数字图像相关法测量金属薄板焊接的全场变形

提出了一种基于数字图像相关法和双目视觉技术的全场三维变形测量方法来测量金属薄板焊接过程中的高温变形。首先,提出一种基于种子点的高精度图像匹配算法求解相关匹配非线性优化初值。然后,介绍了三维坐标重建以及三维位移、三维应变的求解算法。最后,借助于VC++6.0开发环境,研制了用于薄板焊接全场变形测量的实验系统。为验证本文方法在材料力学性能实验方面的可行性,利用标准材料试验机和自主研制的图像采集装置设计了钢试件的标准拉伸实验,并采用Q235板材件进行了焊接变形测量实验。实验表明:本文方法的应变测量精度为0.5%,与引伸计的测量结果基本相当;与传统的测量方法相比,提出的方法可以更全面、更直观地测量金属薄板在整个焊接过程中的三维位移场和应变场,并且测得的3个方向的位移变化曲线过渡自然、数据合理,是研究焊接变形规律的有效手段。

一种对薄板焊接全场变形的图像测量方法

为解决焊接过程中由于高温高亮而使焊件变形难以测量的问题,采用改进的数字图像相关法和双目立体视觉对金属薄板焊接全场变形进行测量。对弱相关图像匹配的解决方法和数字图像相关的算法进行分析,并通过去噪和分段基准保证弱相关图像的正确匹配:首先,使用高斯平滑对原始图像进行去噪处理,消除焊接强光干扰;然后,采用分段建立基准的方法解决了焊点区域因散斑质量下降而出现的难以匹配的问题。对Newton-Raphson算法的二阶梯度矩阵进行简化,提高相关计算的速度。在测量实验中,首先对板料表面进行预处理与散斑制备,然后在氩弧堆焊(TIG)过程中利用高速相机拍摄板料焊接及冷却自由变形的全过程,最后计算所有图像中变形点的位移,获得板料特别是焊缝区的全场变形数据。研究结果表明:将此方法应用于焊接变形测量,能得到整个焊接过程中任意点的变形曲线,并且可在高温焊缝区获得准确的变形趋势。测量结果可用于分析影响焊接变形的因素,进而对焊接变形实施控制,也可用于检验焊接变形数值模拟方法的正确性。

数字图像相关法测量含缺陷试样全场变形量

为了解决表面带裂纹、缺口、孔洞等缺陷试样的全场变形测量问题,提出并实现了一种基于数字图像相关法的含缺陷试样全场变形量测量方法。该方法首先剔除试样缺陷区域,以在之后的运算过程中避免对缺陷区域进行相关计算;接着采用快速NCC法得到整像素位移值,将其得到的位移值作为反向组合算法的初值,求得亚像素变形量;最后对稀疏的变形量做插值,得到连续的全场变形量。与Newton-Raphson迭代法比较,该方法精度较Newton-Raphson法略低,但计算速度却提高了约6倍,兼顾了精度与计算速度的要求。

基于数字图像相关技术的砂土全场变形测量及其DEM数值模拟

岩土材料在力学性能上表现出各向异性与非线性特征,不同土体的受力变形规律也不相同。为了更真实地反映平面应变状态下土的受力变形特性,研制了一种新型的平面应变加载设备,该设备通过对试样的侧向(围压方向上)施加柔性荷载来降低常规平面应变试验中刚性加载所造成的边界约束影响。同时,搭建了能够得到表面变形识别的数字图像采集系统。在此基础上,利用研制的平面应变设备结合二维数字图像相关技术(2D-DIC)根据获得试验过程中的全场变形来分析福建标准砂在不同围压下的变形特性。另外,通过数字图像相关法得到的平面应变试验结果来确定砂土基于抗滚动摩擦模型的细观参数,并对试验过程进行了离散元分析。结果表明:基于数字图像相关测量技术的新型平面应变试验设备可以准确获得福建标准砂的局部变形规律和变形过程的非线性行为,由此确定的砂土细观参数也能够较为真实地反映试验材料的应力-应变关系。

卫星天线在热真空试验中的全场变形测量技术

为真实卫星天线在卫星地面实验站进行热变形测量的需求， 利用卫星天线小模型， 进行测试技术研究。用电子散斑干涉技术， 在无特殊隔振的条件下，进行全场动态变形测量， 获得了全场变形的信息。结果表明， 该项技术完全有可能用于真实卫星天线热变形实时测量。

数字散斑相关方法全场变形快速测量

采用亚像素初始值结合插值系数双缓存方法提高反向组合算法计算效率,用于数字散斑相关方法全场变形测量。首先根据反向组合算法迭代特性,采用相关系数拟合法得到亚像素位移初始值代入反向组合算法,加速单点匹配迭代收敛速度;然后由全场变形计算特点,采用插值系数双缓存方法提高全场亚像素变形计算效率。本算法在单点匹配时,速度加快了10.33%;全场变形计算时,速度提升了24.93%。由此证明本算法能有效提高基于反向组合算法的数字散斑相关方法全场变形计算效率。

数字图像相关用于测量风电叶片全场变形

为了解决传统数字图像相关方法(DIC)在测量旋转角度较大时的变形所产生的去相关问题,对DIC方法进行了改进,并将改进的方法应用到了旋转的风电叶片的变形测量。提出的方法是一种基于旋转子区的DIC方法。首先,利用特征点检测技术获得变形子区近似旋转角度;然后将变形子区旋转之后与参考子区进行整像素匹配;最后,提出了基于旋转子区的NR迭代算法,用以获得精确的亚像素匹配。模拟实验证明了该方法对于任意角度的旋转变形测量均有效,其平均相关系数高达0.99,实现了高质量的相关匹配。同时将提出的方法对5kW的小型风电叶片的变形进行了测量,获得了叶片全场的三维位移以及3个方向的运动轨迹。结果表明,该方法适用于测量风电叶片的全场变形,在大型风电叶片的在线变形测量中拥有巨大的潜能。

机械与材料力学性能的三维全场变形和应变快速检测研究

首先从机械与材料力学性能的研究中,探究三维全场变形与应变快速检测的具体方法,然后明确这些方法解决的大型复杂工件以及生产现场的检测难题,最后分析这些方法使用的范围和优点,希望为三维全场全尺寸变形的检测难题提供一些思路。

基于DIC技术的混凝土全场变形破坏试验研究

混凝土凭借其高强度、耐久性好、取材方便等众多优点使得其在工程结构中得到大量的应用与发展,而对混凝土的破坏失效机理的研究,如何更充分有效的利用混凝土是行业一直重点关注的领域。将混凝土看作是由粗骨料和水泥砂浆基质组成的两相复合材料,基于均匀化思想将骨料考虑成圆形,设计出二维平面模型混凝土试件,借助数字图像相关方法观察研究模型混凝土试件在单轴压缩作用下全场变形破坏过程。

基于双平面镜双相机组合测量全场变形的方法

针对单相机难以用于全场变形测量以及多相机在全场变形测量中复杂性等问题,提出一种利用双平面镜辅助的双相机系统来实现全场变形测量的新方法。该方法基于相机标定的坐标变换方法,即通过双平面镜实现从真实相机坐标系到虚拟相机坐标系之间的转换,进而实现从实物到虚像之间的转换。将该方法用于空心六角铝棒的热变形测量中,并与ANSYS软件的仿真结果进行比较,结果表明,该方法不但可以实现对被测件的三维重建,而且可以实现全场的变形测量,相对误差仅为0.51%,满足精度要求、效果良好。

基于逆有限元法的三维壁板结构变形场重构

过约束状态下的结构内部转角不连续,会导致结构变形场难以准确重构。该文以飞行器进气道典型三维壁板结构为对象,开展超静定状态下结构变形场重构方法研究。将子区域划分与逆有限元法相结合,实现了基于实测应变数据的超静定结构全场变形重构。对静载工况下三维壁板结构开展变形场重构数值仿真研究,验证算法的可行性和重构精度;进一步开展了试验研究,实现了变载荷工况下基于实测应变的三维壁板结构全场变形重构,并利用实测位移数据验证重构变形场的精度。试验结果表明:位移测点处的重构位移值与实测位移值的相对误差在10%左右,结合子区域划分和逆有限元法的变形重构算法可以准确重构出过约束工况下三维壁板结构的全场变形。

大型上单翼飞机机翼三维全场变形测量方案

针对大型上单翼飞机在飞行过程中机翼大挠度变形检测难题,提出了大倾角相机视场下机翼的非接触三维全场变形测量方案。根据上单翼飞机结构特点,将预先标定内参数和相机外参数的共轭相机组安装于飞机垂直尾翼上,采集飞行中的机翼变形图像。首先,提出了大倾角弱相关散斑匹配方法,解决了相机在大倾斜角度状态下采集到的机翼变形弱相关图像相关性差,难以相关匹配的问题。其次,由于测量相机安装于垂直尾翼,飞行测量过程中相机会受到气流扰动产生振动,本文提出了一种相机动态校正方法,通过在机背布置预拉伸刚性不动编码标志点,实时解算基准相机的绝对外参数,进而确定共轭相机的绝对外参数,实现所有测量相机外参数的动态校正。最后,开发了机翼变形全场测量软硬件系统,搭建了缩小比例机翼模型试验台并进行了仿真测量,对系统测量精度进行了比对分析。测量结果验证了本方案的有效性、可行性,对实机测量有一定的指导意义。

低合金高强钢薄板的三维全场焊接变形研究

针对低合金高强钢薄板在焊接过程中变形的不确定性及复杂性,提出一种基于数字图像相关法的测量方法。该文以Q345和Q690薄板对比试验进行分析,得到两块薄板的三维全场焊接变形。试验结果表明:Q690和Q345薄板在焊接过程中总体变形趋势一致,都经历中间凸起,恢复,四周翘起,最终成马鞍形;但强度更高的Q690薄板在焊接过程中变形趋势更缓,变形曲线图中的拐点出现得更迟;冷却到最后,Q690薄板关键点变形比Q345薄板小。研究结果可为揭示低合金高强钢薄板焊接变形机理提供可靠依据。

基于三维激光扫描的锦屏地下实验室岩体变形破坏特征关键信息提取技术研究

针对施工期的中国锦屏地下实验室二期工程,利用三维激光扫描技术对各个实验室进行持续观测,得到开挖面原始点云数据,并通过一系列数据处理获取实验室轮廓变形、岩体结构及岩体破坏定量化表征信息。实践表明,利用CYCLONE软件处理原始点云数据,能够准确地获取实验室开挖后轮廓随时间的变化,精度满足工程要求,经现场围岩变形破坏特征证实数据处理结果符合实际规律;利用CYCLONE及基于结构面单位法向量的产状算法亦可准确快速地获取结构面产状,测量结果与传统方法结果相符。此外,利用CYCLONE、Geomagic Studio、3DMAX处理原始数据亦为统计实验室围岩破坏程度提供了简便高效的方法,获取的破坏区深度及体积与其他手段测量值基本一致。与点式监测技术相比,基于三维激光扫描的深埋硬岩隧洞监测与数据处理具备同时获取全场变形且快速、安全、高效的优势,对于研究深埋硬岩隧洞岩体力学行为是一种十分有效的技术手段。

激光全场衍射计量

传统的接触式测量方式由于接触应力将使得被测件变形,从而产生较大的测量误差。而衍射计量方法在测量缝宽、间隙、微孔直径及全场变形等方面有着高精度、非接触、高效率等优点,在精密检测方面起着不可或缺的作用,其原理简单,效果很好。

基于数字散斑相关法的气密环变形测试研究

气密环作为新型发射装置的组成部分,其承压性能对保证导弹正常发射具有重要意义。为测试气密环的承压性能,获取其在一定压力下的变形情况,搭建了1套气密环承压性能试验装置。在此基础上,分别采用拉线位移传感器和基于数字散斑相关法的XCDIC测试系统对气密环变形开展测试研究。结果表明:基于数字散斑相关法的XTDIC系统适用于气密环形变测试;相对于弹体静止工况,弹体运动对气密环变形影响较小; XTDIC系统获取的全场连续变形曲线能够为气密环结构优化设计提供数据支撑。

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。

二维多相机全场数字图像相关变形测量方法

从理论上推导了数字图像相关(DIC)方法中应变精度的影响因素,指出应变计算精度会随着窗口尺寸的变小而下降。为了提高图像有效分辨率,针对细长平面试件提出了一种二维多相机全场DIC方法。该方法根据特征点检测及匹配算法定位特征点对的亚像素位置,通过DIC方法对特征点对进行高精度配准,利用发展的逐步优化单应矩阵方法求解图像变换关系,得到变形前后的无缝拼接图像。分别实施了纯平移和橡胶梁三点弯两组实验。在纯平移实验中,该方法计算得到的应变均值误差及均方根误差均在50με以内,验证了该方法的有效性;采用橡胶梁三点弯实验对比该方法与三维多相机全场DIC方法,并基于实验结果对该方法的优点与缺点进行了分析。

基于数字图像相关方法的复合材料层间剪切性能研究

层间剪切强度是评价复合材料层合板层间力学性能的一项重要指标。首先,按照ASTM D 2344开展了复合材料层合板短梁剪切试验,研究了CCF300/5228复合材料层合板层间剪切性能。其次,基于数字图像相关方法得到了不同载荷作用下层间全场位移和应变分布。最后,利用ABAQUS建立了复合材料层合板有限元模型,分析了复合材料层合板层间位移及应变分布,并与数字图像相关计算结果进行了对比。研究表明,数字图像相关方法试验结果与有限元分析结果具有较好的一致性。数字图像相关方法能够实时监测层合板层间应变分布,进而预测层间剪切破坏位置,为复合材料层间剪切性能研究提供有效的全场应变监测手段。

数字散斑相关技术及其应用

在一些特殊的全场变形测量场合中引入了数字散斑测量技术,即利用材料表面散斑点的随机分布模式来测量变形。本文利用数字散斑相关技术研究了固体炸药的破坏模式,测量了预制裂纹尖端附近的变形分布,表明裂纹对尖端位移分布有显著影响。在电子封装结构的热变形分析中也引入了数字散斑相关技术,测量了封装结构中焊点附近区域的变形分布,显示出在焊点位置产生了由热变形不协调引起的变形梯度的高度集中。结果表明数字散斑相关技术在材料和结构的全场变形测量方面具有良好的应用前景。