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学院工程与计算

  • 萨顿博士与研究生合影

力学、材料和无损评估中心

材料力学和无损评估中心开发和应用数字图像相关和其他先进的测量和建模技术来评估和量化材料和结构行为。

概述

材料力学与无损评估中心(CMOMNDE)于1983年由南卡罗来纳州在南卡罗来纳大学成立。bob官方体育登陆认识到材料的经济重要性和关键部件的现场监测,该中心被特许在材料力学和无损检测方面进行长期的研究和开发。该中心促进了与工业界、政府机构和大学研究人员的有效互动。


研究的优点

数字图像相关性(DIC)是CMOMNDE研究人员首创并继续开发的变形和形状测量技术。DIC应用计算机视觉技术,通过在实验或应用过程中跟踪表面图案的运动来测量全场表面变形。在变形过程中获取一对或一系列表面图案图像,并将其离散成子集。连续子集之间的最大相关性决定了子集位移张量。全场应变以亚像素精度计算。DIC已成功用于表征粘弹性生物材料,确定具有复杂几何形状的裂纹部件的应力强度因子,分析冲击,并在高倍、高温和恶劣环境下测量变形。

理论和先进的计算力学,再加上实验测量,为准确预测材料和部件的力学响应提供了强有力的基础。CMOMNDE研究人员使用各种商业和定制软件进行有限元和其他数值分析。结合有限元建模的逆分析方法可以通过模拟预测与实验测量相匹配来识别粘弹性各向异性本构模型的材料参数值。


该中心由迈克尔·萨顿机械工程特聘教授,美国国家工程院院士。附属教师和学生具有材料科学,制造工艺,理论,计算和实验力学以及计算机视觉技术在实验力学中的应用背景。


选择项目:

为了测量生理学淹没型微动脉瘤膨胀-延伸测试过程中出现的不均匀三维应变场,开发了一种立体数字图像相关(StereoDIC)显微镜系统,该系统围绕中心安装的目标旋转15°立体角摄像机。使用淹没点模式进行校准,并使用斑点图案的微动脉瘤替代品的刚体运动的应变和变形分析验证系统精度。Green-Lagrange应变张量和三维位移场在120 min后仍然稳定,各分量的应变偏置和应变标准差最大值均小于2E-03,位移标准差最大值均小于微米级。

采用StereoDIC方法定量了在平面复合材料表面沿直线和圆形路径预先铺放纤维时,6.35 mm宽和0.16 mm厚的碳-环氧纤维束的起皱情况。在放置后获得的测量结果提供了定量的变形场,包括放置过程中出现的面外皱纹。结果表明,褶皱发生在衬底有缺陷的位置。结果还表明,只有当曲率半径小于2540 mm时,其他部位才会出现褶皱。

当试图表征材料在瞬态加载时间内的响应时,高速率拉伸加载的早期阶段是很重要的。为了更好地了解试件在瞬态阶段所处的条件,采用Kolsky拉伸杆系统进行了一系列高速率加载实验。通过对实验所用系统进行深入的特性分析,得到了试件在高速率加载实验中的力和速度。在加载过程中,原位全场试件位移、速度和加速度通过现代超高速成像系统进行量化,以提供试件响应的详细测量,重点是加载的早期阶段。对基于图像的测量的详细分析证实,在相对较薄的狗骨形拉伸试样中,条件名义上与使用一维波动方程所必需的条件一致。

具体地说,测量和一维波动方程的使用清楚地表明,与施加的透射力相比,试样具有低惯性应力。虽然试样的加速度持续了50 μs,但测量结果表明,试样在初始加载后几微秒就基本处于力平衡状态。这些局部测量结果与基于波的入射力测量结果的预测结果相反,后者表明平衡发生的时间要晚得多,大约在40-50 μs左右。



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