DIC实验——激光冲击试验的设计与验证

2007年以来总部一直位于泰伦斯的光学和激光技术中心ALPhANOV和欧洲防务领域的领导者MBDA从2019年起就建立了一个激光与物质相互作用的联合实验室，该实验室由一个配备了高功率红外源的舱室组成。它具有灵活和持久的架构，复杂的实验设备，快速重新配置的能力，且高度仪器化，对工作人员来说非常安全可靠。一个安全自动装置用于持续监控机舱的状态、关键传感器和是否授权射击，而另一个自动装置控制激光器、机器人和光学头。ALPhANOV人机界面用于编程测试程序。该仪器，包括红外和可见光高速摄像机和高温计，是同步的时钟信号。最后，所有录制的视频和模拟数据都在同一个界面中回放。

这项研究由EikoSim与MBDA、ALPhANOV和力学与技术实验室（ENS Paris Saclay）合作进行，主要研究对象是在激光舱中心进行激光照射的钢板。其目的是通过数字图像相关法测量位移场来量化板材所受的热机械效应。

数字化预研究

在一个复杂的实验环境中设计使用成像技术的测试是一个挑战。事实上，在狭窄拥挤的空间（如激光舱）中研究零件时，很难预测摄像机的理想位置，以确保试验期间研究区域的可见性。Blender的使用让克服这个问题成为可能。Blender是一款开源的3D计算机图形软件，主要用于电影行业。它允许创建一个场景，其中用户可以选择相机在研究部分周围的位置，然后可以使用初步数值模拟的结果生成参考配置和扭曲配置的图像。然后可以使用图像相关软件对这些图像进行处理，以便提前估计该软件的用户在这些理想条件下有权期望的计量性能（在测量不确定性方面）。

在本研究中，考虑到激光舱的有限空间，我们在Blender场景中放置了4个摄像头，为了不影响或是损坏实验，它们不能处于激光束几乎水平撞击板材中心的路径中。因此采用了下面的视图（见图1）。

图1–激光舱中4个摄像头的位置（2个由金字塔表示，2个由长方体表示）

通过使用EikoTwin DIC软件对Blender生成的理想图像进行后处理，对于这种特定情况，可以估计平面内组件的位移测量不确定度约为5µm，平面外组件的位移测量不确定度约为15µm。

设置测试

测试仪器配备有两台数码相机的立体视觉装置，辅以NIT出借的红外相机和对数响应相机。ALPhANOV将它们放置在EikoSim在预研究期间确定的位置（见图2），并在大约一天内准备好实验环境。

图2-测试仪器

图3–支架上的斑点板

测试活动期间，在一天半的时间内，我们在之前有斑点的纸上进行了10次以上的激光拍摄，以便为数字图像相关创建足够的对比度（见图3）。使用EikoSim提供的拓扑结构创建散斑图案的两种工艺：传统工艺（通过绘画）和创新工艺（通过激光纳米加工冲击表面，ALPhANOV工艺）。

立体相关测量结果

不确定性量化

为了估计试验过程中的不确定度，在每次拍摄前，我们都对一组30张静止图像进行位移测量。因此，可以测量采集噪声对这些图像的预期（零）位移的影响。无论方向如何，不确定度水平都非常接近预研究期间的估计值。

位移场

数字图像立体相关通过从两台数码相机在测试期间拍摄的图像来非接触式测量零件的三维表面位移场。该技术基于图像灰度守恒的假设。测量场直接表示在用于有限元模拟的三维表面模型上。测量分析显示板材有三步变形：

1.激光激活后，冲击区域中的板材沿激光方向膨胀。

2.然后冲击区域的薄板以与激光相反的方向膨胀（见图4）。

3.激光失活后，板材在冷却时部分返回其原始位置。

数字图像相关提供了测量网格上任意点位移随时间的函数。通过将数字位移传感器放置在薄板网格的一个点上（见图4），证实了在位移场上观察到的行为（见图5）。

图4–畸变+位移传感器第二步沿Z轴（平面外）的最大位移场（绿色）

图5–平面外位移随时间的变化，由图4中的数字传感器测量

经验总结

这项工作已经证明了数字图像相关实验方法的可行性，并取得了令人鼓舞的结果。这只是利用数字图像相关解释强激光与物质相互作用现象的第一步。

编者：C.Minguet，F.Mathieu–EikoSim；E.Chalumeau–阿尔法诺夫；F.希尔德-巴黎萨克莱大学，巴黎萨克莱大学，CNRS；R.Peiffer，S.Carpier–MBDA公司