使用DIC和ACSM技术对铁试样应力-应变检测的研究

《Sensors》：Research on Stress–Strain Detection in Iron Specimens Using DIC and ACSM Techniques

　　

应力-应变检测是工程完整性管理中的常用检测技术，能够预测材料或结构的健康状态和剩余使用寿命。本研究系统研究了数字图像相关（DIC）和交流应力测量（ACSM）技术在应力-应变检测领域的性能和应用效果。基于逆磁致伸缩效应和麦克斯韦方程组，研究人员开发了一套ACSM检测系统，实现了应力信号向电磁信号的转换。同时，采用DIC技术结合高分辨率双目视觉系统，实现了全场应变分布的非接触测量。利用COMSOL V6.1软件进行有限元分析，模拟了铁磁性试样在轴向拉伸载荷下的应力-应变分布，确定了具有均匀应力-应变分布的标距段范围。建立了实验平台，对平板试样进行了拉伸试验。结果表明，ACSM系统的应力检测误差小于42.93 MPa，DIC系统的应变测量误差低于2.14722×10^-4，应力反演误差小于31 MPa。综合比较表明，DIC技术在测量精度和分辨率方面表现出更优性能，而ACSM技术在操作便捷性和快速响应方面具有优势，适用于工业现场的快速筛查。

应力-应变检测在铁路、管道等工程完整性管理中具有关键作用，能够预测材料健康状态和剩余寿命。然而，现有交流应力测量（ACSM）技术虽已形成较完善的理论与硬件体系，但其校准依赖单点测量，无法反映应力场的空间分布，导致检测误差的空间分布模式不明确，限制了精度提升和工程应用边界的界定。为克服此问题，研究人员提出结合数字图像相关（DIC）全场参考辅助ACSM检测的技术路线。本研究构建了自研ACSM检测系统，并联合高分辨率DIC平台，通过有限元数值模拟和轴向拉伸实验，定量比较两种技术在弹性拉伸载荷下的检测精度、误差分布和应用边界，并利用DIC全场应变分布为ACSM点选择和系统校准提供数据支持。论文发表在《Sensors》。

研究采用的主要关键方法包括：1）自研ACSM检测系统，基于逆磁致伸缩效应和麦克斯韦方程组，采用正交差分线圈探头、直接数字合成（DDS）信号生成模块、锁相放大器及AD620/AD630高精度芯片，实现应力信号到电磁信号的转换；2）DIC测试系统，结合高分辨率双目视觉系统和图像匹配算法（交叉相关、最小二乘、亚像素插值），通过Hooke定律实现全场应变测量；3）有限元模拟，使用COMSOL V6.1软件建立二维线性弹性模型，对铁平板试样（尺寸如图）进行0-100 MPa轴向拉伸载荷参数扫描，模拟应力-应变分布；4）轴向拉伸实验，对喷涂黑白散斑的铁平板试样施加0-100 MPa（步长10 MPa）载荷，记录ACSM电压和DIC图像，并在实验前对ACSM传感器进行线性校准（校准误差±10 MPa，置信度95%）。所有实验均采用标准铁试样，无特定样本队列来源。

研究结果分为以下部分：

**3.2.1 轴向拉伸应力模拟结果**：通过有限元模拟，发现应力集中在夹持段与标距段的圆弧过渡区，标距段中心存在约140 mm×140 mm的均匀应力分布区域。沿标距段中心线提取线数据集，应力从两侧向中间逐渐升高并稳定，轴向应力约为施加拉伸载荷的2倍。

**3.2.2 应变模拟结果**：全场轴向应变在标距段内高度均匀，当载荷为100 MPa时应变约9.24×10^-4。整个拉伸过程中应力-应变曲线斜率为200.01 GPa，接近设定的杨氏模量，表明材料始终处于弹性阶段，满足Hooke定律。

**4.3 实验结果与分析**：DIC系统测得全场应变分布与模拟结果一致，标距段内应变均匀。DIC测量应变与理论应变的最大绝对误差为0.000214722（80 MPa时），相对误差随载荷增大而减小，表明存在系统误差。利用DIC应变反演应力，与理论应力相比最大误差为31 MPa（70 MPa时）。ACSM检测应力与理论应力相比，误差主要集中在50 MPa以下低应力区，最大绝对误差为42.93 MPa（约28 MPa时）；在50 MPa以上中高应力区，线性度和稳定性显著改善。综合比较表明，DIC技术精度更高，可提供全场应变分布参考，而ACSM技术操作便捷、响应快速，适合工业现场快速筛查。

**讨论与结论**：研究结论部分指出，平板试样轴向拉伸过程中应力集中主要发生在夹持段与标距段的圆弧过渡区，标距段中心存在约140 mm×140 mm的均匀应力应变区域，为测点布置和校准提供了数值依据。自研ACSM检测系统经线性校准后，在95%置信度下校准残差控制在±10 MPa内，全载荷范围最大绝对检测误差为42.93 MPa，且误差集中低应力区，中高应力区性能改善，满足工业现场快速应力筛查精度要求。以理论解为参考，DIC系统应变测量最大绝对误差为2.14722×10^-4，通过Hooke定律反演应力最大误差为31 MPa，与理论真值吻合良好，且能同时获取全场应变分布，为单点ACSM检测的测点选择、系统校准和误差修正提供了可靠的全场参考基准。