橡胶材料拉伸的三维应变测量

　　石油是地质勘探的主要对象之一，被称为“工业的血液”。在石油钻采的整个过程中，化工生产中，需用到弹性好、耐磨损的橡胶材料，例如封隔器、密封圈等。在石油化工生产中，橡胶密封圈装置与设备是保证安全生产和长周期运行的重要基础保障。

　　橡胶作为密封材料，若在使用时密封压力超过其载荷范围，会致使橡胶密封圈零件变形，给装置密封效果带来一定的负面影响，泄漏量也会随着压力变化而变化。为了保证橡胶材料的载荷能满足工程需要，需对其力学性能进行分析，不断改进材料性能，促进石油化工事业的持续发展。

　　一、测量需求

　　通过大变形拉伸实验，研究橡胶材料在拉伸应力作用下的变形情况，结合试验的方法对橡胶材料与金属材料的抗拉力学性能，结合有限元分析和实验结果，对特殊材质橡胶拉伸发生的应力、形变和位移进行测量，为提高橡胶材料综合力学性能提供数据依据。

　　二、原有检测方法

　　原有解决方案

　　传统的位移和应变检测方法往往采用引伸计与应变片等接触式方法进行，精度较高，但应变片需直接粘贴于式样表面，并通过接线的方式与采集箱连接，使用繁琐，且量程有限。

　　原有方案不足

　　如若针对于橡胶类材料的拉伸实验，由于材料本身的特殊性，不易黏贴应变片，再加之橡胶拉伸变形大，普通的引伸计和应变片量程不足，无法满足测量要求。

　　三、新拓的DIC测量方案

　　橡胶材料属于超弹性体，是不可压缩且具有高度非线性的复合材料，应力-应变曲线不呈线性变化，其力学性能和物理属性完全不同于金属材料，具有复杂的本构关系，难以用确切的力学模型进行描述。

　　采用新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，可实现非接触式的位移、应变测量，从试验数据处理上，对材料的弹性力学性能进行研究，XTDIC系统在材料拉伸过程中同步进行数据采集，利用XTDIC分析软件进行全场位移和应变的分析。

　　本次测试为橡胶类拉伸，考虑到式样小且变形量大，故采用像素高达1200万（4096pixel*3000pixel）的工业相机。设置工业相机1秒23帧的采样速率，试验机与工业相机同步开启，直至试样断裂，完成整个拉伸过程的采集。

　　1、金属试件拉伸测试

　　金属材料拉伸测试是金属强度值的常用方法，通过分析金属材料拉伸的应力-应变数据，可获得金属材料在不同阶段所体现的力学性能特征，以便于更好地掌握金属材料的载荷能力。

　　被测试样为带有预制孔的金属材料，通过XTDIC系统软件计算获得金属材料的位移场：

　　通过XTDIC系统软件计算区域内各点的位移，然后再根据全场位移计算得到被测金属材料的应变场：

　　2、特殊材质橡胶试件拉伸测试

　　石油化工对橡胶材料橡胶产品的使用寿命、品质要求严苛，对橡胶拉伸性能的考察就成为了橡胶质量好坏的一项重要指标。通过特殊材质橡胶拉力测试，可分析材料的力学性能，如伸长量、应力、应变、破坏值等。

　　由于橡胶材料的不均匀性，使负载分布不均匀，应力集中形成局部断裂点，同时生成微裂缝；微裂缝聚集成大的主裂缝，从而引起最终的断裂。采用XTDIC系统软件对采集图像和目标图像进行分析，输出被测橡胶试件的变形位移场：

　　对待测试件的位移场数据进行自适应平滑处理，对平滑处理后的位移场进行差分处理输出高精度应变场：

　　基于试验机拉伸载荷数据，XTDIC系统通过计算载荷和原始面积、伸长和原始标距，得到应力-应变曲线：

　　四、方案价值

　　在材料数值模拟中，由于特殊体质橡胶材料特性具有不确定性，在相同结构模型的两个样本上测试，可能显示出各异的动态行为。另外，在特殊体质橡胶和金属材料的拉伸性能测试中，可以看出橡胶材料的弹性特性相比金属材料有着明显优势。

　　试验实测数据与预测结果基本吻合，新拓三维XTDIC全场应变测量系统适用于测量材料拉伸大变形测量，系统配置工业相机精度足够高，可以测量细小体积材料的大变形，通过对比有限元数值模拟和DIC的数据结果，来修正数值模型数据，以达到在石油化工所涉及橡胶制品的技术参数、工艺性能需求。