基于三维数字图像相关法的焊接空心球节点的力学性能试验研究

为了克服传统接触式测量难以获取完整位移及应变场的分布与发展的弊端,探索了采用三维数字图像相关法(3D-DIC)跟踪焊接空心球节点位移和应变的分布与发展的可行性与可靠性。使用三维数字图像相关法观测一个焊接空心球受压损伤节点和一个焊接空心球受拉损伤节点的轴心抗压试验的压缩过程,获得两个试件在试验过程中的位移场与应变场,揭示了焊接空心球节点的受力特点和失效机理,并将观测的位移场和应变场与宏观试验现象进行了比较。试验表明:三维数字图像相关法可以测量加载过程中焊接空心球节点的位移场和应变场的变化规律,并且与宏观试验现象吻合较好。由此证明了三维数字图像相关法可应用于大型焊接球节点的力学性能试验研究的可靠性。

基于机器学习的三维数字图像虚拟场景重建算法

为使三维数字图像虚拟场景重建可以获得更优质的画面,提出一种基于机器学习的三维数字图像虚拟场景重建算法.首先分析场景的状态信息和呈现指令,得到图像重构的网格模型顶点分布位置,通过局部坐标法近似计算全局图像,校正局部细节,完成三维数字图像的渲染处理;然后以空间和尺度为特征点,在图像上构建窗口检测模板,应用分类器抑制离散特征点,去除冗余特征;最后根据拟合函数法求出平滑后的三维坐标重建三维曲面,将局部二维三角分割并映射到三维空间,实现三维数字图像虚拟场景重建.实验结果表明,该算法收敛速度较快,重建图像细节和边缘轮廓完整,整体效果较好.

基于三维数字图像相关技术的脆性岩石破坏试验研究

利用三维数字图像相关技术(3D-DIC)观测系统研究单轴压缩状态下带中心圆孔花岗岩岩板的破坏全过程,得到了含孔洞岩石破坏过程中观测面的三维全场位移和应变,不仅能够直观地反映岩石表面裂隙的产生、扩展及相互连通的演化过程,亦能够确定裂纹的位置、形态以及扩展方向等具体信息,还能重现加载过程中试样表面的压缩(平行荷载方向)、剥离(垂直荷载方向)、膨胀及剥落(垂直试样表面方向)。结果表明:3D-DIC技术在岩土力学试验中有其独特的优势,岩石材料破坏过程中应变场的演化能较好地反映其内部裂纹的产生和扩展规律。根据全场应变云图可以判断岩石裂纹扩展演化的情况;裂纹的演化具有强烈的非线性特征,在试样接近破坏时形成的"X"型对称变形局部化带,最终只形成一条宏观破坏带,荷载方向、岩石结构及其内部的非均匀性都会对最终宏观破裂带的位置产生影响;利用3D-DIC观测系统进行岩石变形破坏机制的研究是有效的,可为岩土介质宏细观变形破坏机制的研究提供重要的借鉴。

基于三维数字图像相关方法的水下冲击载荷作用下铝板动力学响应研究

基于数字图像相关(DIC)方法搭建了三维动态DIC方法测试系统,利用冲击加载实验设备,对喷涂散斑的铝靶板进行冲击加载实验,获得了靶板的实时离面位移场;并利用安装在水靶舱壁面的压力传感器,测取了水中冲击波压力时程曲线;建立了针对冲击实验的二维轴对称仿真模型,分析了水靶舱内冲击波的形成与传播过程以及靶板的动态响应变形进程。研究结果表明,靶板的变形是由边界向中心呈环形扩展的,而且靶板极容易在法兰约束边界处出现剪裂现象。靶板实时变形与测点压力时程的实验值与仿真值具有良好的一致性,这表明结合三维动态DIC方法测试系统与等效加载设备可以实现对结构的水下冲击响应分析研究工作。

小尺寸低碳钢试件吕德斯效应的三维数字图像相关测量

吕德斯效应是多种金属和合金材料由于屈服阶段的不均匀变形而在材料表面产生条带状褶皱的现象,它会使冲压件表面质量降低.为了防止它的出现,对吕德斯效应进行研究变得非常重要.采用小视场(15 mm×15 mm)下三维数字图像相关方法对小尺寸低碳钢试件在单轴拉伸载荷作用下的变形场进行测量,实际观测了小尺寸试件的吕德斯效应,结合理论模型解释了其形成机理,并分析了吕德斯带传播过程中应变及应变率的变化规律.实验研究表明,运用三维数字图像相关方法测量试件表面变形场,实现了对小尺寸低碳钢试件的吕德斯带演化过程以及颈缩、断裂等细观力学行为的观测,该方法是研究材料变形细观机理的一种有效测量手段.

基于三维数字图像相关技术的砂岩渗流-应力耦合变形局部化特性试验研究

为研究渗流-应力耦合作用下砂岩变形局部化破坏特征,将三维数字图像相关(three-dimensional digital image correlation,简称3D-DIC)技术运用于可视化三轴伺服控制试验系统中,对砂岩开展了不同渗透水压条件下的三轴压缩试验研究。研究结果表明:(1)在渗流-应力耦合作用下,砂岩表面变形场云图经历了从均匀到非均匀的演化过程。在峰前的变形较为均匀,在峰值处出现应变集中,在峰后较短时间内迅速形成变形局部化带;(2)随着渗透水压的增大,岩石的峰值强度、弹性模量呈现指数型非线性衰减,峰值强度弱化系数和弹性模量弱化系数均增大,且渗透率逐渐增大,最大渗透率出现的时间点越早;(3)随着渗透水压的增大,砂岩变形局部化带从剪切状过渡到张拉-剪切状,轴向和径向变形局部化带带内外应变在峰后短时间内出现较大差异,且带内应变远大于带外应变;(4)随着渗透水压的增大,砂岩变形局部化启动应力水平越高,启动的时刻点越早。渗透水压与砂岩变形局部化启动应力水平呈线性相关性,轴向变形局部化启动水平受渗透水压的影响比径向更为显著。

高速三维数字图像相关系统及其动载三维变形测量

基于双目立体视觉、高速摄影和数字图像相关方法,用两台高速相机搭建了可用于观测结构动态三维变形的高速三维数字图像相关测量系统.介绍了测量系统的原理及实验过程中需要注意的细节,用该测量系统进行了两个动载下三维变形观测的实验:摆锤冲击铝板实验和霍普金森杆冲击石墨圆柱实验,得到了受冲击铝板的动态离面位移场演化和石墨圆柱试件横向变形的三维位移场.

基于三维数字图像相关技术的防弹衣性能测试与评估

为分析在非贯穿侵彻情况下防弹衣瞬态力学响应及人体胸部钝性损伤程度,对5.8 mm通用弹侵彻美国司法协会Ⅲ级碳化硅/超高分子量聚乙烯防弹衣进行试验研究。采用三维数字图像相关技术开展试验,获得防弹衣背面鼓包高度和变形速度等数据,并结合钝性准则和简明损伤定级标准(AIS)对防弹衣距胸部间隙分别为5 mm和10 mm时进行钝性损伤程度评估。结果显示:在侵彻过程中最大鼓包高度的平均值为22.7 mm,鼓包稳定后高度的平均值为16.3 mm,最大变形速度的平均值为117.7 m/s;当防弹衣距胸部间隙为5 mm时对应的AIS等级为4~5,表明防弹衣后钝击效应仍可对人体造成严重损伤;当间隙扩大到10 mm时AIS等级小于3,表明防弹衣后钝击效应对人体造成轻微损伤甚至不会对人体产生影响。

基于三维数字图像相关法应力测量技术

介绍了一种基于三维数字图像相关法的模型表面应力测量系统,采用两台高速摄像机同步采集被测模型表面图像,以模型表面的散斑作为载体,通过图像子区立体匹配算法匹配被测模型变形前后两幅散斑图像中的不同图像子区,解算得到模型上不同点的三维坐标值,获得模型表面的三维变形信息,实现模型表面非接触、动态实时的应力测量。

一种考虑水印特征隐藏三维数字图像保护方法

针对传统三维数字图像嵌入水印算法保留的水印特征信息过多,易被攻击的弊端,提出了一种考虑水印特征隐藏的三维数字图像保护方法,对于待加入水印的三维数字图像,引入分块DCT算法对原始图像进行水印特征隐藏处理并得到水印特征隐藏图元矩阵,再将水印图像通过BCH编码进行特征隐藏降噪压缩。根据设定的特征隐藏系数随机分配图元位置并插入原始图像中,得到包含特征隐藏水印的数据图像。仿真结果表明,该方法嵌入的特征隐藏水印不仅可抵抗多种不同类型攻击,比传统算法抗噪声攻击性提高了约25%,抗剪切攻击性提高了15%左右。

三维数字图像相关法及其在水泥基材料变形研究中的应用

三维数字图像相关法(three-dimensional digital image correlation,3D-DIC)又称三维数字散斑相关法(threedimensional digital speckle correlation method,3D-DSCM),是一种新型的非接触式全场光学测量方法。与比长仪等传统方法相比,三维数字图像相关法具有测量精度高,可准确测量物体表面的三维形貌和变形等优点。本文介绍了三维数字图像相关法的基本原理、关键技术和精度分析等,并结合水泥基材料的特点,讨论了三维数字图像相关法在水泥基材料变形研究中的应用。

三维数字图像技术的柔性体低速碰撞试验研究

以球形圆柱杆-方板为试验对象,进行面外接触碰撞试验。基于数字图像相关方法(DIC)搭建了应用于柔性体低速碰撞试验的三维高速摄影系统,通过对系统关键参数的设定,测量得到柔性体全场应变响应,并同应变片与数值仿真结果进行对比。结果表明,三维系统避免了二维系统受离面位移影响的弊端,能够准确测量柔性体全场位移、速度和应变响应。进行对心正碰试验得到柔性体碰撞过程和全场应变分布特征,X,Y方向应变呈“花生形”;主应变呈“同心圆形”;剪切应变呈“四纺锤形”;在低速碰撞情况下,碰撞点最大主应变与碰撞速度呈二次幂关系。

实时三维数字图像相关方法在材料力学教学中的应用

实验教学是理工科院校极为重要的教学环节,为使学生深刻理解理论知识,将现代光测力学方法用于实验教学具有重要意义。本文以铝合金拉伸实验和梁模型的三点弯实验为例,采用自主研制的实时三维数字图像相关方法进行教学内容展示。该方法可实时测量物体表面的三维形貌及变形,更直观地揭示材料力学中的变形规律和力学原理。实践表明,课堂演示易于调动学生的积极性,将理论与实验相结合,有助于增强学生分析问题的能力,相比传统电测方法具有无可比拟的优势。

三维数字图像相关法的初值估计和仿真图研究

三维数字图像相关法主要用来测量物体表面的三维形貌和变形,其关键技术主要包括相机标定、图像匹配、三维重建和三维位移场和应变场的计算等。针对现有的初值估计方法在计算速度和精度上的局限性,提出基于sift的形函数和线性插值的初值估计方法,有效地提高了计算的速度和精度。传统的三维算法精度分析只能借助于高精度的仪器测量对比,为此提出了基于反向映射法的三维仿真散斑图分析方法。仿真结果表明:在小变形情况下z方向的误差在2×10^(-4)%左右,面内位移测量误差在8μm以内。验证了三维仿真散斑图的有效性和三维初值估计策略的可行性。

高速三维数字图像法测量手机跌落全场应变

为了测量手机跌落时的变形与应变,基于数字图像相关法及双目立体视觉原理,提出一种用于手机跌落试验中变形与应变测量的方法,并研制了相应的高速三维全场应变光学测量系统。针对手机跌落碰撞过程中,角度变化导致散斑匹配失败率高,变形应变场缺损严重的问题,利用高速相机高速采集图像,并改进图像匹配方法,采用顺序逐帧基准匹配,保证了测量精度,提高了应变场完整度。研制了光学测量系统,设计了试验方案,进行了数字图像测量方法与动态应变仪测量结果的对比,对改进的散斑匹配方案进行了验证。试验结果表明,本文的方法使变形应变场的完整度提高了21%,其位移动态测量精度为0.42%,应变测量精度为0.5%。本文的方法和系统可以满足手机跌落碰撞全场变形与应变测量的要求,与传统测量方式相比有明显优势,是研究手机跌落碰撞变形规律的有效途径。

三维数字图像相关法的匹配策略和应变场计算

针对在三维数字图像相关法的三维重建过程中存在着两种不同的匹配策略,利用三维仿真散斑图模拟变形,分析研究二者在不同场景下应用的品质。现有的三维应变场计算有直接对三维位移场计算和对位移场投影后再进行计算两种方法,这两种方法存在忽略局部特征、未去除噪声的缺陷。为了得到精度较高的应变场,采用基于最小二乘拟合的微单元体应变计算方法。仿真分析结果表明:利用该计算方法求得的应变场精度明显提高。

基于三维数字图像相关的双轴振动疲劳试验研究

为研究双轴振动疲劳下,构件裂纹区域位移与应变场的变化规律,本试验采用双轴振动疲劳装置与数字采集系统实时监测裂纹区域。由高速数字图像相关系统采集一系列正弦交变载荷作用下预制裂纹梁试件裂纹周边区域的序列数字散斑图像,应用三维数字图像相关技术获取试件固有频率的变化、预制裂纹尖端区域的位移场及应变场。通过对预制裂纹尖端区域在不同循环周期下离面位移、主应变、离面应变变化的分析,获得位移、应变与循环周期之间的变化规律。

石窟建筑三维数字图像形貌拼接方法优化仿真

图像拼接是石窟建筑三维形貌测量中不可或缺的环节,拼接质量直接影响石窟建筑三维形貌重构的可行性和精度。以往三维图像拼接方法由于受到视场的限制,难以通过一次测量获得曲率较大的石窟建筑物体的整体形貌,存在测量速度慢以及拼接精度低的问题。为此,提出一种基于Canny算法的石窟建筑三维数字图像形貌拼接优化方法。首先对于平面圆靶标在摄像机成像平面所构成的石窟建筑三维数字图像,依据石窟建筑三维数字图像中像元恢复值的突变特性,自适应的改变石窟建筑三维数字图像滤波器的权值,运用Canny边缘检测提取石窟建筑三维数字图像候选边缘线,并对边缘位置沿梯度方向做亚像素级的校正,采用最小二乘方法结合几何相交的圆特征三维重建方法求解石窟建筑物体前后测量位置的坐标系转换矩阵,由此实现三维数字图像形貌拼接优化。实验结果表明,优化的三维拼接方法对石窟建筑三维图像具有较好的检测精度和拼接精度。

用于材料本构参数识别的特殊三维数字图像相关方法

用虚场方法(VFM)识别材料本构参数时,为了得到准确的结果,提出了一种易实现且有效的"特殊三维数字图像相关(SS-DIC)"方法。将三维数字图像相关测试系统中左相机正对被测物体、右相机斜对被测物体进行全场变形测试。用铝合金试件纯剪切试验,验证了本文提出方法的有效性。结果表明:基于SS-DIC的VFM识别结果的精度(弹性模量和Poisson比相对误差均小于4%)优于基于两维DIC的参数识别结果(弹性模量和Poisson比相对误差均大于6%)。该方法既保证了全场变形测试结果不受试验中试件离面位移和离面转动的影响,又能直接获得在空间上均匀分布的变形信息,参数识别时数据处理简单。

基于双目视觉测量技术的三维数字图像相关系统及其应用研究

在对双目视觉技术测量原理以及数字图像相关技术的研究基础之上,借助两台摄像机完成了能够进行结构动态三维变形观测的以双目视觉技术为基础的三维数字图像相关系统,并点出技术应用环节需要注意的要素。进一步地,以10Cr17为对象,通过拉伸实验的开展对系统的应用性能进行了验证。