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利用数字图像相关（DIC）技术研究WSRS动态损伤及弯曲响应

1.研究背景

WSRS-编织间隔结构增强夹层复合材料，因具有吸能、轻质、高分层阻力特征，在航空、交通运输、建筑领域的减震器上有广泛应用。

WSRS夹层结构复杂，对其在力学载荷下经向(WSRS-WA)、纬向(WSRS-WE)的承载能力、失效过程表征缺乏有效方法。

2.研究概述

河北科大纺织服装技术创新中心研究人员利用声发射(AE)技术捕获不同高度规格的WSRS(详见3.1)力学加载下损伤释放的应变能，再利用数字图像相关(DIC)技术实时观察其受损区域的破坏模式以及表层、芯桩和泡沫材料的协同效应图像，分析力学性能、AE信号参数和应变曲线图，研究验证弯曲加载过程中的破坏机制。

3.研究材料与设备

图1 WSRS材料 AE设备 DIC设备

3.1 制备六个不同规格、机械性能的WSRS，用作实验标准试件。

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3.2 声发射(AE)探测设备，规格40dB放大器，两个RS-2A传感器，捕获六个AE信号，进行损伤分析，确定WSRS失效机理。

3.3 数字图像相关(DIC)应变场测量设备，捕捉试件WA,WE方向上的全场应变，还原WSRS动态损伤过程，研究弯曲响应机理。

3.4 万能材料强度机，对WSRS进行三点弯曲测试，试验标准参照ISO 1209-1-2007(E)。

3.5 扫描电镜，分析WSRS最终失效情况，验证AE信号分析和数字图像相关(DIC)应变分析结论。

4 数字图像相关(DIC)研究验证部分

选中六个WSRS的中间区域(见图2)进行DIC分析，获得芯层和泡沫之间的局部应变变化，利用拉格朗日微应变实时监测WSRS，比较六个WSRS的平均微应变随时间变化趋势(见图3)。

对比发现，WSRS-2和WSRS-4应变轨迹相同，表明压缩应变大于拉伸应变，但微应变较WSRS-4更突然，表明WSRS-2产生更多的剪切破坏。WSRS-6的破坏机制并不明显，加载状态稳定，平均微应变呈线性变化，WSRS-6-WA经向和WSRS-6-WE纬向应变趋势不同，经向WA平均微应变表现同WSRS-4的压缩应变。纬向表现出明显的拉伸应变。

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图2 WSRS应变面积图3 WSRS平均微应变值

为进一步观察6个WSRS加载过程中的应变趋势，以20秒为节点，选择应变图表征6个不同时间点的失效模式。蓝色区域表示压缩应变，红色区域表示微应变值实时变化引起的拉伸应变。图4、图5显示，芯层作为主要失效体，泡沫压缩过程中出现缺失。

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图4 WSRS-WA 经向应变图

根据WSRS-WA(图4)，核心层压缩导致上层移动时，主要受拉伸应变影响。随着高度增加，应变曲线图呈现不同趋势。60秒内，WSRS-2-WA核心层不足以承受应力，使得压缩应变转移至下层，然后导致压缩应变穿透整个芯层。120秒后，WSRS-2-WA出现内层破坏，芯层出现界面分层现象。WSRS-4-WA在80秒时出现压缩应变，并呈蝴蝶状扩散。

WSRS-6-WA在100秒才显示压缩应变，表明受高度因素影响，下层受到拉伸效应较弱，延缓压缩应变传递。图5显示，WSRS-2-WE、WSRS-4-WE与WSRS-2-WA、WSRS-4-WA应变趋势相同，但时间均早于后者，WSRS-2-WE于40秒，WSRS-4-WE于80秒出现压缩应变，表明WSRS-WE整体破坏早于WSRS-WA。80秒后，上层集中破碎，下层拉伸，在应变图中出现缺失。同时，WSRS-6-WE也出现芯桩分离现象(图5)。

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图5 WSRS-WE 纬向应变图

与WSRS-2、WSRS-4和WSRS-6-WA不同，WSRS-6-WE两侧都有拉伸应变，这是由于泡沫材料的联动作用和芯桩的传递效应，增加抗弯强度。

5.研究结论

结合声发射 (AE) 技术和数字图像相关 (DIC) 方法揭示了编织间隔结构增强夹层复合材料 (WSRS) 的动态损伤过程和弯曲响应。

结果表明，WSRS-WE的整体压缩应变早于WSRS-WA，失效区域也更为突出，说明WSRS-WE中芯桩结构的协同效应优于WSRS-WA。当受到弯曲应力时，WSRS 在纬向的承载能力高于经向，表现出更好的完整性和承载能力。文章摘自《Combining acoustic emission and digital image correlation analysis fordynamic damage response of woven spacer structure reinforced sandwich composites》

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