量场在网格上的投影有关的误差，反之亦然。它还为用户节省了时间。例如，可以直接可视化理想加载路径和应用于零件的加载路径之间的差异，以便相应地修正仿真模型。

Di erence between the measured and simulated vertical displacement eld (left), and evolution of the deviation at a point of the mesh as a function of time (right)

前景展望

下一步：使用测量结果修改初始模拟。这些测试教会了我们很多关于晶格结构的知识，所以我们想用这些结果来改进我们的模拟，更好地理解误差的来源。最初，在边缘测量的位移可以作为模拟的边界条件。

然后，结合试验和模拟应力-位移曲线的比较，该方法将允许实施反向识别策略来重新确定模型参数，减少试验模拟的差距。EikoTwin Digital Twin软件建议将这两个基本步骤集成到一个环境中。这将使我们能够考虑在短期内将这些方法转移到研究部门，并开发用于工业应用的晶格结构的潜力。

信用

圣埃克苏普技术研究所是航空、航天和嵌入式系统行业科学、技术研究和转让的推动者，一直在开发安全、可靠、可认证和可持续的创新解决方案。圣埃克苏普研究所在图卢兹、波尔多、索菲亚·安蒂波利斯和蒙特利尔的网站上提供了一个由工程师、研究人员（来自工业和学术环境的专家和博士生）组成的团队，在四个关键领域的技术平台支持下开展研究项目和研发服务：高性能多功能材料、更多电动飞机、智能系统与通信和系统工程与建模。

*圣埃克苏普研究所是一家技术研究机构，被法国政府列为“Avenir投资计划”（PIA）的一部分。

*EikoSim是一家专门从事测试模拟对话的软件公司，它致力于数字图像相关的创新测量工具。

LASER项目由圣埃克苏普研究所，其中50%由其工业成员出资，50%由法国政府的Avenir投资计划（PIA）出资。它是IRT“晶格”倡议的一部分，该倡议定义了与IRT SystemX领导的DSL（Durabilite des Structures LATTICES）项目以及国家空间研究中心（CNES）的密切合作。