1、 引言

汽车轻量化是目前汽车行业发展中一项非常重要的项目。有研究数字表明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高至（6~8）%［1-2］。汽车轻量化的三个途径之一是应用高强度的轻质材料［3］，钛合金作为一种高强度的轻质材料正好可以满足该需求。在汽车车身结构的生产过程中，冲压具有生产效率高、加工精度高和生产产品相对低廉的特点，在工业生产中占有重要的地位［4］。数字图像相关技术是指利用双目CCD相机对喷涂散斑的被测试件表面进行图像采集，对采集后图像上的散斑形状和位置进行匹配计算，并最终获得所需的位移应变。文献［5］发展了一种1200℃高温环境下全场高温变形测量的新技术，且测量精度高。文献［6］提出了一种基于数字图像相关法和双目视觉技术的全场三维应变测量方法，应变测量精度可到0.5％。数字图像相关法具有不受温度限制，非接触测量，实时变化可观测，高精度等优点［5-7］，可以在极短的时间间隔内对试件的表面变化进行图像的采集。近年来在板材成型过程的研究中发挥了重要的作用［8-10］。

钛合金的成型技术有很多包括铸造成型、锻造成型、焊接成型、粉末注射成型、温压成型、热静压成型等［11］。汽车的壳体等零部件在研制和制造过程中都需要使用液压成型技术，获取所需的外形，在成形过程中不可避免的会使板材受到尖顶力的作用。板材在受尖顶力时会产生应力集中的现象，在该情况下最容易对板材产生破坏，因此极具研究价值。

利用数字图像相关法，通过自行设计的实验平台对不同宽度和不同温度的钛合金试件利用尖顶顶头进行成形-破坏试验，使得板材发生形变直至破坏，进而获得试件的实时全场位移与应变分布云图及相关数据，并对获得的数据进行分析。

2 、数字图像相关法的成形-破坏试验

2.1 数字图像相关法原理

数字图像相关法是指通过双目相机对喷涂散斑的被测试件的变形过程进行极短时间间隔的图像采集，并对采集后的图像进行图像匹配。一般第一张采集的图像被称为参考图像，其他图像则称为变形图像。图像匹配是指在参考图像中选取任意一点C(x₀，y₀ )，以C(x₀，y₀ )为中心建立(2M + 1)*(2M + 1) 大小的矩形子区域A（参考子区域），选择合适的搜索方法在变形图像中根据预先设定的相关系数找到相似程度最大的最佳匹配区域B，进而得到参考图像中 P(xi，yj )在各变形图像中的对应点 P′(xi'，yj')。基本原理图，如图1所示。

在数字图像相关法的匹配过程中搜索方法、相关系数以及映射函数对匹配速度和精度有着极大的影响。在文献中涉及到的相关系数有很多，总体可以分为两大类分别是［12］：互相关类系数和最小距离平方和类系数，采用的相关系数，如式（1）所示。式中：

f₁ (x，y)—变形前子图像任意一点的灰度值；f₂ (x + u，y + v)—变形后图像中对应点的灰度值；p—相关参数向量。

映射函数有零阶、一阶，二阶等，阶数越高计算精度越高但同时计算量也会增大。在保证计算精度的前提下为了提高计算速度，采用一阶映射函数［13］，如式（2）所示。

2.2 板材成形-破坏试验

2.2.1 试验装置

试验测量装置主要由自行设计的试验平台、两个工业 CCD相机、两个 LED 光源、标定板、控制箱以及一台计算机等硬件组成。试验装置实物图，如图2所示。

两相机通过十字脚架固定在同一水平面，两相机相距366mm，试件距离相机水平面的垂直距离为640mm。整体试验装置示意图，如图3所示。图像采集频率为50ms；液压缸的上升速度为2.15mm/s，工作压力为20MPa；冲头及其尺寸，如图4所示。

2.2.2 实验材料与试件尺寸

实验材料为厚度 0.5mm 的 TC4钛合金板材，材料的化学成分，如表1所示。

2.2.3 实验过程

将所有待测试件用哑光漆进行散斑喷涂处理，得到的试样，如图6所示。

实验时，首先将喷涂散斑之后的被测试件装入夹具之中（对需要加热的试件需将装夹好试件的夹具用加热套进行包裹），通过平口钳固定在试验平台之上（对于无需加热的试件只需将装夹好的试件直接通过平口钳固定于实验平台之上即可）。

然后将液压装置固定在实验平台的指定位置，调整顶头位置，使用手持式红外测温仪对物体表面温度进行温度测量。待温度达到预期温度时开启DIC设备并将液压系统在复位状态下通电；启动液压缸并同时使用DIC设备对试件的变形情况进行图像采集。当试件被破坏后停止采集并将液压缸复位。

最后将采集的图像通过DIC设备自带的软件进行分析计算，得到试件在变形到破坏过程中的应变、位移等数据。

3、 实验结果与分析

TC4钛合金在成形-破坏实验过程后，试件均在顶头尖顶处先发生破坏，断裂后的试件实物图，如图7所示。

TC4钛合金试件在不同温度和宽度条件下断裂前一刻的位移场云图和应变场云图，如图8~图13所示。

常温下宽70mm和宽120mm的试件在破裂前一刻的位移场云图，如图8、图9所示。100℃下宽70mm试件的破裂前一刻的位移场云图，如图10所示。从三幅位移场图图中可以看出位移X、位移Y和位移E在试件中心部位呈现出近似同心圆的形状；但位移Y则呈现出从中心部位沿垂直方向向上方的变化趋势比向下方的变化趋势缓慢，不同宽度和温度的试件的在破裂前一刻中心部位沿垂直方向（Y轴）位移Y的变化趋势图，如图14所示。从图中可以更加清晰的看出该变化趋势。

通过对比图11、图12可以看出破裂前一刻温度对TC4钛合金板材的应变场变化有较大影响，在100℃下的应变场值远大于在常温下的应变场值；通过图11、图13的对比可以看出相同温度下，在破裂前一刻试件宽度为 120mm的应变场最大值大于宽度为70mm的试件，说明试件的宽度对TC4钛合金板材的应变场变化有一定的影响。从应变云图颜色变化可以看出常温下的试件应变场变化率沿Y轴近似对称分布，而100℃下的试件左侧变化率明显小于右侧的变化率。

从整体的位移场云图和应变场云图可以看出位移场的变化为中心点处的数值最大向四周逐渐减小，距离中心处越近变化幅度越大，应变场的变化趋势较位移场更加明显。应变场云图的数值为正的部位远远多于数值为负的部位，说明在变化过程中绝大多数部位有的承受拉应力，少量有的部位承受压应力。

破裂前一刻常温下 70mm和120mm宽度试件位移E最大值沿图 15截点排列位置方向两侧位移的变化趋势，如图 16所示。

通过图 16 可以看出 120mm 宽度试件在位移 E 两侧变化趋势接近线性变换，即沿 X 轴方向位移 E 的变化率基本保持不变；70mm 试件在位移 E 两侧位移变化率呈现出越接近中心最大值的部位位移变化率越大，越远离中心最大值的部位位移变化率越小。成形开始至破裂前一刻 Z 位移最值点与时间的变化图，如图 17 所示。从图中可以清晰的看出 100℃的 TC4 钛合金在成形-破坏过程中存在一段类似钢拉伸过程中的屈服阶段，常温下的 TC4钛合金在该过程中不存在此类现象。所有试件在试验过程中采集频率统一为 50ms，从时间变化过程中可以看出常温下宽为 120mm 和 70mm 的 TC4 钛合金试件成形时长基本相同，100℃下的 TC4 钛合金在从成形开始至破裂过程中所用时常明显长于常温下的试件，说明 TC4 钛合金试件的温度对成形时间有影响。100℃下的成形-破坏时间长于常温下的时间。

4、 结论

通过对0.5mm厚的TC4钛合金板材开展了常温条件下成形-破坏试验，并利用DIC设备对常温下宽120mm和宽70mm的试件以及100℃下宽70mm的试件进行整个变形过程的全场实时位移和应变测量，分析了TC4钛合金板材在整个成形-破坏过程中的位移和应变的演化及其破裂过程。重点对位移进行了，通过分析

得出如下结论：

（1）整体上，位移场和应变场的变化均为中心处最大，四周最小；

（2）位移Y的位移场变化与位移X、位移Z、位移E有着明显的不同，位移Y的位移场在垂直方向（Y轴方向）存在断崖式变化，存在变化率突变现象；

（3）温度对成形开始至破坏所用的时间有影响，100℃下的试件用时略长于常温下的试件的用时；

（4）100℃的试件在变化过程中存在类似钢拉伸过程出现的屈服现象，而常温下试件不存在此类现象。

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