双轴载荷应变测试实验教学系统及方法与流程

本发明涉及先进制造技术领域，特别涉及一种双轴载荷应变测试实验教学系统及方法。

背景技术：

在传统的本科材料力学实验教学中，材料力学拉伸实验主要关注于利用传统的实验手段如电测法测量单一加载方式下的材料变形，例如利用应变片测量单向拉伸、弯曲和扭转等状态下的材料受力变形，并未涉及到复杂加载方式下材料的应力状态以及变形方式。而双轴拉伸实验是获得材料的力学本构参数的最为有效的实验手段之一，已被国际著名有限元软件供应商ABAQUS公司列为标准材料参数测量实验技术。而传统的应变电测法属于一种单点测量的方法，往往难以获得复杂加载方式下的全场位移、应变和应力分布，针对电测法的这一缺陷，数字图像相关技术提供了很好的解决方案。数字图像相关技术是目前实验力学领域最为活跃的前沿技术之一，该方法基于计算机视觉原理获得试件表面的全场变形信息，具有测量速度快和精度高的优点。

据调研，没有发现国内院校研制相似的双向加载光学测量系统，更没有发现把其用在材料力学实验教学中。因此，结合当前理工科材料力学实验教学的现状，在材料力学实验教学中提出基于数字图像相关技术的双轴拉伸专题实验的教学改革，研制了具有研究性的综合测量系统，将数字图像相关技术与双轴拉伸实验相结合，引导学生实时掌握国内外先进的实验技术，使学生能学以致用是十分必要的。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种双轴载荷应变测试实验教学系统。

本发明的另一个目的在于提出一种双轴载荷应变测试实验教学方法。

为达到上述目的，本发明一方面提出了双轴载荷应变测试实验教学系统，包括：加载组件用于旋转调节水平手轮和竖直手轮以施加载荷至目标值；采集组件用于采集施加载荷前的第一图像数据和施加载荷后的分级载荷图像数据；处理组件用于根据所述第一图像数据和所述分级载荷图像数据计算得到测试件表面的应变场。

本发明实施例的双轴载荷应变测试实验教学系统，通过将传统的实验与先进的数字图像相关方法相结合，可以很好的获得试件上任一点的应变、应力状态，具有设计思想新颖，结构紧凑，体积小巧，加载测量自成一体等特点。进而使得所涉及的实验内容具有研究性和创新性，用于实验教学中能够锻炼培养学生工程思维能力和创新实践能力，学生能够体验到实际加载过程中复杂的受力状态，直观地观测到双轴拉伸的应变场变化规律，更贴合工程实际的实验可以让学生掌握课本之外的实践知识，有效地分析和解决问题，极大地提高他们的综合实践能力。

另外，根据本发明上述实施例的双轴载荷应变测试实验教学系统还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述加载组件包括：力传感器，用于采集施加载荷的当前值；判断模块，用于判断所述当前值是否达到所述目标值；控制器，用于在所述当前值达到所述目标值时，停止施加载荷。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述采集组件包括：至少一个摄像头；处理模块，用于根据所述至少一个摄像头采集的图像信息得到所述第一图像数据和所述分级载荷图像数据。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述至少一个摄像头设置于竖梁上。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述处理组件进一步用于通过数字图像处理方法对第一图像数据和所述分级载荷图像数据进行数据处理，获取所述试件表面的位移和所述应变场，以获得双向加载方式下结构的应力状态。

为达到上述目的，本发明另一方面提出了一种双轴载荷应变测试实验教学方法包括以下步骤：旋转调节水平手轮和竖直手轮以施加载荷至目标值；采集施加载荷前的第一图像数据和施加载荷后的分级载荷图像数据；根据所述第一图像数据和所述分级载荷图像数据计算得到测试件表面的应变场。

本发明实施例的双轴载荷应变测试实验教学方法，通过将传统的实验与先进的数字图像相关方法相结合，可以很好的获得试件上任一点的应变、应力状态，具有设计思想新颖，结构紧凑，体积小巧，加载测量自成一体等特点。进而使得所涉及的实验内容具有研究性和创新性，用于实验教学中能够锻炼培养学生工程思维能力和创新实践能力，学生能够体验到实际加载过程中复杂的受力状态，直观地观测到双轴拉伸的应变场变化规律，更贴合工程实际的实验可以让学生掌握课本之外的实践知识，有效地分析和解决问题，极大地提高他们的综合实践能力。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的双轴载荷应变测试实验教学系统结构示意图；

图2为根据本发明实施例的双轴载荷应变测试实验教学系统实体图；

图3为根据本发明实施例的双轴载荷应变测试实验教学系统中的采集组件结构示意图；

图4为根据本发明实施例的双轴载荷应变测试实验教学系统具体实施例的结果图；

图5为根据本发明实施例的传统实验电测法作为对比所用设备电阻应变仪的结构示意图；

图6为根据本发明实施例的传统实验电测法中采用十字双轴拉伸试件的结构示意图；

图7为根据本发明实施例的双轴载荷应变测试实验教学方法流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的双轴载荷应变测试实验教学系统及方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的双轴载荷应变测试实验教学系统。

首先，数字图像相关方法是国际上一种被大家广泛重视和应用的前沿光测手段之一，该方法在材料或构件的变形和破坏失效的观测上得到了长足的发展。测量构件表面的位移场和应变场的分布规律以及应力集中和残余应力等，可以应用于新型材料的力学性能测试，完成传统力学实验手段无法完成的工作。但是商业化的数字图像相关测量设备价格昂贵，体积庞大，不适用于小型空间的加载装置，同时也不适用于实验教学中，因此，本发明实施例自主搭建符合特殊需求的特定的数字图像相关测量系统，即双轴载荷应变测试实验教学系统。

图1是本发明一个实施例的双轴载荷应变测试实验教学系统结构示意图。

如图1所示，该双轴载荷应变测试实验教学系统10包括：加载组件100、采集组件200和处理组件300。

其中，加载组件100用于旋转调节水平手轮和竖直手轮以施加载荷至目标值。采集组件200用于采集施加载荷前的第一图像数据和施加载荷后的分级载荷图像数据。处理组件300用于根据第一图像数据和分级载荷图像数据计算得到测试件表面的应变场。本发明是实施例的实验教学系统形成了一套加载测量自成一体、操作简便和高效易用的测量系统，可以实现小型化实验装置近距离的光学测量，还可以高效便捷地用于实验教学的仪器设备，且加载简单，测量方便。

进一步地，在本发明的一个实施例中，如图2所示，加载组件100包括：力传感器用于采集施加载荷的当前值；判断模块用于判断当前值是否达到目标值；控制器用于在当前值达到目标值时，停止施加载荷。

需要说明的是，试件为超弹性材料，如橡胶在工业生产中应用广泛，为创建其本构模型，要拟合多种应变状态下的实验结果，以便本构模型能有效分析各种复杂应变状态。描述橡胶材料基本力学性能的应力应变关系包括三类：单向拉伸、单向压缩、平面剪切。对于单轴压缩，由于受力复杂不能获得理想实验数据，采用与理想压缩实验完全等效的双向拉伸实验，利用数字图像相关技术配合双轴拉伸实验，可以快速准确地获得实验数据。针对双向拉伸实验的测量，传统的测量手段采用应变电测法，测量获得的往往是某一固定点的应变状态，对于双向拉伸的情况，应变电测法的单点测量则不足以反映双向加载下的应力状态。因此，本发明实施例将复杂受力状态的实验与先进的数字图像相关方法相结合，可以很好的获得试件上任一点的应变、应力状态，进而解决该类工程课题，为解决实际工程问题提供便捷高效的实验手段。

进一步地，在本发明的一个实施例中，如图3所示，采集组件200包括：至少一个摄像头和处理模块，其中，处理模块用于根据至少一个摄像头采集的图像信息得到第一图像数据和分级载荷图像数据。

需要说明的是，在本发明实施例中至少一个摄像头设置于竖梁上。

进一步地，处理组件300具体用于通过数字图像处理方法对第一图像数据和分级载荷图像数据进行数据处理，获取试件表面的位移和应变场，以获得双向加载方式下结构的应力状态。

也就是说，本发明实施例集成了一个完整的系统，加载方式通过旋转调节两个方向的手轮，来改变施加载荷的大小，并通过力传感器(设计加工)进行反馈，判断载荷是否达到目标值，从而实现准确加载的目的。系统的竖梁上设有微型拍照系统，即至少一个摄像头201和处理模块202，通过该系统可以对试件变形前后进行数字图像采集，将采集到的第一图像数据和第二图像数据经过数字图像相关技术进行数据处理，从而获得试件表面的位移、应变场，从而获得双向加载方式下结构的应力状态。

下面结合具体实施例对本发明实施例做进一步描述，其中，实施例中的数据和实验结果仅是示例，不能看作是对本申请的限制。

为未优化的数据。

本发明实施例在设计时充分考虑了灵活、小型化及集成化的特点，该测试系统具备装配能自主加载，通过载荷显示仪实时显示力值。同时自主搭建了微型数字图像相关测量系统集成于加载系统，成为一个有机的整体，测量方式于是由传统的电测法变为数字图像相关测量方法，将原有的单点数据扩充为场数据，直观表明了试件平面应变场的分布。如下：

1)系统可以准确控制施加载荷

测量范围5000N，精度千分之五。

2)微型数字图像相关测量系统

帧率：30fps；像素：1280*1024；像元尺寸：5.3*5.3um；光学尺寸：1/8”

3)测量区域

反映复杂的工程实际，其受力状态为平面应力状态。

测试手段：光测法对比电测法

测试条件：手轮双向加载使得水平方向和竖直方向的载荷达到预定值，实现平面应力状态，然后用数字图像相关技术测试应变场。

测试结果：采用双向加载的方式，均施加2000N的载荷，如图4所示，分别采用应变电测法和数字图像相关方法测试试件中间区域的应变分布。

然而，如图5和6所示，传统的复杂受力状态的实验中采用电测法，利用电阻应变仪和十字双轴拉伸试件进行一种单点测量的方法，很难获得复杂加载方式下的全场位移、应变和应力分布。

因此，根据本发明实施例提出的双轴载荷应变测试实验教学系统，通过将复杂受力状态的实验与先进的数字图像相关方法相结合，可以很好的获得试件上任一点的应变、应力状态，具有设计思想新颖，结构紧凑，体积小巧，加载测力自成一体等特点，进而使得所涉及的实验内容具有研究性和创新性，用于实验教学中能够锻炼培养学生工程思维能力和创新实践能力，学生能够体验到实际加载过程中复杂的受力状态，直观地观测到双轴拉伸的应变场变化规律，更贴合工程实际的实验可以让学生掌握课本之外的实践知识，有效地分析和解决问题，极大地提高他们的综合实践能力。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的双轴载荷应变测试实验教学方法。

图7是本发明一个实施例的双轴载荷应变测试实验教学方法流程图。

如图7所示，该双轴载荷应变测试实验教学方法包括以下步骤：

在步骤S101中，旋转调节水平手轮和竖直手轮以施加载荷至目标值。

在步骤S102中，采集施加载荷前的第一图像数据和施加载荷后的分级载荷图像数据。

在步骤S103中，根据第一图像数据和分级载荷图像数据计算得到测试件表面的应变场。

需要说明的是，前述对双轴载荷应变测试实验教学系统实施例的解释说明也适用于该方法，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的双轴载荷应变测试实验教学方法，通过将复杂受力状态的的实验与先进的数字图像相关方法相结合，可以很好的获得试件上任一点的应变、应力状态，具有设计思想新颖，结构紧凑，体积小巧，加载测力自成一体等特点，进而使得所涉及的实验内容具有研究性和创新性，用于实验教学中能够锻炼培养学生工程思维能力和创新实践能力，学生能够体验到实际加载过程中复杂的受力状态，直观地观测到双轴拉伸的应变场变化规律，更贴合工程实际的实验可以让学生掌握课本之外的实践知识，有效地分析和解决问题，极大地提高他们的综合实践能力。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。