通过三维电子散斑图案干涉测量技术研究了在三点弯曲载荷下，带有预切口的铝板和碳纤维增强塑料（CFRP）板之间的应变演化差异

《Optics and Lasers in Engineering》：Strain evolution difference between aluminum and CFRP plates with pre-notch under three-point bending investigated by 3D electronic speckle pattern interferometry

基于三波长激光和3-CMOS色相机的3D-电子散斑干涉仪系统实现了CFRP板全场应变测量与裂纹萌发预测，通过铝板三点弯曲实验验证了系统精度，应变场分析显示裂纹尖端附近存在稳定应变热点，与XFEM模拟结果一致。

　　

张小亮|安英彪|程浩|龚文冉|杨富军

东南大学土木工程学院，南京，211189，中国

摘要

三维电子散斑图案干涉测量（3D-ESPI）被用于碳纤维增强塑料（CFRP）板材的全场应变测量和断裂起始预测。该系统使用三波长激光器和一个3-CMOS彩色相机，能够同时捕捉试样的三个变形分量，这些分量分别由红、绿、蓝三种激光光编码。通过在带有预切口的铝板上进行三点弯曲实验，验证了该测量系统的有效性和准确性。测试结果与扩展有限元方法（XFEM）的模拟结果进行了比较。通过对3D-ESPI测量的变形位移进行数值微分，确定了CFRP板材预切口周围的全场应变。预切口尖端处的断裂起始和裂纹扩展与应变演变的预测结果一致。对铝板和CFRP板测量结果的比较分析表明，3D-ESPI系统清晰地捕捉到了铝板在变形过程中的颈部状局部变薄现象，这与铝的高延展性相符。同时，在远离切口的区域，铝板和CFRP板表现出明显且可测量的刚体旋转特性。值得注意的是，由于3D-ESPI的高灵敏度，在大约0.05毫米的微小位移载荷下，观察到切口附近平面应变场中的稳定应变热点，并且存在应变增强的优先方向。这表明在宏观裂纹出现之前，裂纹起始已经临近。

引言

由于铝合金和复合材料的低密度和高强度重量比[1]、[2]、[3]，它们被广泛应用于航空航天领域，尤其是在飞机蒙皮和航天器外壳中。随着深空探索和超音速飞行技术的快速发展，航空航天结构日益面临极端服务环境，包括极端温度和强烈的电磁辐射[4]。结构表面的微裂纹可能会持续扩展，导致灾难性故障。因此，在航天器发射和运行期间监测表面健康状况至关重要，需要先进的测量技术来预测和检测裂纹，以确保飞行安全。

迄今为止，已经对铝合金等各向同性材料中的裂纹扩展机制进行了大量研究。相比之下，由于复合材料的固有各向异性和异质组成，其断裂行为更难以表征。尽管有多种研究探讨了复合材料的失效机制[5]，但基体开裂、纤维断裂和界面脱粘等复杂性阻碍了统一理论模型的发展。有限元方法（FEM）也被广泛应用于各向同性和各向异性材料的断裂和裂纹扩展研究。值得注意的是，Belytschko和Black[6]引入了扩展有限元方法（XFEM），通过引入富集函数来模拟裂纹等不连续性，从而增强了经典FEM。自其问世以来，XFEM已被广泛应用于各种材料的断裂分析[7]、[8]、[9]、[10]。同时，数据驱动方法的出现为裂纹检测和断裂预测开辟了新途径。例如，深度卷积神经网络已显示出在复杂图像背景下准确定位裂纹的能力[13]。然而，这些方法的性能严重依赖于训练数据的数量和质量，通常需要数百或数千个标记样本才能达到可靠的准确性。

实验测量在研究复合材料的断裂和裂纹扩展中起着至关重要的作用。一方面，它用于验证理论模型；另一方面，它能够观察到现有理论可能无法完全捕捉到的复杂失效现象。已经使用了多种实验方法来研究CFRP层压板的断裂，包括X射线成像/干涉测量、红外热成像、数字图像相关性（DIC）和采样莫尔条纹。X射线干涉测量可以解析拉伸载荷下的微裂纹萌生和生长[14]、[15]，而结合声发射、DIC和红外热成像的多模态方法可以捕捉不同尺寸和载荷模式下的损伤机制[16]。然而，DIC被最广泛用于跟踪裂纹扩展；典型应用包括绘制具有可变孔径的板材的变形和路径演变，使用3D-DIC验证大尺寸几何体与有限元模拟的结果，以及评估切口周围的局部应力/损伤[17]、[18]、[19]。

电子散斑图案干涉测量（ESPI）是一种基于激光的干涉技术，以其对微小变形的高灵敏度和实现微米到纳米级位移分辨率的能力而著称。全场ESPI是研究复合材料断裂过程的有效手段。它用于解析层压和三维碳/碳系统中的分裂、微裂纹和不稳定的Z形裂纹扩展[20]；量化准静态和冲击载荷下的动态层间断裂[21]；并结合Schapery型本构模型，跟踪石墨/环氧树脂中的粘弹性-塑性损伤进展[22]。散斑干涉测量还可以识别视觉检查无法发现的3D编织CFRP中的低速冲击引起的次表面损伤[23]。测量准确性的得到了基于ESPI的裂纹开口位移与玻璃基准试样上有限元预测结果一致性的支持[24]。综上所述，这些结果使ESPI成为一种灵敏的全场工具，适用于复合材料层压板的断裂和损伤评估。为了准确量化铝合金和CFRP层压板中的裂纹扩展，同时测量平面内和平面外的变形（称为3D同步变形测量）至关重要。现有的基于ESPI的3D技术通常采用混合配置，结合平面内和平面外的干涉路径，或多束/多相机系统和非共面几何结构[25]。这些方法使用由照明和观察向量的相对排列定义的灵敏度矩阵来提取位移分量[26]。尽管多束或多相机设置提供了光学简化，但由于灵敏度矩阵的相互依赖性，它们需要求解耦合方程，这降低了系统的鲁棒性——特别是在部分光束失效或对齐误差的情况下。相比之下，共享光学路径的集成干涉配置可以直接解析位移分量，而无需矩阵反演，从而即使在光束损失或环境干扰存在的情况下也能提高稳定性和可靠性[27]。

在这项研究中，我们使用同步的三维电子散斑图案干涉测量（3D-ESPI）系统来研究三点弯曲下预裂铝合金板和CFRP的裂纹扩展演变。首先在铝板上对测量协议进行了基准测试。ESPI得到的全场应变和裂纹轨迹测量结果与扩展有限元（XFEM）模拟结果非常吻合。将相同协议应用于CFRP时，得到的结果与各向同性情况不同。此外，早期载荷下的ε_xx图显示了持续的应变热点和高应变等值线的稳定主轴，预示了最终的裂纹路径，为复合材料中的基于测量的先进预测奠定了基础。

本文的结构如下。第2节概述了3D-ESPI的原理、实验设置和试样。第3节展示了实验结果，并强调了微载荷下裂纹扩展趋势的时间分辨演变和早期预测。第4节总结了研究结果和关键发现。

部分摘录

3D ESPI的原理

3D-ESPI的光学布局如图1所示。在本研究中，试样坐标系定义为x轴位于试样表面并平行于试样的长边，y轴位于试样表面并平行于试样的短边，z轴垂直于试样表面。因此，蓝色、绿色和红色通道分别测量沿x轴、y轴的位移分量u(x, y)、v(x, y)和w(x, y)。

使用3D-ESPI和XFEM对铝试样进行三点弯曲验证

为了验证3D ESPI的准确性，进行了有限元模拟，以预测三点弯曲载荷下铝试样的变形和应变，并将预测结果与实验结果进行比较。在Abaqus中建立了一个带有预裂口的铝板的基于XFEM的三点弯曲模型。

所建立模型的网格划分如图5所示。

图6（a）展示了位移场，包括包裹的相位条纹图案

结论

尽管ESPI是一种应用广泛的成熟技术[30]，但3D-ESPI仍相对较少被探索和采用。对于预裂CFRP和铝试样的三点弯曲，大多数研究依赖于有限元模拟，而实验工作主要集中在平面内变形上。

本研究采用同步的三波长3D ESPI系统来捕捉三点弯曲过程中的全场微变形，并比较

CRediT作者贡献声明

张小亮：概念化、方法论、软件、撰写——原始草案。安英彪：调查、数据管理。程浩：数据管理、形式分析。龚文冉：撰写——审阅与编辑。杨富军：监督、撰写——审阅与编辑、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。