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2023年4月杂志俱乐部:材料测试2.0
法布里斯·皮埃隆教授
南安普顿大学，英国
MatchID NV，根特，比利时
通过CCD/CMOS相机进行数字成像已经成为21世纪的重大技术突破之一。这样的相机现在在我们身边无处不在:智能手机、闭路电视、体育转播、野生动物观察等。它们的成本一直在下降，而性能却在急剧提高。这种相机也在材料和结构的机械测试方面掀起了一场革命。通过“数字图像相关”(DIC)等数字图像处理算法，现在可以跟踪附着在变形表面上的随机灰度模式的3D位移，精度可低至1/100像素。DIC始于20世纪80年代初，现在已经大量出现，自21世纪初以来已经有了商业软件。然而，由于对这项技术缺乏了解和信心，以及普遍缺乏培训、认证和标准，尚未将这项技术与材料测试紧密结合起来。由DIC提供的从几十个数据点到数十万个数据点甚至更多个数据点的转变所带来的范式变化，需要伴随着对测试方法的彻底重新设计，以充分发挥这项技术的潜力。
自第二次世界大战后电应变仪的发展以来，基于材料的测试并没有太大的变化。目前的ISO或ASTM标准主要依赖于简单的测试配置(例如单轴拉伸或3-pt弯曲)来提取材料参数，如弹性模量或屈服应力。基本概念是使用静定应力解，以便点应变测量足以确定本构参数。这与数值模拟形成鲜明对比，后者在过去几十年取得了惊人的进展。两者之间的差距越来越大，这在成本和效率方面产生了影响。因此，必须开发下一代数据丰富的基于图像的测试，即“材料测试2.0”(MT2.0)。参考文献[1]．图1说明了这个新的范例。单轴拉伸测试为每个加载步骤提供一个数据点，而MT2.0测试为每个测量点提供相当于一个MT1.0测试的数据点，从而产生一个非常丰富的数据库，从中可以更好、更有效地校准模型。
图1 -材料测试2.0概念的示意图
MT2.0中使用的两个主要工具是全场变形测量，如数字图像相关(DIC)或网格方法(GM)，以及逆识别工具，如虚拟场方法(VFM)或有限元模型更新(FEMU)。这两套工具现在都足够成熟，因此MT2.0的开发变得及时。MT2.0将通过减少测试次数来简化测试金字塔，改进材料模型的制定和识别，并促进创新的定制异质材料的出现，如纤维放置制造的复合材料或3D打印材料，这些材料的空间可变特性无法通过当前的标准测试可靠地获得。
下面链接的视频演示(2022年在法国洛里昂举行的IDDRG会议的主题演讲)解释了MT2.0的一般概念，并深入研究了各向异性塑性(钣金成形)的应用，尽管该概念可以应用于广泛的材料。最近发表了一篇关于MT2.0的评论文章[2]，概述了该领域的应用。
参考文献
[1]王志军，陈志军，材料测试技术与应用。从现场测量中识别本构参数的试验设计综述。应变，第57卷;N°1,e12370, 2021年。https://doi.org/10.1111/str.12370
[2]《材料测试2.0:简评》;应变，被接受，e12434,2023。https://doi.org/10.1111/str.12434
| 附件 | 大小 |
|---|---|
 材料测试2.0概念示意图 |
455.73 KB |
| MT20_plasticity_IDDRG_2022.png |
156.43 KB |
- Fabrice Pierron的博客
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评论
伟大的概述!几
伟大的概述!我的一些想法:
关于材料测试2.0的成本与之前的方法(如拉伸测试(材料测试1.0))的比较，我相信当采用只需要2D DIC的方法时，可以实现类似的成本。要做到这一点，所需要的只是一个相机和一种应用DIC模式的方法(例如，喷漆)。当然，这并不适用于所有问题。
评估方法时要考虑的一个关键因素是所需的用户专业知识水平。开发方法和软件，使非专业人员能够获得广泛问题的可靠结果，这一点至关重要。
不同的逆识别是一个开放的问题，对各种方法的持续研究可能会大大提高材料测试2.0的实用性。这包括利用机器学习和优化方面的现代进步，以及基于独特假设集的替代理论方法的发展，这些方法可以提供显着的优势(我目前正在研究这个领域的一些想法)。似乎可以解决的关键挑战包括实验信息的成本(立体DIC/二维DIC;更简单的实验测试)，覆盖范围更广的材料和变形制度，准确性，可靠性和用户的专业知识。
对Ben的回应
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谢谢你，本。我大体上同意你的观点，尽管我对2D DIC的使用有点怀疑。当然，在响应的弹性部分，不可避免的离面运动使得几乎不可能获得鲁棒弹性常数。已经发表了一些技巧来克服这个问题，但根据我的看法，需要额外的努力意味着立体dic仍然是最佳选择。就成本而言，额外的相机不是问题，校准所需的额外时间也不是决定因素。对于斑点，我认为我们应该远离喷漆，因为这不能保证高质量的测量，并且给不确定性量化增加了随机因素，例如会妨碍标准化。就像使用一个随机变化的应变计。
你对专业水平的评论很有趣，我当然部分同意。让我解释一下。如果我们谈论的是常规测试，比如材料特性，包括质量控制，我们需要实验室技术人员可以遵循的标准，以及详细的操作路线图。另一方面，在这个框架之外，DIC的复杂性类似于有限元模拟的复杂性，如果没有经过彻底的培训和对理论的理解就处理它是一种灾难。对于数值模拟，DIC带来了大量的信息，但在训练方面要付出代价。
至于数据反演，确实还有进步的空间，但是目前的工具(FE更新、VFM)已经足够成熟，现在可以建立新的mt2.0测试配置。抛开技术的本质不谈，我认为在本构材料模型的制定上有很大的改进空间。例如，对于各向异性塑性，屈服面模型是封闭的，即模型预测任何应力分量组合的行为。这是因为基于静态确定测试的识别只在每个测试的应力空间中放置一个点。在MT2.0中，我们有一个点云，因此可以使用b样条插值来制定屈服曲面，这将在测试激活的空间中提供非常稳健的数据。但这不会提供其他地方的任何信息。这可能被视为一个弱点，但我认为这是一个优势，如果你想在压力空间的特定部分获得数据，你应该在那里进行测试，提供数据。单轴测试不会告诉您任何关于双轴应力状态的信息。从某个实验窗口推断到另一个没有测试的窗口是非常危险的……