高速3D-DIC表征下竹基纤维复合材料拉弯复合静动态力学响应及应变演化机制研究

　　本研究采用千眼狼(Revealer)高速3D-DIC系统，系统揭示了竹基纤维复合材料在拉弯复合载荷下的静动态力学行为与全场应变演化规律。重点分析了加载速率与预张力梯度对损伤机制的影响，证实高速3D-DIC是复合材料复杂应力场研究的推荐技术手段。

　　1 实验背景

　　竹基纤维复合材料（重组竹）凭借优异的比强度与环保特性，已成为建筑结构梁、桥梁及风力发电机叶片等复合结构的理想绿色材料。然而，针对此类复合结构在地震、横风等拉弯组合载荷下的全场变形与失效机理，目前尚缺乏系统性认知。传统点式应变片测量无法捕捉复杂应力状态下的全场应变分布及演化过程。为此，吉林大学研究团队引入千眼狼(Revealer)高速3D-DIC技术，系统研究竹基纤维复合材料在拉弯复合加载下的静动态力学行为，并考察了加载速率和预张力对其力学性能的影响。该系统的应用为复合材料研究DIC系统推荐提供了典型案例。

　　2 实验设备

　　实验依托吉林大学自研原位测试平台，核心观测设备为千眼狼(Revealer)高速3D-DIC系统，系统配备2台X213高速摄像机，在1280×1024分辨率下具备13600 fps时间分辨率，能够同步精准捕捉试样在拉弯载荷下的表面散斑图像序列。此外，实验台架配置了载荷传感器与激光位移传感器，以同步获取宏观力学参数。

图1 千眼狼高速3D-DIC系统及原位测试平台

　　3 实验方法

　　试样制备采用密度958 kg/m3，酚醛树脂含量15~20%的竹基纤维复合材料。为满足高速3D-DIC系统测量需求，试样表面经清洁后喷涂白色底漆，待干透后施加随机分布的黑色散斑，形成高对比度散斑场。

　　实验分三组进行：1-纯轴向拉伸测试，加载速率2、20、200 mm/min，各重复5次；2-三点弯曲测试，跨距100 mm，压头直径10 mm，为预张力为0 N的拉弯复合特例；3-拉弯复合测试，加载速率三种、预张力三级：2000 N、4000 N、6000 N，各重复5次。

　　拉弯复合工况下，试样首先通过轴向加载系统施加至目标预张力并保持，随即在跨中（两支座中心位置，最大弯矩区）施加弯曲载荷直至断裂。利用千眼狼(Revealer)高速3D-DIC系统全程记录试样侧面的散斑图像。DIC分析区域覆盖试样工作段的关键变形区，同步获取预张力阶段累计的轴向应变与弯曲过程中逐步叠加的弯曲应变，量化各阶段对总断裂应变的贡献。

　　4 实验数据解析

　　全场应变数据是揭示竹基纤维复合材料在拉弯复合工况下损伤演化与断裂机制的核心证据。基于千眼狼高速3D-DIC系统获取的全场应变云图，对预张力及加载速率所引发的应变场分布差异进行解析。

　　4.1 拉弯复合工况下预张力梯度对全场应变演化的影响

　　图2记录了加载速率2mm/min条件下，千眼狼高速3D-DIC系统记录的竹基纤维复合材料在四级预张力（0 N、2000 N、4000 N、6000 N）作用下的全场轴向应变演化序列，每级预张力均包含试验初始阶段（I）至断裂前夕（III）的应变场变化。

　　预张力0 N：阶段I，跨中受拉侧出现微弱轴向拉伸应变萌芽；阶段II，受拉侧应变集中带沿纤维纵向呈条带状逐步扩展，应变分布与加载方向近乎平行；阶段III，断裂前夕，纵向累积应变已足以触发多处界面分层与基体开裂。

　　预张力2000 N：阶段I，试样全域预存明显的均匀拉伸应变背景；阶段II，弯曲附加应变在跨中区域引起的集中效应叠加于预存应变场之上，但集中区的纵向延伸范围收窄；阶段III，高应变区域限定于跨中一条更紧凑的窄带内，表明预张力预先消耗了基体与界面的部分变形容量，限制了弯曲损伤沿纵向的进一步扩展空间。

　　预张力4000 N：阶段I，预存应变水平已处于较高状态；阶段II，弯曲附加应变的空间局域化趋势更为显著，应变集中几乎锁定于跨中极小区域；阶段III，高幅值应变带的空间范围较2000 N工况进一步缩窄，应变梯度在窄带边缘急剧下降。

　　预张力6000 N：阶段I，全场应变云图呈现极高的预存应变背景。阶段II与阶段III的图像显示，弯曲附加应变被约束在跨中一条狭窄的条带内。这种高度局域化的应变分布模式，定量揭示了预张力达6000 N时断裂挠度骤降、弯曲模量倍增以及材料由韧性向脆性转变的力学现象，即预存应变场实质上充当了硬化限域的角色，使弯曲变形容量在加载初期即被大量预支。

　　图2 竹基纤维复合材料在2 mm/min拉弯复合试验下的全场轴向拉伸应变演化云图。（a-b-c-d对应预张力0-2000-4000-6000 N，I-II-III对应实验初始阶段、中间阶段、断裂前夕）

　　4.2 轴向拉伸工况下全场应变演化与损伤局部化进程

　　图3展示了纯轴向拉伸工况，由千眼狼(Revealer)高速3D-DIC系统按时间序列（I~V）记录的全场纵向应变演化云图，完整呈现了从均匀变形到应变局部化萌生、加剧直至临界断裂带贯通的完整损伤链条。

　　阶段I：拉伸加载的初期，全场纵向应变云图呈现近似均匀的低幅值分布，表明竹基纤维复合材料沿纤维纵向表现出良好的均质变形特征，纤维束与树脂基体协同承载。

　　阶段II：拉伸载荷增加，全场应变幅值提高，但分布仍相对均匀，未出现明显应变集中。

　　阶段III：出现若干离散的微应变集中点，分布位置与竹纤维束排列的局部不均匀性及树脂富集区等微观缺陷密切相关，损伤由均匀变形过渡至应变局部化萌生。

　　阶段IV：多个应变局部集中点形成沿横截面方向的应变局部化带，材料内部应力开始向损伤带重分配。

　　阶段V：断裂前夕，主导应变局部化带已完全贯通试样横截面，带内应变幅值急剧攀升至极限，带外区域的应变则趋于停滞甚至出现弹性卸载回缩，标志宏观裂纹即将触发。

　　图3 竹基纤维复合材料在轴向拉伸工况下的全场纵向应变演化云图（I-初始均匀变形 II-应变整体抬升 III-应变局部化萌生 IV-局部化加剧 V-临界断裂带贯通）

　　5 实验结论

　　本研究通过千眼狼(Revealer)高速3D-DIC系统，深入揭示了竹基纤维复合材料在拉弯复合加载下的静动态力学行为机制，主要结论如下：

　　I.加载速率的增加促使竹基纤维复合材料从分层破坏向纤维断裂转变，提升了最大弯曲载荷与耗散能。高速3D-DIC系统捕捉的应变局部化特征为该转变提供了可视化数据支撑。

　　II. 预张力的增加通过施加预存应力场，有效提高了最大弯曲载荷与有效弯曲模量，但同时降低了断裂挠度与总断裂应变，使断裂位置趋于随机、失效模式由韧性向脆性转变。高速3D-DIC的全场应变云图揭示了预张力对应变局域化程度的调控作用。

　　III. 千眼狼(Revealer)高速 3D-DIC 系统凭借非接触全场测量、动态瞬态捕获、多阶段应变演化可视化三大优势，可分层级定量解析不同预张力下拉弯复合应变场演化机制，同时精细化划分并表征轴向拉伸五阶段损伤演化规律。

　　本研究证实，千眼狼(Revealer)高速3D-DIC系统在复合材料复杂应力场演化、风险体积量化及失效预测中具有不可替代的作用，为竹基纤维复合材料适配的建筑梁、桥梁、风电叶片等工程构件的安全性评估提供了可靠的技术支撑与数据依据。