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1、固体力学实验 II课程学习报告院（系）名称： 航空科学与工程学院 专业名称： 航空工程 学 号： 学生姓名： 固体力学实验课程学习报告一、云纹法1 云纹法定义Moir 源自法语, 意思是从中国传入的丝绸的“耀眼的光泽”或“波形图案”。在实验力学中, 它指的是两个空间频率相差不大的振幅型光栅叠加在一起时所产生的明按交错的条纹图案。通过分析云纹图案和条纹间距,可以测量物体的面内变形和应变以及三维形貌,这种方法称为云纹法。如图所示，云纹实际上是两个光栅间的互相遮挡与透过现象，云纹中的亮条纹是由两个光栅的白线相交形成的（源于互不遮挡） ，云纹中的暗条纹是由两个光栅的白线与黑线相交形成的（源于互相遮挡）
2、 。由于人眼的分辩率或低通滤波性，白条纹中的黑线干扰被忽略了。2 云纹法注意要点（1）直线栅云纹法测试的是由于试件变形和转动引起的面内位移，不包括刚体位移（2）直线栅云纹法中试件的刚体位移不影响云纹的形状和密度，但垂直于栅线方向的刚体位移会造成云纹的移动。用二维光栅可以同时测试 X,Y 两个方向的位移场（U 场和 V 场）（3）为了提高云纹的对比度，一般将试件栅和标准栅尽量靠近，而且光栅黑白线的宽度应尽量相等。（4）形成云纹的两个光栅的空间频率相差不能很大（一般相差不到一倍）3 处理方法传统上利用光学像机记录云纹图像，人工处理。现在，可以利用数字相机，将云纹图像记录的同时进行数字化处理，并利用
3、计算机和数字图像处理技术对云纹图像进行滤波、增强、提取中心线、拟合、求解位相、解包裹等一系列处理，大大降低了处理难度，加快了处理速度。最终得到离散的位移场 U（m,n)、V(m,n)，m,n 为像素位置4 其他云纹法（1）数字云纹法（虚拟云纹法）采用虚拟的（数字化的）标准栅，根据云纹形成原理，与数字化的试件栅进行逻辑（乘）运算得到云纹。从试件栅变形前后的两幅云纹图中，得到试件的变形情况。（2）影像云纹法（Shadow moire)利用栅线与其在某物体表面的投影相重叠所得到的云纹条纹称为影像云纹。影像云纹法是一种能够测量被测表面的离面位移或三维形貌的方法。试件栅是标准栅在物体表面的投影，其变形是
4、由于物体表面起伏的轮廓。影像云纹所代表的物理意义是等高线，高度的参考面是标准栅所在的平面，所以影像云纹可以测物体的三维形貌物体加载前后的三维形貌差，即是物体由于载荷而产生的离面位移。（3）投影条纹法 (Fringe Projection)投影条纹法利用平行条纹投影在平面与物体曲表面的两副图像，可以对物体的三维形貌进行测量。条纹线相当于等高线。二、云纹干涉法1 相交平行光的干涉满足干涉条件下，两相交平行光干涉形成等间距干涉条纹。空间频率 2sinvf2 光栅衍射方程 sinimf3 波前(wavefront)及波前干涉平行光的波前为平面，如果衍射光栅没有畸变或均匀畸变，平行光的各级衍射光的波前为
5、平面。如果衍射光栅有非均匀畸变，平行光的各级衍射光的波前为曲面，并且可以看成多个不同衍射方向的平面波前的组合4 对称入射光的1 级衍射光的干涉两衍射光不产生干涉，记录不到条纹 (Null 场)5 云纹干涉法的测试一般步骤和技术要点试件固定在加载架上 （方位最好六维可调） ，精确对试件表面成像，尽量使用大光圈，试件加载前进行光路调节（标定） ，得到 NULL 场。真正的 NULL场是优质光学系统的体现和消除系统误差的保障。机械或热加载，记录条纹，切换 U、V 场6 云纹干涉法的应用在断裂力学中的应用裂尖位移场/应变场的测量，塑性区的确定， 断裂力学理论的验证在电子器件热机械可靠性评价方面的应用，
6、焊球热变形及疲劳寿命的确定塑料封装材料吸湿膨胀系数的测量三、几何云纹法和云纹干涉法的异同1 不同点条纹形成机制不同：几何光学干涉与物理光学干涉测试分辨率相差很大2 相同点是：测试分辨率都决定于光栅的空间频率云纹干涉法的条纹成因可借助云纹法的条纹成因理解 （交叉入射光的干涉条纹可视为参考栅，但注意其频率问题） 变形的正负都可用相同方法判断（转动参考栅）条纹处理方法相同实现相移方法相同（试件栅与参考栅之间的相对移动）四、数字图像方法数字图像相关法(Digital Image Correlation Method，简称 DICM)，又称为数字散斑相关法(Digital Speckle Correla
7、tion Method，简称 DSCM)，是应用于计算机视觉技术的一种图像测量方法。 数字图像相关(Digital Image Correlation， i.e. DIC)测量技术是应用计算机视觉技术的一种图像测量方法，是一种非接触的、用于全场形状、变形、运动测量的方法。它是现代先进光电技术、图像处理与识别技术与计算机技术相结合的产物，是现代光侧力学领域的又一新进展。它将物体表面随机分布的斑点或伪随机分布的人工散斑场作为变形信息载体，是一种对材料或者结构表面在外载荷或其他因素作用下进行全场位移和应变分析的新的实验力学方法。在实验固体力学领域中，对于不同载荷下，材料和结构表面的变形测量一直是一个
8、较难的课题。一般包括接触式和非接触式两种，对于一般使用的电阻应变片接触式测量方法，受其测量手段的限制，不能得到全场数据，且测量范围有限，不能得到物体整体上的变形规律。而对于全场的非接触式光学测量方法，包括干涉测量技术(例如全息照相干涉法，散斑千涉法)和非干涉技术(例如网格法和数字图像相关测量法)。由于干涉测量技术要求有相干光源，光路复杂，且测量结果易受外界震动的影响，多在具有隔振台的实验室中进行，应用范围受到了极大的限制。而非干涉测量技术是通过对比变形前后物体表面的灰度强度来决定表面变形量，对光源和测量环境要求较低。数字图像相关测量技术可以直接采用自然光源或白光源，通过具有一定分辨率的 CCD
9、 相机采集图像，并利用相关算法进行图像处理得到变形信息，可以说，DIC 是一种基于数字图像处理和数值计算的光学测量方法。由于该技术的直接处理对象是数字图像，而随着科学技术和数字化技术的不断发展与更新，数字图像的分辨率和清晰程度不断扩大，因此，数字图像处理技术的测量精度也在不断提升。由于数字图像测量技术的上述优点，使得 DIC 技术被广泛接受，并被视为测量表面变形的一种有力而又灵活的工具五、光学测量方法在复合材料疲劳微观损伤实时测试中的应用试验表明，碳纤维增强树脂基复合材料的表面应变是不均匀的。可以在复合材料疲劳试验件的表面喷涂散斑，在疲劳加载的过程中，捕捉 Pmax 和 Pmin时的试件表面图像，利用数字图像技术（DIC） ，对两幅图像进行分析，进而可以获得试件表面的位移场和应变场。研究认为，复合材料的疲劳破坏是在循环加载的过程中，材料的刚度不断降低导致的。研究试件表面的应变场，可以推导出复合材料表面的刚度分布以及整个场内的平均刚度。为复合材料疲劳损伤的理论提供支持。并且有助于研究疲劳损伤起始与扩展的机理。
