柔性曲拱振动测量的双尺度数字图像相关方法

以柔性曲拱为研究对象,提出一种双尺度数字图像相关方法。在整数像素尺度,通过傅里叶变换快速找到变形参数的像素级初始估计;在亚像素尺度,结合像素级初始估计和逆合成高斯-牛顿迭代,得到亚像素精度的振动测量。在获得结构振动响应后,使用频域分解方法识别结构的固有频率、振型。最后,开展柔性曲拱的视觉测量实验,并辅以激光测振仪测量进行对比分析,验证了所提方法在柔性结构振动测量和模态辨识中的有效性。

基于数字图像相关的地聚物混凝土轨枕的力学性能分析

随着混凝土轨枕在我国的广泛应用,混凝土的生产带来大量的能源消耗和碳排放。地聚物作为一种新型低碳材料,能在节能减碳的同时消耗矿渣和粉煤灰等固废。目前,针对地聚物应用于铁路轨枕的相关研究,如混合使用水泥与粉煤灰、矿渣的地聚物混凝土轨枕及其裂缝扩展特性的研究还比较有限。本文设计2种配合比的地聚物混凝土并制造成轨枕,使用数字图像相关(Digital Image Correlation)技术,在轨下截面的三点弯曲实验下分析2种配合比下轨枕挠度、裂缝扩展特性及裂缝宽度发展规律。研究结果表明,2种配合比地聚物混凝土轨枕的抗弯承载力均高于普通混凝土轨枕。相比于普通混凝土轨枕,地聚物混凝土轨枕在较低的静荷载作用下挠度较大,但随着荷载的增加轨枕挠度的增长速度较慢,刚度损失较小,弹性阶段延续的荷载区间更长,这种特征在配合比为Geo50的地聚物混凝土轨枕上更为显著。2种配合比的轨枕微裂纹萌生的荷载相近,分别为130 kN和120 kN。在较低荷载下2种轨枕裂缝扩展相差不大,在较高荷载下配合比为Geo100的地聚物轨枕的裂缝发展加快,裂缝宽度值和增长速度都大于Geo50。配合比为Geo100的地聚物混凝土轨枕主要表现为受弯正截面破坏,配合比为Geo50的地聚物混凝土轨枕主要表现为受剪斜拉破坏。掺入部分水泥代替矿渣和粉煤灰的地聚物能使所制成轨枕在较高的荷载下保持更高刚度和更缓慢的裂缝扩展速度,该方案有助于推动地聚物应用于混凝土轨枕,促进铁路双碳战略贯彻与实施。

面向飞行器的高温数字图像相关方法研究现状及展望

飞行器在服役中面临着严酷的高温环境,飞行器构件高温力学性能的研究对于其结构设计与可靠性保障十分重要。数字图像相关方法作为一种常用的非接触式光学测量方法,具有测量精度高、环境要求低、全场测量等优势,但在高温环境下的测量仍存在诸多技术难题。本文针对高温导致的退相关现象、热流扰动消除、高温散斑制备技术、力热解耦困难及特殊场景下光路遮挡受限等问题技术难题介绍了对应的改进方法,总结了国内外研究人员的优化思路与解决方案,最后针对飞行器力热参数测量需求,对高温数字图像相关方法的技术发展趋势进行展望。

数字图像相关方法在实验力学教学中的应用

数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)方法以其非接触、高精度、全场变形测量等优点,在力学、航空、航天、土木工程、生物医疗等多个领域呈现出广阔的应用前景。将DIC方法引入课堂,以板件拉伸试验为例,通过DIC方法和有限元仿真给学生呈现拉伸变形的基本过程及切应力和滑移线等力学概念,并将DIC方法测试结果和传统的应变电测法及有限元仿真分析结果进行了对比,使得教学过程更具思辨精神,极大激发了学生的学习兴趣,取得了良好教学效果。

基于数字图像相关方法的SiCf/SiC陶瓷基复合材料力学行为表征

SiCf/SiC陶瓷基复合材料具有低密度、耐高温、高比强度等优异特性,是新一代先进航空发动机热端部件的理想材料。为实现SiCf/SiC复合材料在服役环境下的可靠应用,亟须开展复合材料力学行为表征研究。与引伸计、应变片等其他测试方法相比,数字图像相关方法(digital image correlation,DIC)具有非接触式、全场测量和可操作性强等优点,能够实现对复杂耦合环境下复合材料损伤断裂等力学行为的原位表征,因而受到广泛关注。本文系统梳理和总结DIC在SiCf/SiC复合材料室温拉伸、弯曲、爆破等力学测试中的应用进展,介绍DIC在SiCf/SiC复合材料力学加载过程的高温测量,最后对应用于SiCf/SiC复合材料的DIC表征技术进行了总结及展望。

基于散斑图像梯度域的数字图像相关盲去模糊方法

针对复杂测量环境或高动态测量过程中出现的运动模糊问题,提出了一种灰度稀疏先验与参考图像梯度域先验相结合的散斑图像盲去模糊方法。该方法以灰度直方图峰值的L 0范数与参考图像梯度域分布建立优化函数正则项,使用二次分裂方法估计清晰图像,再以交替迭代的方式进行卷积核细化。在模糊核估计完成后,使用Richardson-Lucy非盲去卷积方法完成散斑图像的复原。实验结果证明:所提出的散斑图像盲去模糊方法与针对自然图像与文本图像的经典方法相比,获得了更优的图像去模糊效果,并提高了数字图像相关测量精度与鲁棒性。

增量数字图像相关方法的误差分析及应用考量

增量数字图像相关方法(digital image correlation, DIC)常应用于变形后图像中被测物体出现大变形、环境光变化剧烈以及采用激光散斑追踪变形等容易发生图像退相关的场景。增量DIC充分利用局部图像序列的相关性,通过更新参考图像计算增量变形,再进行累加以获得整体变形,可解决采用固定参考图像的传统DIC方法在出现图像退相关时计算失效的问题。但是,由于DIC计算变形时存在系统误差,在增量计算以累加增量位移的过程中会导致误差累积。为实现更准确高效的增量DIC分析,需明确这一误差的累积规律并提出抑制误差的方法。本文通过模拟和真实实验研究了采用不同增量策略的增量DIC方法在不同场景下的误差累积规律。结果显示:为减少参考图像更新带来的累积误差,应采用条件增量计算策略以尽量减少参考图像的更新次数;同时,自适应参考图像子区平移策略和图像高斯低通预滤波方法可以显著降低插值带来的系统误差,应与增量DIC方法配合使用。

采用数字图像体相关方法的核级石墨断裂特性研究

为研究核工程备选石墨(SNG742细粒石墨)的断裂性能,探明材料的三维断裂力学特性,对压缩双裂纹圆孔板(DCDC)试件进行压缩试验,使用X射线计算机断层扫描(XCT)技术对试件内部进行测量。采用数字图像体相关(DVC)方法对XCT扫描图像进行分析,获得了DCDC试件的三维位移场和应变场。通过对比DVC和有限元模型的x方向应变场,反演了试件的弹性模量。结果表明,当弹性模量取10.6 GPa时,有限元模拟结果与试验结果最接近,二者的最小应变误差约为0.09×10^(-3)。此外,利用XCT图像中裂缝与周围区域灰度差异明显的特点,定量分析了尺度上与主裂缝宽度接近的内部缺陷,整体上受拉区域的缺陷密度高于受压区域的,其平均值大约是受压区域的2.7倍。从试件的位移场得到裂缝的三维特征,分析表明:局部裂缝长度沿试件厚度方向呈现内部高、表面低的分布规律,裂缝张开位移与局部裂缝长度成正比,裂尖张开角基本保持不变,约为1.5°。最后,分析了裂缝前缘处应变,发现应变不随局部裂缝长度的变化而改变,其值始终保持在5.8×10^(-3)上下。本研究方法可为通过小尺寸试件获得材料的断裂参数提供思路,研究结果可为研究核级石墨的三维断裂特性提供直接的试验证据。

基于数字图像相关方法的不锈钢内部缺陷检测研究

不锈钢材料内部缺陷检测是无损检测领域的研究热点和难点之一,尤其对微小和闭合裂纹的检测.本文提出了一种基于数字图像相关方法的应变集中缺陷识别方法,即对试样表面采用曝光灯进行辐射加热,利用数字图像相关方法定量分析试样表面应变场,通过试样表面高应变区域的表征,实现对金属内部裂纹的检测.结果表明,该方法可以在试样加热过程中表征不锈钢内部裂纹,其有效检测深度可达3.71 mm.

一种基于二维数字图像相关法的橡胶应变矫正方法和测量装置

申请的专利(公布号CN115046857A、公布日期2022年9月13日)介绍了一种基于二维数字图像相关法的橡胶应变矫正方法和测量装置.该方法在橡胶试样标距区的正表面划分出测量区,测量区两侧为矫正区;在矫正区通过润滑脂粘附薄片;薄片的硬度高于橡胶试样,润滑酯的作用是在拉伸过程中使薄片可与橡胶试样表面产生相对滑动;在标距区的侧表面对应薄片的位置粘贴挡片.

数字图像相关方法在桥梁裂缝变形监测中的应用

本文结合工程实际背景分析了数字图像相关方法应用在桥梁裂缝变形监测中的可行性及优越性,根据桥梁裂缝变形的特点采用数字图像处理技术中的位移梯度法进行所选区域的相关匹配搜索并对相关系数的计算公式加以改进,使实验过程得以简化,计算结果全场化、直观化。本文对数字图像处理软件的测量精度和在实际测量中的测试误差进行了分析和研究,证明该软件能够更加精确地测定裂缝在各种荷载作用下的变形量值。实际的桥梁测试也验证了该方法的可行性和优越性。若图像记录设备的分辨率是12.47pixel/mm(0.0802mm/pixel),本文所涉及到的桥梁裂缝边缘的位移测试精度为0.000802mm。

数字图像相关方法最优散斑尺寸

综合分析了图像灰度噪声和亚像素插值误差这两种最主要的误差源对数字图像相关方法位移测量精度的影响,并在此基础上建立了计算数字图像相关方法的总测量误差数学模型.在综合考虑这两种误差的基础上具体分析了散斑尺寸对数字图像相关方法的位移测量精度的影响,运用理论分析和数值模拟得到了不同参数下的最优散斑尺寸.研究结果表明,对于一定的测量参数而言,存在一个散斑尺寸的最优区间,在这个区间内的散斑越多,数字图像相关方法的位移测量精度越高.

基于数字图像相关方法的粘接界面细观破坏分析

对粘接界面在拉伸过程的变形破坏过程进行了观察,对获得的图像采用数字图像相关方法进行处理,获得了界面的位移场,进而分析其变形演化过程与细观破坏机理。结果表明:数字图像相关方法可以有效地分析粘接界面中细观破坏过程,界面的细观破坏经历损伤的累积及局部化过程,最终沿某一局部化带发生宏观破坏。

面内位移测量的基于梯度的数字图像相关方法

将整像素位移搜索和基于微区统计性质的亚像素位移梯度算法相结合的数字图像相关方法具有计算简单、求解效率高等优点。该方法的基本假设是变形前后的子区做刚体平移,这则与有位移梯度存在的实际情况相矛盾。首先分析了该基本假设的理论误差,在基于梯度的数字图像相关方法中,得出变形子区做刚体平移的假设和在Newton-Rapshon方法中子区均匀变形的假设所获得的变形子区中心位移在理论上为相同的结论。然后用四组实验来验证该方法在实际实验条件下的计算精度和稳定性,并在铝板试件的单向拉伸实验中,将该方法与N-R方法在有应变存在情况下的计算结果作比较,结果表明该方法计算的位移和理论位移符合得很好,但其计算速度和效率要远优越于N-R方法。

用于物体表面形貌和变形测量的三维数字图像相关方法

使用单个摄像机的二维数字图像相关方法通常仅局限于平面物体的面内变形测量,而使用两个摄像机基于双目立体视觉原理的三维数字图像相关方法克服了这一局限,可对平面和曲面物体表面的三维形貌和载荷作用下的三维变形进行测量。本文介绍了三维数字图像相关方法的基本原理及其关键技术,并用两个典型的实验验证了该方法的有效性。

数字图像相关方法在膜材拉伸试验中的应用

利用数字图像相关方法(DICM),测定了双轴拉伸试验条件下Précontraint 1202 Fluotop T2膜材的力学性能,并分析了该膜材的徐变特性。采用CCD及其计算机处理系统,实时获取变形前后膜材表面图像,对变形前后的图像进行相关运算获得应变;确定了膜材的弹性模量和泊松比及徐变时的应变-时间关系。测试及分析结果表明该方法为膜材力学性能的检测研究提供了新的途径。

单轴压缩湿砂样局部及整体体积应变的数字图像相关方法观测

确定体积应变局部化区域对于涉及孔隙流体的地质灾害研究具有重要意义。体积应变局部化区域可能比最大剪切应变局部化区域更接近于孕灾地点。在单轴压缩位移控制加载条件下,测试了3个湿砂样(含水率为12.7%~17.1%)的应力–纵向应变曲线,在微裂纹出现之前及稍后,利用自主开发的基于粒子群优化的数字图像相关(DIC)方法计算了砂样的局部体积应变的变化规律。研究发现,在加载过程中,局部体积应变由均匀分布(近似线性阶段)向不均匀分布(硬化阶段)转变,直至出现局部体积应变局部化现象。在剪切带切向上,和最大剪切应变的相对均匀分布相比,局部体积应变的分布具有多峰性,这应与周期性的微裂纹出现有关。在微裂纹出现稍前,剪切带的变形是以膨胀为主,剪切带已较为显著,带内的最大剪切应变和局部体积应变分别比带外多2倍和4倍,但在此前,剪切带的膨胀和收缩现象共存。计算了所有测点所围区域的整体体积应变随纵向应变的演变规律。基于DIC方法的整体体积应变计算方法的优越性在于:具有亚像素精度,考虑了应变二阶量的影响。

基于数字图像相关方法的等应变率下不同含水率砂样剪切带观测

在压缩位移控制加载条件下（加载速率为5 mm/min）,针对不同含水率（12.7%~16.5%）砂样,利用自主开发的基于粒子群优化的数字图像相关方法,开展了最大剪切应变场的观测研究,获取了子区尺寸对砂样不同位置最大剪切应变的影响规律。研究发现,随着砂样含水率的增加,变形更加均匀,最大剪切应变高值区分布变得宽广,反映了剪切带的数目增加,微裂纹出现之前的最大剪切应变提高;随着纵向应变的增加,在应变高值区,最大剪切应变以非线性方式迅速增加,但在应变低值区,一般以线性方式增加。当剪切带出现以后,特别是在变形后期,子区尺寸对最大剪切应变有明显的影响。最大剪切应变随子区尺寸变化的演变规律与子区所处位置密切相关。

推进剂粘弹性泊松比测试的数字图像相关方法

固体推进剂是典型的粘弹性材料,其泊松比是时间的函数,相关标准中基于接触式测量方法的结果将推进剂泊松比视为常数,影响了药柱结构完整性分析的精度。针对此问题,推导了粘弹性泊松比的松弛型定义,提出了一种基于数字图像相关方法的固体推进剂泊松比高精度测量方法,研制了相应的测试系统,并测量了某HTPB推进剂的粘弹性时变泊松比。评估试验显示该测试系统的应变测量精度可达20με,有效解决了推进剂泊松比千分位测不准的难题。结果表明,推进剂泊松比随松弛时间的增加而增加,具有明显的粘弹特性。所提方法可为粘弹性材料泊松比的高精度测量提供参考。

数字图像相关方法的桥梁挠度仪的温度补偿

基于数字图像相关方法的桥梁挠度仪会因相机温度变化而引起一定的测量误差,为了补偿因相机温度变化而引起的挠度测量误差,先通过实验实测了相机温度变化与测量误差之间的数值关系,并发现相机温度变化与测量误差之间存在一定的线性关系;然后通过直线拟合方法,找出相机温度变化与测量误差之间的具体函数关系,并据此对挠度测量过程进行了实时温度补偿。实验表明,经过温度补偿后的挠度测量,其测量误差大为降低,降幅可达85.3%。