数字图像相关法在复合材料研究中的应用进展

肖志斌, 武丽丽, 裘雄伟, 柯贤朝, 蔡 亮

(1.海装驻上海地区第六军事代表室, 上海 200000；2.上海航天精密机械研究所, 上海 201600;3.上海材料研究所 上海市工程材料应用与评价重点实验室， 上海 200437)

数字图像相关方法(Digital Image Correlation，简称DIC)是从物体表面随机分布的斑点或人工散斑场中直接读取变形信息，然后根据散斑场变形前后的统计相关性来计算位移和变形量，是一种对材料或结构表面在载荷作用下进行全场位移和应变分析测量的方法。变形测量的传统方法是基于应变计的电测法，但电测法只能获得少数几个点的信息，无法得到被测结构表面的位移场和应变场。DIC起源于1980年，随着相机和电脑等软件设备的发展，DIC也飞速发展，并应用在实际研究中。与电测法相比，DIC有测量过程简单、易操作、非接触、可测量全场形貌、灵活性高、再现性好、可覆盖破坏全过程等优点，非常适合现场的实时测量。此外DIC还具有自动化、光路简单、普适性好及抗干扰能力强等特点，DIC的测量精度得到了很多学者的证实。2017年有4位学者对DIC的应用及研究进展进行了总结。如张顺庆等[1]总结了DIC的发展历史及应用实例；潘兵等[2]综述了三维DIC(也称数字体图像相关方法)中位移/应变测量算法的研究进展；陈亚军等[3]综述了三维数字图像相关技术(3D DIC)在材料形变研究中的应用进展；邱璐璐等[4]综述了DIC在生物力学方面的研究进展。自2017年以来，DIC在复合材料领域中的应用也日益增多，但很少有文献通过比较DIC和其他测试方法来研究DIC技术的特点，为此笔者从复合材料的力学性能测试、功能结构性能研究和复合材料产品质量检测等方面，总结了2017年以来DIC在复合材料研究中的应用进展，以期为DIC在复合材料产品中的应用提供参考和建议。

1 DIC在复合材料力学性能测试研究中的应用进展

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)作为先进复合材料的典型代表，已在航空航天等领域得到了广泛的应用，近年来，将DIC应用于CFRP力学性能中的研究也较多。张燕南等[5]用DIC和声发射(AE)研究碳纤维编织复合材料在拉伸载荷下的损伤变形和失效机理。王朝等[6]采用DIC研究了CFRP的拉伸试验，建立了基于Hashin 改进准则的结构模型，通过对比试验和仿真结果，分析了材料的失效过程和失效机理。刘青青等[7]采用DIC研究了碳纤维层合板在冲击波作用下的动态位移场和应变场，并研究了材料的冲击性能。YUE X J等[8]采用DIC研究了CFRP的疲劳损伤机理，证明了局部横向应变可以作为疲劳损伤演化的指标。刘青青等[9]还利用改进的霍普金森杆对不同铺层方式的CFRP进行低速冲击试验，采用DIC分析了不同铺层顺序下CFRP 层合板的动态力学响应，然后利用Abaqus/Explicit仿真软件对试验结果进行模拟，结果表明,DIC试验结果和模拟结果吻合较好。NGUYEN M H等[10]用DIC研究了微粒增韧的T800S/3900复合材料层合板的拉伸应力变化、裂纹扩展和失效模式，结果表明,微粒可以提高该复合材料层合板的剪切强度。AZADI M等[11]采用DIC研究了CFRP拉伸时不同加载速度对裂纹扩展的影响，结果表明，拉伸时的加载速度对剥离强度没有明显影响，因为有纤维桥的存在，且拉伸速度越大，纤维桥越多，裂纹长度和拉伸速度之间不成线性关系。脱晓庆等[12]采用DIC研究了碳纤维织物的不同约束方式对混凝土柱轴向压缩性能的影响。CIDADE R A等[13]采用DIC研究了IM7-8552碳纤维环氧复合材料的动态断裂韧性K1D，结果表明，惯性可以忽略，且可以通过准静态试验得到K1D。DJABALI A等[14]综合应用X射线断层成像(CT)、AE和DIC研究了碳纤维环氧树脂层板的疲劳损伤机理和裂纹扩展情况。YUAN Y N等[15]采用DIC和红外热成像(IR)研究了T300/QY8911碳纤维复合材料低速冲击后压缩过程的失效模式及能量释放情况。JI X H等[16]采用DIC研究了碳纤维增强气凝胶复合材料的平面应力状态，获得了材料的本构参数。ALI H Q等[17]采用DIC和AE研究了碳纤维层合板在拉伸载荷和弯曲载荷下的应力变化及失效模式。贺体人等[18]采用DIC和FEMU(有限元模型修正技术)相结合，通过短梁剪切试验得到了IM7/8552碳纤维增强环氧树脂单向带正交各向异性层合板沿厚度方向压缩的本构关系参数。

三维编织复合材料作为一种整体编织材料，与传统的层合复合材料相比，具有不易分层、厚度方向强度高、损伤扩展慢等优点，被广泛用于航空航天等高科技领域。近年来，DIC在编织复合材料力学性能研究中的应用越来越多。CASTANEDA N等[19]结合AE特征和DIC表面变形与应变的关系，建立了编织复合材料损伤演化规律与结构参数之间的联系。孙颖等[20]采用DIC研究了碳纤维和芳纶纤维的不同混杂方式对复合材料拉伸性能的影响，为不同种类纤维混杂织造的正交三向复合材料的力学性能设计和应用提供了理论依据。安冰洁[21]采用DIC与AE探究了碳纤维编织复合材料的损伤变形与破坏机理。张鹏飞等[22]综合采用DIC和AE研究了碳纤维编织复合材料在四点弯曲载荷下的弯曲损伤与破坏行为。韩康宁等[23]综合使用DIC、AE及IT(红外热成像技术)等，研究了碳纤维三维五向编织复合材料在拉伸载荷下的损伤演变过程。张彦靖等[24]利用DIC和AE研究了三维五向编织复合材料横向拉伸状态下的变形与损伤规律。刘刘等[25]结合DIC和FEMU，通过编织高铝纤维增强多孔气凝胶基复合材料的正轴及偏轴拉伸试验，识别并获得了材料面内的多个工程弹性常数。

玻璃纤维增强树脂基复合材料(简称玻璃钢)因具有高比强、高比模、低密度、抗疲劳性好等特性，广泛应用于机械承力结构件中，近几年，也有学者将DIC引入玻璃钢研究中。刘子尚等[26]利用高速摄影与DIC相结合的方法，对单向增强玻璃钢复合材料进行了不同方向、不同应变速率下的静/动态拉伸试验，获得了材料不同方向、不同应变速率的应力-应变曲线及材料在不同方向上的动态失效应变，精确地描述了其静/动态拉伸及失效行为。瞿启云等[27]采用DIC得到了玻璃纤维增强聚醚酰亚胺复合材料在拉伸载荷作用下的变形量和位移。MISKDJIAN I等[28]采用DIC研究了玻璃纤维层合板在准静态和疲劳拉伸载荷下的层间裂纹扩展情况。

随着环保意识的增强和可持续发展理念的普及，对天然纤维和工业塑料重复利用的研究受到越来越多的关注，DIC被应用在该类研究中。丁春香等[29]采用DIC探究了WF(木纤维) 及mAPP(改性聚磷酸铵)阻燃剂对WF/HDPE(高密度聚乙烯)复合材料应变分布及传递的影响。MANTEGHI S等[30]综合应用DIC和热成像应力分析技术研究了由玻璃纤维及亚麻纤维增强的环氧复合材料的静态压缩和压缩疲劳性能。XU D H等[31]采用DIC研究了不同纤维(玻璃纤维、亚麻纤维、黄麻纤维等)增强环氧树脂材料的拉伸性能和泊松比等参数，分析了不同纤维对材料力学性能的影响。SAYAHLATIFI S等[32]采用DIC研究了铝-轻木-铝和铝-轻木/玻纤织物/环氧波纹板-铝夹心板三点弯曲时的失效模式。BAKIR K等[33]采用聚氨酯胶将废塑料瓶制成的聚乙烯对苯二甲酸乙二醇酯(PET)板和木板黏合成层合板(两层木板，PET夹芯)，然后采用DIC研究了该层合板进行弯曲试验时的形变情况，研究表明，加入PET板会导致弯曲强度和模量下降，同时会导致变形量增大和应力集中。

厚截面复合材料是几何效应(厚度与跨距的比) 、材料组分(基体的纤维刚度或强度性能) 、铺层组合、工艺和服役载荷等存在三维应力状态的复合材料结构。厚截面复合材料通常存在明显的横向剪切和正应变，且其横向具有高于纤维轴向方向的柔度，加之复合材料层板具有较低的横向和层间强度，使其更容易产生基体裂纹和分层。DIC被应用在其中的一些研究工作中。YUKSEL O等[34]采用DIC和钻孔法研究了玻璃纤维聚酯拉挤成形厚截面试样的残余应力。谌广昌等[35]总结了DIC在厚截面复合材料三维本构关系表征方面的应用，通过DIC监测短梁剪切和小矩形板扭转试验中的应力、应变情况，得到了复合材料3个方向的模量和强度及3个主材料面非线性剪切应力-应变曲线，并总结了国内技术与国外的差距。

此外，还有学者将DIC应用于其他复合材料研究中，朱忠锋等[36]采用DIC对纤维复合材料(FRP)格栅与工程用水泥基复合材料(ECC)的复合材料试样进行了单轴反复拉伸试验，提出了FRP/ECC复合材料反复受拉的本构关系模型。杨旭东等[37]针对CFRP薄壁管、泡沫铝和泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管分别采用准静态压缩试验测试其压缩和吸能性能，并在压缩过程中采用DIC同步分析其变形模式。JUNG A等[38]采用DIC和IT研究了开孔金属聚氨酯泡沫的介观变形。SCHNITTKER K等[39]采用DIC研究了用于大面积增材制造的原料ABS-20GF(20%玻璃纤维增强的丙烯腈、丁二烯、苯乙烯共聚物)的拉伸力学性能和泊松比等参数。李玉姣[40]将DIC用于织物增强橡胶基复合材料的拉伸试验中，得到了表征织物增强橡胶基复合材料力学性能的弹性模量和泊松比。KAVDIR E Ç等[41]采用DIC研究了结构胶DP410的剪切性能等指标。SINGER G等[42]采用DIC研究了环氧树脂和乙烯基树脂固化时的收缩过程和试样受热膨胀过程中的应力、应变情况，得到了材料的热膨胀系数，且圆形试样的热膨胀系数小于方形的。

复合材料在实际使用中会受到各种类型的冲击作用，如跑道的碎石冲击、鸟撞及工具跌落等情况，而复合材料对冲击载荷十分敏感，承受低速冲击便可能出现损伤，导致剩余强度明显下降，进而降低结构的安全性，研究复合材料受冲击后的压缩力学性能(CAI)对其应用及发展非常重要，因此，很多学者将DIC引入CAI的研究中。孙子恒等[43]采用DIC对不同铺层复合材料夹芯结构低速冲击后压缩试验时的动态破坏过程进行了研究，分析了其压缩过程中的失效机理。SUN X C等[44]采用DIC获取CAI过程中全场面外位移信息，并得出了失效机理。

2 DIC在复合材料功能结构性能研究中的应用进展

复合材料胶接连接可避免引入新的损伤，胶接连接是减轻结构质量的一种措施，因此胶接结构是复合材料结构中一种重要的功能结构，对其研究也较多，近年，有学者将DIC引入到胶接结构的性能研究中。郭霞等[45]采用DIC对复合材料单搭接胶接结构的全场变形场及应变场进行了测试，并采用电阻应变片测量方法进行对比验证分析，直观地展示了拉伸剪切作用下的复合材料单搭接胶接结构的表面应变分布及失效机理，结果表明，DIC测试结果与传统应变片测试结果差距较小，而且操作更简单。邹田春等[46]利用DIC和万能试验机对接头拉伸应变与极限载荷进行了表征，研究了搭接长度对异质材料单搭接接头胶接性能与破坏模式的变化规律。王大伟等[47]利用DIC 与万能试验机对接头进行了拉伸-剪切性能测试，研究了不同胶层厚度异质材料的接头胶接性能、应变场与破坏模式的变化规律，分析了在拉伸载荷下，不同胶层厚度接头的失效特点。THSLER T等[48]利用DIC研究了3种碳纤维接头疲劳试验过程中的裂纹扩展情况。

由于增强材料有规格限制，复合材料成型过程中总会遇到增强体材料长度或宽度不满足制品尺寸要求的情况，需要进行拼接处理以满足尺寸要求；制品形状复杂时，为避免在铺层过程中出现褶皱，会对铺层进行剪裁、拼接。由于拼接结构是复合材料的薄弱区，陈丁丁等[49]利用DIC研究了拼接结构对复合材料拉伸性能的影响机制，结果表明，拼接结构的引入大幅降低了复合材料的抗拉强度，且试验测试结果与有限元仿真(FEM)模拟的吻合度较高。

加筋板结构的复合材料利用率高、质量轻，能够较好地满足结构轻量化设计要求，目前在飞机的机翼、机身蒙皮、梁腹板和尾翼等结构中被广泛应用，对其研究比较多，同时也有学者将DIC引入加筋板结构复合材料的研究中。KOLANU N R等[50]采用DIC研究了复合材料T 型加筋板的压缩稳定性及失效机制，得到了结构面内的压缩位移场和面外位移场，并与直线位移传感器得到的面外位移进行了对比，结果显示两者有较好的一致性。阳奥等[51]对复合材料自动铺丝和手工铺丝两种T 型加筋曲板进行了单轴压缩试验，采用DIC对该型加筋曲板的局部屈曲及后屈曲波形进行了实时监测，并与传统应变、位移测量结果进行了对比分析，结果表明，使用DIC测量的结果与由应变-载荷曲线确定的屈曲载荷间的误差小于5%。

复合材料结构中会出现V型结构，如横梁固定件、车悬架等V形结构，研究该类复合材料的载荷响应及疲劳寿命非常重要。MURRAY B R等[52]通过DIC和AE研究了V型碳纤维环氧复合材料静态加载和疲劳试验时的失效模式，结果表明，因DIC对失效位置和失效应力识别精度高，可以很好地应用于V型结构的失效研究中。

在复合材料的结构设计中，为了让线缆穿过或避让其他部件，必须设计缺口，因此针对复合材料缺口结构的研究十分必要，有学者将DIC引入缺口结构的研究中。TORABI A R等[53]采用DIC研究了V型聚丙烯酸甲酸甲酯(PMMA)试样的应力集中系数。李顺然等[54]采用DIC研究了带圆孔的复合材料板的应力集中系数，结果表明，应力集中系数随圆孔直径的增大而减小。

在复合材料中，螺钉可用于复合材料部件之间的连接以及复合材料器件局部的加强，有学者将DIC用于含螺钉结构的研究中。张卓越等[55]采用DIC测试了复合材料板连接孔附近的全场应变分布，分析了挤压试样的连续应变累积过程和典型破坏模式。王遥等[56]利用DIC揭示了单螺栓修复对含冲击损伤结构失效行为的影响，结果表明,单螺栓修复效率较高。

此外，PATEL J等[57]利用DIC研究了DyneemaTMHB80层合板在进行三点弯曲试验时扭转结的应力变化。

3 DIC在复合材料产品质量检测中的应用进展

复合材料在载荷作用下，损伤常常在内部产生，外表面很难发现，因此需要发展复合材料的无损检测技术，DIC是一种潜在的无损检测手段，很多学者对此进行了探索，为DIC在复合材料无损检测上的应用提供了理论基础。KOPPARTHI P K等[58]在碳纤维环氧层合板中放置一个直径为14 mm、厚度为12 μm的聚四氟乙烯(PTFE)板，并利用DIC研究了其进行四点弯曲试验时的失效模式，结果表明，DIC可以发现铺层中的夹杂。SZEBÉNYI G等[59]在碳纤维或玻璃纤维增强环氧材料中加入PTFE薄膜、PTE薄膜和蜡形成分层，然后用DIC研究了分层试样在拉伸和压缩过程中的应力分布，结果发现，分层试样的应力在分层处发生变化，表明DIC可以发现材料的分层，是潜在的材料缺陷无损检测方法之一。BARILE C等[60]采用DIC研究了有损伤和无损伤碳纤维复合材料在压缩过程中的变形情况和应力分布，结果发现两者有明显差别。AMIRPOUR M等[61]采用DIC研究了不同的3D打印复合材料板在弯曲试验时的变形情况，并与仿真结果进行了对比，结果表明，非线性分布的3D打印件的仿真结果与DIC试验结果差距比线性分布的大，3D打印件的变形图不对称，且线性分布刚度更大的3D复合材料板不对称性更加明显，为DIC在3D打印件质量检测方面的应用奠定了理论基础。

GARCIA-MARTIN R等[63]综合使用DIC测得了复合材料的杨氏模量、泊松比和屈服应变，然后将上述材料参数带入确定模型和概率模型进行有限元仿真，研究了复合材料压力容器的可靠性，得到了概率模型蔡吴(Tsai-Wu)因子随机分布性比确定模型的高的结论。

SHADMEHRI F等[64]将DIC用于直升机尾桁架[C/PEEK(碳纤维-聚醚醚酮)锥形筒]弯曲试验变形和失效模式的研究中，研究了厚壁C/PEEK管的弯曲性能和失效模式。此外，SHADMEHRI F等[64]还将DIC用于C/PEEK复合材料原位成形(自动铺层机AFP，加热固化)过程中的应力和变形测量中，将DIC用于监控自动铺层机的铺层过程，成功发现了铺层缺陷。

4 结语

DIC与其他检测技术联用成为热门研究方向；DIC在复合材料缺陷无损检测方面的应用处于理论研究阶段，尚无应用实例；DIC在复合材料制件性能研究与预测方面的应用研究刚刚起步，鲜有文献报道，在此方面尚需深入研究。通过综述，笔者预测DIC在复合材料研究方面的未来发展趋势如下：

(1) DIC与其他检测方法联用，如声发射(AE)、X射线断层成像(CT)、红外热成像(IR)等。

(2) 若DIC应用于复合材料缺陷无损检测的理论得到突破，DIC应用于复合材料缺陷的检测将被引起重视。

(3) DIC结合仿真分析软件(如Ansys、Abaqus等)及有限元仿真修正技术，通过测量复合材料产品在安全载荷(或非破坏载荷)下的应力、应变推测产品的破坏载荷(或失效载荷)，对产品质量进行预测及评定。

(4) 将DIC应用于监测复合材料产品的生产过程及质量控制情况，及时发现生产过程短板并改进。