《基于DIC技术的低温环境下液态金属疲劳应变特性研究》

本文复盘了-20°C低温环境下，运用数字图像相关Digital Image Correlation (DIC)技术对液态金属疲劳应变场进行测量的实验过程与相关成果。通过实验背景、实验设备、实验步骤、实验数据及结果的阐述，为仿生机器人膝关节材料选择与结构设计提供理论依据和实验支持，拓展DIC技术在低温领域的应用前景。

仿生机器人在极地科考、工业巡检等低温环境下应用场景日趋增多。其运动关键部位如膝关节在反复的机械载荷下会产生疲劳特性，影响机器人的可靠性与灵活性。

液态金属因其良好的柔性和导电性，是关节部位的理想材料，为确保关节长期稳定运行，研究其低温环境下运动弯曲过程中的疲劳应变特性是关键。

传统接触式应变测量存在量程有限，测量点少，使用繁琐的限制，且有可能会出现贴合不牢，脱落的风险，而DIC（Digital Image Correlation，又称数字散斑相关法）测量适用于任何材质的对象。测量对象尺寸范围广，测量结果包含全场多点、多方向测量，同时可获得三维坐标，三维位移及应变。

近日，千眼狼技术工程师助力某材料实验室开展了基于DIC技术的低温环境液态金属疲劳实验。

1）观测膝关节从初始变形至断裂的整体过程。

2）分析低温环境下疲劳试验进行时表面的应力集中以及应变分布。

3）为仿生机器人材料选择和结构设计，提供数据支撑。

实验采用千眼狼Revealer 三维DIC测量系统，具体配置：

1）高分辨率高速相机：分辨率4096*3000；最大采集频率：30fps；数据接口：USB3.0；配备35.5mm口径偏振片以及440nm蓝光窄带带通滤波片，用于抑制环境光对实验的影响。

2）千眼狼三维应变测量装置：多自由度调节相机间距及夹角；适用于多种测量视场；集成偏振照明光源和水平仪；系统集成式高；支持工业相机间同步触发；可支持红外相机安装。

3）标定板：确定空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系，规格12*9矩阵3mm点间距圆点标定板。

4）千眼狼RDIC应变测量软件，支持全场表面三维坐标、位移及应变计算。

1）低温环境架设：

• 实验箱恒温控制至-20°C，试件（300×30 mm液态金属薄片）预冷至稳态。

• 双相机凝视试件，镜头选取50mm定焦镜头，通过镜头调节视场、光圈、画面清晰度至合适位置。

• 补光光源进行调节，使双目站内双相机成像反光强度最低，使全场光照均匀。

2）标定与验证：

• 打开相机，选取3mm点间距的标定板(占图像大小的1/2-3/4)，将标定板放置到试件所在位置，进行双目标定。

• 标定后移除标定板，确保试件表面散斑清晰度。

  

3）数据采集与分析

• 设置采集频率3fps，连续采集膝关节运动过程1小时，总采集帧数10800帧。

• 通过RDIC软件新建分析，调用“三维重建和应变计算”生成位移或应变结果。

通过RDIC应变测量与分析软件对采集数据进行处理，生成液态金属在疲劳过程中的应变云图，直观展示了液态金属表面应变的分布情况。应变云图显示，膝关节弯曲部位应变幅值最大，表明运动过程中承受了较大变形。应变云图的变化趋势显示了材料应变积累，初始阶段应变分布均匀，随着载荷的反复，应变集中区域逐渐明显，且应变幅值逐渐增大。

通过对液态金属表面多个测量点的拉格朗日微应变数据统计分析，每个运动周期内，最大主应变值随着膝关节弯曲和伸展相应增大减小，变化范围在200με到800με之间。随着疲劳循环次数增加，材料最大主应变值逐渐增大，验证了材料在低温环境下的疲劳损伤累积。另通过微应变数据的空间分布分析，发现应变的梯度变化集中在膝关节转角区域，表面此处是材料在疲劳过程中容易出现损伤的部位。

实验详细的应变云图和拉格朗日微应变数据分析结果，为理解液态金属在低温环境下的疲劳应变机制提供了有力的数据支持，为仿生机器人膝关节的结构优化与材料改进提供了关键依据。千眼狼DIC技术以非接触、全场测量的优势，为极端环境下的材料研究提供有效工具，助力仿生机器人等领域材料与结构创新。