水转印工艺与数字图像处理相结合-水转印栅线相移云纹法

主要研究发现及其对研究问题的影响

本研究通过创新性地将水转印工艺与数字图像处理相结合，提出了水转印栅线相移云纹法，成功解决了超弹性材料大变形测量的关键技术难题。以下是主要发现及其对研究问题的影响：

一、核心发现

1. 水转印栅制备技术的突破

• 成功将工业水转印技术应用于测量栅线制备，制备的栅线厚度仅35μm（图1），对试件附加影响极小，且适用于多种材料表面（包括曲面和生物软组织）。

• 与传统刻线、喷涂制栅方法相比，水转印栅具有操作简便、成本低、适用性广的优势。

2. 单幅图像高精度相位提取算法

• 通过计算机算术运算（试件栅与参考栅图像相减）生成数字云纹条纹（式3），结合Carré算法（式16）从单幅图像中提取变形相位，避免了传统物理相移的复杂性与误差。

• 滤波技术（3×11像素均值滤波+3×7像素正余弦相位滤波）有效分离高频栅线噪声与低频变形信号，提升相位计算精度（图5）。

3. 静态与动态大变形测量的实现

• 静态实验：聚氨酯圆环压缩变形测量结果与有限元仿真高度吻合（u场误差<5%，v场误差<5%），验证了方法的准确性（图6-7）。

• 动态实验：通过高速相机（32,000帧/秒）捕捉到冲击载荷下应力波传播的时空演化（图8），并计算出聚氨酯的动态弹性模量（83.65 MPa）显著高于静态模量（27.00 MPa），发现应变率硬化效应（图9）。

二、对研究问题的影响

1. 解决了超弹性材料大变形测量的技术瓶颈

• 传统光学方法（如激光干涉、云纹干涉）仅适用于微米级小变形，而数字图像相关法（DIC）需复杂标定与散斑制作。本研究提供了一种低成本、高精度、全场测量的替代方案，尤其适用于应变超过1000με的大变形场景。

2. 推动了动态力学行为研究的实验方法创新

• 通过水转印栅与高速成像结合，首次实现了超弹性材料在冲击载荷下的μs级动态变形捕捉，为动态本构模型研究提供了可靠数据支持。

3. 拓展了光学测量技术的工程应用场景

• 方法无需精密位移装置或复杂环境控制，易于在工业现场推广，适用于汽车防撞材料、防护结构、生物软组织等领域的变形监测。

三、研究贡献

四、结论与影响总结

本研究通过跨学科技术融合，不仅解决了超弹性材料大变形测量的长期难题，更提供了从制备工艺（水转印栅）、算法核心（Carré相位提取）到动态应用（高速成像）的完整解决方案。其贡献主要体现在：

1. 方法学层面：实现了光学测量从“小变形”到“大变形”、“静态”到“动态”的范式拓展；

2. 理论层面：为超弹性材料动态力学行为研究提供了新数据与新见解；

3. 应用层面：为工程结构可靠性评估与材料设计提供了低成本、高效率的测量工具。

未来可进一步探索与人工智能、多模态光学测量技术的结合，推动该方法在智能制造、生物医学等领域的更广泛应用。

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