数字散斑DIC技术用于PBX模拟物压装过程中的颗粒流散与变形测量

背景与挑战

研究对象： PBX是高能炸药颗粒与高分子粘结剂混合形成的颗粒状含能复合材料。其最终性能（如力学强度、爆轰性能、安全性）高度依赖于压装成型工艺的质量。

工艺关键点：压装过程涉及颗粒粉体在模具内的流动（流散性能）和在压力作用下的变形与致密化。颗粒能否均匀填充模具、减少空隙，以及压装过程中内部应力和变形的分布，直接影响压装件的密度均匀性、力学完整性和最终性能。

三维应变测量分析装置-定制隔爆罩

传统测量局限：

流散性能：通常依赖宏观指标（如休止角）或破坏性解剖后的密度测量，无法实时、非接触地观测模具内颗粒的动态流动行为。

压装变形：传统应变片只能提供离散点信息，无法捕捉模具内粉体/压坯的全场变形；接触式测量（如LVDT）可能干扰粉体流动；X射线/CT虽能内部成像，但成本高、实时性差，且对表面运动观测有限。

解决方案：DIC技术的应用

数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC）作为一种非接触、全场光学测量技术，为解决上述挑战提供了强有力的工具。

DIC技术通过追踪物体表面（或近表面）预先施加的随机散斑图案在变形前后的灰度分布变化，利用相关算法计算出全场位移和应变。

本案例应用设计：

目标：定量研究PBX模拟物（使用惰性、力学性能相似的非爆炸颗粒，如砂糖、特定塑料颗粒等，确保实验安全）在单轴压装过程中的：

模具内颗粒的流散行为（填充均匀性、流动模式）。

压装过程中颗粒集合体及最终压坯的全场位移与应变分布（变形机制、致密化过程）。

1、三维应变测量分析装置

XTDIC三维全场应变测量系统选配相机：搭配两台500万像素工业相机；两台400万像素高速摄像机。工业相机最大帧率为35fps；高速相机最大帧率为500fps。

测量指标：

应变精度≤0.01%；位移精度≤0.01mm；应变范围 0.01%- 1000%；

被测物尺度支持10mm-5000mm范围的测量幅面，可定制更多测量幅面。

对XTDIC三维全场应变测量系统进行现场测试，测试静态跳动应变≤0.01%；位移精度≤0.01mm。

DIC软件测试分析，最大应变测量范围可达1000%，应变测量范围为0.01%- 1000%。

支持试验机力信号的串口通讯或者模拟型号接入，可计算材料的弹性模量、泊松比、R 值和 N 值等参数。

2、显微应变测量分析装置

新拓三维显微DIC应变测量系统搭配两台500万像素工业相机，最大帧率为75fps。搭配光学体式显微镜，变倍比为12.5倍，可实现0.8x-10x倍率变化。

测量指标：

测量幅面：2mm-10mm。应变测量范围：0.005%-1000%； 位移最高精度 0.005mm,应变最高测量精度：0.005%

显微应变测量装置测试，其位移静态跳动偏差在0.005mmn内，应变精度在0.005%内。

显微DIC软件可实现1000%应变测量，结合0.005%应变精度，软件可实现0.005%-1000%应变测量范围。

显微应变测量装置配置防爆防护罩：

3、小型力学试验机装置

本系统配置防爆型小型力学试验机1套，满量程测力范围为0.4%-100% ，最大负荷为500N，精度等级为0.5 级。

与新拓三维显微DIC测量系统搭配，用于微型稳态拉伸试验，最大负荷可达2kN，测量精度等级符合0.5级，试验机满量程测力范围为0.4%-100%。

4、温度测量装置

本系统配置接触式多路温度记录仪，非接触式测温仪各一套。接触式温度记录仪，分辨率为0.1℃；测温范围：-50℃到300℃。

非接触式测温仪一套，其测温精度为2℃, 并具有温度场记录功能。热成像像素640× 512，像元大小17 μm，测温范围：-20°C~+550°C。

多维度细观造型粉颗粒动态分析实验流程

（1）将造型粉颗粒放置于压制容器内，将测量装置架设到合适的测量位置。

造型粉颗粒与DIC测量装置

（2）试验机进行压缩，DIC双目相机同步采集数据。

（3）DIC软件计算分析，获取位移场、应变场、温度等数据。

三维应变测量装置分析数据结果

下图为XTDIC三维应变测量系统分析装置位移场云图，位移量随加载时间逐渐增大，云图整体位移量从上往下依次减小，与理论预期一致。

位移场云图

下图为三维应变测量分析装置应变场云图，应变量随加载时间逐渐增大，在局部位置出现应变集中现象，与理论预期一致。

应变场云图

DIC显微应变测量装置分析数据结果

下图为DIC显微应变测量系统，分析装置加载过程位移场云图，位移量随加载时间逐渐增大，云图整体位移量从左到右依次减小，与理论预期一致。

位移场云图

下图为DIC显微应变测量系统分析装置加载过程应变场云图，应变量随加载时间逐渐增大。最大应变量为0.0001（即100微应变），可以看到明显的应变逐渐递增趋势。

应变场云图

温度数据与温度场分析数据结果

下图为接触式测量仪测量数据。软件可直观显示三路传感器的温度数据。

接触式测温仪数据

下图为红外相机测量温度场数据。软件可直观显示温度场云图。

温度场云图

试验结果表明，采用多维度细观造型粉颗粒运动数字散斑动态分析装置，可分析造型粉颗粒在分布压装过程中的位移场、应变场计算结果，结合DIC显微应变测量系统，可分析微观尺度下的位移场与应变场，并实时观测压装过程中温度变化结果，有助于开展炸药流散性以及分步压装工艺相关试验研究工作。