技术领域
[0001] 本
发明涉及材料检测技术领域，尤其是一种材料各向异性弹性常数检测方法、系统、装置及存储介质。
背景技术
[0002] 21世纪，随着信息科学技术的开拓和发展，在检测材料本构模型参数的技术手段上也有着诸多进展。特别是全场测量技术的广泛应用，使得材料弹性常数的分析与检测的精确度突破有了较大的进步空间。
[0003] 准确的材料
力学性能参数是各种力学分析和结构设计的
基础。如飞机
复合材料性能测试是一项非常重要的研究课题。一直以来由于受到试验设备以及试验方法的局限，研究人员往往无法全面评价材料的弹塑性性能、微观
变形损伤机制等参数，导致无法预测材料在实际服役中的失效行为，常常因此对人类的生命和财产造成巨大损失。特别地，对于解决材料弹塑性参数检测的问题，
现有技术多存在分析过程比较繁琐的
缺陷，难以通过单次试验获取到材料的多个弹性力学参数，往往需要重复多次试验，分析效率极为低下，试验的总体成本也很高；而且每次试验的外界条件难以做到完全一致，因此分析的结果容易出现较大
波动，
精度较低，这些问题目前亟待解决。
[0004] 名词解释：
[0005] 各向异性(anisotropic)：指物质的全部或部分化学、物理等性质随着方向的改变而有所变化，在不同的方向上呈现出差异的性质。
[0006] Voigt标记(Voigt notation)：将高阶自由标量的张量写成低阶张量(矩阵)形式的过程叫做Voigt标记，其规则叫做Voigt移动规则(Voigt kinematics rule)，在不同的参考坐标下有不同的分量。
发明内容
[0007] 为至少部分地解决上述技术问题，本发明
实施例的目的在于：提供一种材料各向异性弹性常数检测方法、系统、装置及存储介质，能够有效通过单次试验获取到多组材料的弹性力学参数，从而减少试验成本的投入，提高材料分析工作的效率。
[0008] 本发明实施例所采取的技术方案是：
[0009] 第一方面，本发明实施例提供了一种材料各向异性弹性常数检测方法，包括以下步骤：
[0010] 通过全场应变测量技术获取材料的变形位移及应变信息；
[0011] 基于特征函数虚场法建立多组虚场，各组所述虚场互不相同；
[0012] 根据虚功原理分别在所述多组虚场中对所述变形位移及应变信息进行分析，获取材料各向异性弹性常数信息矩阵；
[0013] 通过所述材料各向异性弹性常数信息矩阵对所述材料的各向异性弹性常数进行检测。
[0014] 进一步，所述通过全场应变测量技术获取材料的变形位移及应变信息这一步骤，其具体包括：
[0015] 划定材料的待
检测区域，获取所述待检测区域的体积、外表面积数据；
[0016] 通过全场应变测量技术获取材料的所述待检测区域的变形位移及应变信息。
[0017] 进一步，所述全场应变测量技术包括散斑干涉测量技术、
云纹法测量技术、格栅法测量技术和数字图像相关测量技术。
[0018] 进一步，所述基于特征函数虚场法建立多组虚场这一步骤，其具体包括：
[0019] 通过全场光学测量技术，获取材料的变形位移及应变信息，在m×n的网格上构建材料的应变场；
[0020] 从所述网格上获取材料的应变分量εx、εy和γxy，依次记为E1、E2和E3；
[0021] 根据所述应变分量分别建立第一材料应变信息增广矩阵和第二材料应变信息增广矩阵，其中所述第一材料应变信息增广矩阵为 第二材料应变信息增广矩阵为
Ec＝[E1 E2 E3]；
[0022] 对所述第一材料应变信息增广矩阵和第二材料应变信息增广矩阵进行奇异值分解，然后通过主成分分析得到第一材料应变信息增广矩阵和第二材料应变信息增广矩阵的主特征函数；
[0023] 通过所述主特征函数构建多组不同的虚场。
[0024] 进一步，所述根据虚功原理分别在所述多组虚场中对所述变形位移及应变信息进行分析，获取材料各向异性弹性常数信息矩阵这一步骤，其具体包括：
[0025] 根据虚功原理及完全各向异性复合材料的
应力应变关系，获取所述材料在应变场下的虚功关系；
[0026] 根据所述虚功关系及所述多组虚场，对所述变形位移及应变信息进行分析，获取材料的应变特征方程组；
[0027] 根据所述应变特征方程组，获取材料各向异性弹性常数信息矩阵。
[0028] 进一步，所述根据虚功原理及完全各向异性复合材料的应力应变关系，获取所述材料在应变场下的虚功关系这一步骤，其具体为：
[0029] 根据完全各向异性复合材料的应力应变关系及应力场和应变场关系，对所述材料在应变场下的虚功关系进行分析；
[0030] 所述虚功原理公式为： 其中，V为待检测区域的体积，ST为待检测区域的外表面积，σ为应力场，t为施加在待检测区域上的外力，u*为满足约束的任意*
虚位移场，ε为虚场；
[0031] 所述完全各向异性复合材料的应力应变关系为： 其中，σ1,σ2,σ6为应力场，Q11,Q12,Q16,Q22,Q26,Q66为
刚度矩阵的系数，ε1,ε2,ε6为应变场；
[0032] 所述应力场和应变场关系为：σ＝Cε，其中，σ为应力场，C为刚度矩阵，ε为应变场。
[0033] 第二方面，本发明实施例提供了一种材料各向异性弹性常数检测系统，包括：
[0034] 测量模
块，用于通过全场应变测量技术对待检测材料进行检测，并将测量结果传输至获取模块和显示模块；
[0035] 获取模块，用于获取材料待检测区域的体积、外表面积数据以及由测量模块测量得到的变形位移及应变信息，并将所述数据及信息传输至检测模块；
[0036] 检测模块，用于通过获取的各类数据及信息对材料的各向异性弹性常数进行分析检测；
[0037] 处理模块，用于对试验获取的检测结果进行存储或发送至显示模块进行显示；
[0038] 显示模块，用于显示由测量模块发送的测量结果和处理模块发送的检测结果。
[0039] 第三方面，本发明实施例提供了一种材料各向异性弹性常数检测装置，包括：
[0040] 至少一个处理器；
[0041] 至少一个
存储器，用于存储至少一个程序；
[0042] 当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行时，使得所述至少一个处理器实现所述的一种材料各向异性弹性常数检测方法。
[0043] 第四方面，本发明实施例提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行所述的一种材料各向异性弹性常数检测方法。
[0044] 上述本发明实施例中的一个或多个技术方案具有如下优点：本发明实施例通过获取材料的变形位移及应变信息，基于虚功原理结合特征函数虚场法所建立的虚场对所述变形位移及应变信息进行分析，从而得到材料各向异性弹性常数信息矩阵用以对其弹性常数进行检测，可以一次性获取到材料的多个力学参数，大大减少了材料力学试验成本投入，减少了材料弹性性能参数检测工作所用的时长，提高了工作人员进行材料分析工作的效率。
附图说明
[0045] 图1为本发明实施例的一种材料各向异性弹性常数检测方法
流程图；
[0046] 图2为本发明实施例的一种材料各向异性弹性常数检测系统的结构
框图；
[0047] 图3为本发明实施例的一种材料各向异性弹性常数检测装置的结构框图。
具体实施方式
[0048] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
[0049] 参照图1，本发明实施例提供了一种材料各向异性弹性常数检测方法，包括以下步骤：
[0050] S1：通过全场应变测量技术获取材料的变形位移及应变信息；
[0051] S2：基于特征函数虚场法建立多组虚场，各组所述虚场互不相同；
[0052] S3：根据虚功原理分别在所述多组虚场中对所述变形位移及应变信息进行分析，获取材料各向异性弹性常数信息矩阵；
[0053] S4：通过所述材料各向异性弹性常数信息矩阵对所述材料的各向异性弹性常数进行检测。
[0054] 本发明实施例主要针对材料各向异性弹性常数检测，提出了一种基于全场测量技术的检测方法，该方法具体为：通过现有的全场应变测量技术来对材料进行变形位移和应变测量，以
图像采集、对比结果的方式来分析材料的力学应变情况，从而获取到其弹性常数等材料构造参数。以数字图像相关法(digital image correlation DIC)为例，该方法对变形前图像中的感兴趣区域进行网格划分，将每个子区域当作刚性运动。再针对每个子区域，通过一定的搜索方法按预先定义的相关函数来进行相关分析处理，在变形后图像中寻找该子区域在变形后的
位置，进而获得该子区域的位移。对全部子区域进行计算，即可获得全场的变形位移及应变信息。
[0055] 本发明实施例中，通过特征函数虚场法建立六组不同的虚场。该步骤具体分为两部分，首先，通过对应变场进行重构获取得到材料应变信息增广矩阵，然后对所述材料应变信息增广矩阵进行主成分分析来确认其主要的特征函数，确认其主要的特征函数。这是由于全场应变数据是高度冗余的，所以所述材料应变信息增广矩阵中只有少部分
特征向量是有用的。然后基于离散特征向量的分段连续形式将虚功积分进行分段，从而获取到不同的虚场。
[0056] 由虚功原理可以得知，在当忽略物体的体积力和动力效应时，其可以表述为：其中，V为物体的体积，ST为物体的外表面积，σ为应力场，t为施加在
物体上的外力，u*为满足约束的任意虚位移场，ε*为虚场；而由Voigt标记知：(σ11,σ22,σ12)≡(σ1,σ2,σ6)，(ε11,ε22,ε12)≡(ε1,ε2,ε6)，结合应力场σ和应变场ε的关系：σ＝Cε，因此可以将虚功原理进一步表示为 C为刚度矩阵。
[0057] 对于上述获取到的虚场，在每一个虚场中基于虚功原理对变形位移及应变信息进行分析，即可得到六组不同的方程，将所述方程作为该物体材料的各向异性弹性常数信息矩阵，通过所述信息矩阵即可检测得到材料的各向异性弹性常数。
[0058] 进一步作为优选的实施方式，所述通过全场应变测量技术获取材料的变形位移及应变信息这一步骤，其具体包括：
[0059] 划定材料的待检测区域，获取所述待检测区域的体积、外表面积数据；
[0060] 通过全场应变测量技术获取材料的所述待检测区域的变形位移及应变信息。
[0061] 进一步作为优选的实施方式，所述全场应变测量技术包括散斑干涉测量技术、云纹法测量技术、格栅法测量技术和数字图像相关测量技术。
[0062] 进一步作为优选的实施方式，所述基于特征函数虚场法建立多组虚场这一步骤，其具体包括：
[0063] 通过全场光学测量技术，获取材料的变形位移及应变信息，在m×n的网格上构建材料的应变场；
[0064] 从所述网格上获取材料的应变分量εx、εy和γxy，依次记为E1、E2和E3；
[0065] 根据所述应变分量分别建立第一材料应变信息增广矩阵和第二材料应变信息增广矩阵，其中所述第一材料应变信息增广矩阵为 第二材料应变信息增广矩阵为
Ec＝[E1 E2 E3]；
[0066] 对所述第一材料应变信息增广矩阵和第二材料应变信息增广矩阵进行奇异值分解，然后通过主成分分析得到第一材料应变信息增广矩阵和第二材料应变信息增广矩阵的主特征函数；
[0067] 通过所述主特征函数构建多组不同的虚场。
[0068] 本发明实施例中，首先在m×n的网格上构建材料的应变场，获取到材料的三个应变分量：εx、εy和γxy，记为E1、E2和E3。然后根据该应变分量构建第一材料应变信息增广矩阵第二材料应变信息增广矩阵：Ec＝[E1 E2 E3]，第一材料应变信息增广矩阵、第二
材料应变信息增广矩阵大小分别为3m×n和m×3n。分别对Er和Ec进行主成分分析，将其分解为 和 其中，Lr和Lc的列向量分别
包含Er和Ec的左特征向量；Sr和Sc分别为包含Er和Ec奇异值的主对
角矩阵；Rr和Rc的列向量分r c
别包含E和E的右特征向量。上述分解的一个显著优势是每个特征向量是一组
正交基，右特征向量是矩阵行空间的正交基，而左特征向量是矩阵列空间的正交基。
[0069] 而由离散特征向量的分段连续形式定义，所述材料应变信息增广矩阵的右特征向量可定为函数： Nk＝0,otherwise，其中， 为第k个格栅位置处的X1值，rk为右特征向量r的第k个成
分，X1、为主成分分析得到的增广矩阵的值，L1为增广矩阵的维度。
[0070] 同理 ，所述材料应变 信息增广矩阵的左特征向量可定为函数 ：Nk＝0,otherwise。其
中， 为第k个格栅位置处的X2值，lk为左特征向量l的第k个成分，X2为主成分
分析得到的增广矩阵的值，L2为增广矩阵的维度。由此，可以将虚功积分也分段表示为：
而由于特征向量的正交性，第i个和
第j个函数的内积结果为： 其中δij表示克罗内克函数。
[0071] 通过获取的材料应变信息增广矩阵左特征向量和右特征向量扩展得到的行空间r
和列空间的p维子空间重构应变场。以E的p个右特征向量进行重构为例，如果 为重构后
的应变分量E1，则 其中， 为包含Er的p个右特征向量的n×p矩
阵， 为沿Rr列向量、E1行向量的m×p矩阵。进一步可以得到 的第k行 为
下式： 其他的材料应变信息增广矩阵以及应变分量均可通过上述
方式进行重构。
[0072] 而材料的应变场ε1,ε2,ε6可以如下表示为p个主要右特征向量的线性组合：或者表示为主要左特征向量的线性组合：
将六组虚场分别设定为：虚场1(VF1) ：
虚场2(VF2)： 虚场3(VF3)：
虚场4(VF4)： 和虚场5(VF5):
[0073] 进一步作为优选的实施方式，所述根据虚功原理分别在所述多组虚场中对所述变形位移及应变信息进行分析，获取材料各向异性弹性常数信息矩阵这一步骤，其具体包括：
[0074] 根据虚功原理及完全各向异性复合材料的应力应变关系，获取所述材料在应变场下的虚功关系；
[0075] 根据所述虚功关系及所述多组虚场，对所述变形位移及应变信息进行分析，获取材料的应变特征方程组；
[0076] 根据所述应变特征方程组，获取材料各向异性弹性常数信息矩阵。
[0077] 进一步作为优选的实施方式，所述根据虚功原理及完全各向异性复合材料的应力应变关系，获取所述材料在应变场下的虚功关系这一步骤，其具体为：
[0078] 根据完全各向异性复合材料的应力应变关系及应力场和应变场关系，对所述材料在应变场下的虚功关系进行分析；
[0079] 所述虚功原理公式为： 其中，V为待检测区域的体积，ST为待检测区域的外表面积，σ为应力场，t为施加在待检测区域上的外力，u*为满足约束的任意虚位移场，ε*为虚场；
[0080] 所述完全各向异性复合材料的应力应变关系为： 其中，σ1,σ2,σ6为应力场，Q11,Q12,Q16,Q22,Q26,Q66为刚度矩阵的系数，ε1,ε2,ε6为应变场；
[0081] 所述应力场和应变场关系为：σ＝Cε，其中，σ为应力场，C为刚度矩阵，ε为应变场。
[0082] 本发明实施例中，提出了结合建立的虚场和材料力学边界条件获取材料各向异性弹性常数信息矩阵的方法，具体地，根据虚功原理的扩展形式 结合完全各向异性复合材料的应力应变关系，可以获得所述材料在应变场下的虚功关系，具体可表述为：
* * *
其中Q11,Q12,Q16,Q22,Q26,Q66为刚度矩阵的系数，ε1,ε2,ε6为真实的应变场，ε1，ε2，ε6为虚场，h为材料的厚度，s为材料的底面积。结合建立的六个虚场，可以得到如下方程：
[0083]
[0084]
[0085]
[0086]
[0087]
[0088]
[0089] 而由于考虑到虚场不沿行变化。考虑到特征函数的正交性，可得到材料各向异性弹性常数信息矩阵为：
[0090]
[0091] 也可将上述矩阵写成更紧凑的形式，AQ＝B。矩阵中的各个A可以通过h，ΔX1，ΔX2来获取，例如， 矩阵中的B则可以通过FA，ΔX1来获取，例如， 其中， FA为施加在子区域s上的净力，负号表示矢量方向。
通过上述材料各向异性弹性常数信息矩阵，即可得到六个材料弹性常数：Q11、Q12、Q22、Q16、Q26和Q66。
[0092] 显然，本发明实施例对材料各向异性弹性常数进行检测的方法在应用于各类材料分析时，可以通过一次试验获取到材料的六个弹性常数，这种检测方法大大提高了工作人员进行材料分析工作的效率，减少了材料力学试验成本投入。在进行复合材料测试的过程中，也可以很快地挑选出符合弹性条件的材料类型。同时由于本方法提高了弹性常数的检测精度，也有利于研究人员全面、正确地评估材料的弹塑性性能，从而更好地预测材料在实际服役中的失效行为，保障了材料在应用过程中的安全性和可靠性。
[0093] 参照图2，本发明实施例提供了一种材料各向异性弹性常数检测系统，包括：
[0094] 测量模块101，用于通过全场应变测量技术对待检测材料进行检测，并将测量结果传输至获取模块102和显示模块105；
[0095] 获取模块102，用于获取材料待检测区域的体积、外表面积数据以及由测量模块101测量得到的变形位移及应变信息，并将所述数据及信息传输至检测模块103；
[0096] 检测模块103，用于通过获取的各类数据及信息对材料的各向异性弹性常数进行分析检测；
[0097] 处理模块104，用于对试验获取的检测结果进行存储或发送至显示模块105进行显示；
[0098] 显示模块105，用于显示由测量模块101发送的测量结果和处理模块104发送的检测结果。
[0099] 本发明实施例中，公开了一种材料各向异性弹性常数检测系统，该系统可以选用光学测量装置来测量材料感兴趣区域的外表面积和体积，测量模块101可通过现有的VIC-3D测量系统结合数字散斑技术来获取材料感兴趣区域的应变数据，包括各种变形位移及应变信息，然后将测量得到的待检测区域(即感兴趣区域)的体积、外表面积数据和应变数据发送到显示模块105进行显示；同时获取模块102还将获取所述体积、外表面积数据和应变数据并发送到检测模块103，用以执行本发明方法实施例中的任一种材料各向异性弹性常数检测方法，最终得到的检测结果将由处理模块104进行进一步优化处理后存储到系统中或者发送给显示模块105进行显示。
[0100] 可见，上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
[0101] 参照图3，本发明实施例还提供了材料各向异性弹性常数检测装置，包括：
[0102] 至少一个处理器201；
[0103] 至少一个存储器202，用于存储至少一个程序；
[0104] 当所述至少一个程序被所述至少一个处理器201执行时，使得所述至少一个处理器201实现所述的一种材料各向异性弹性常数检测方法。
[0105] 可见，上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
[0106] 本发明实施例还提供了一种存储介质，其中存储有处理器201可执行的指令，所述处理器201可执行的指令在由处理器201执行时用于执行所述的一种材料各向异性弹性常数检测方法。
[0107] 同理，上述方法实施例中的内容均适用于本存储介质实施例中，本存储介质实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
[0108] 本发明实施例中，所述装置中包括至少一个处理器201和至少一个存储器202，所述存储器202用于存储至少一个程序，且所述程序用于被处理器201执行以实现本发明实施例任一项材料各向异性弹性常数检测方法。所述处理器201可以由包括
单片机、FPGA、CPLD、DSP、ARM等任一或多种处理器芯片及其外围
电路和程序所构成。本发明实施例中，所述存储器202所采用的存储介质形式可以是但不限于电、磁、光、红外线、
半导体的系统、装置或器件，也可以是任意以上形式所组成的组合。具体地，可以包括但不限于：具有一个或多个
导线的电连接、便携式计算机磁盘、
硬盘、随机
访问存储器(RAM)、
只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件或者上述任意形式所组成的组合。存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，所述程序可以被指令执行系统执行。所述存储器202上包含的程序可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。所述程序的代码可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言，诸如“C”语言或类似的程序设计语言。所述程序可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的
软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或
服务器上执行。
[0109] 在本
说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“另一实施方式”或“某些实施方式”等的描述意指结合实施方式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方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
[0110] 尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、
修改、替换和变型，本发明的范围由
权利要求及其等同物限定。
