基于数字体相关方法的3D打印材料内部变形测量

采用工业CT设备获取3D打印材料试样受载变形前后的三维数字体图像,并使用数字体相关(digital volume correlation,DVC)方法计算出试样内部三维位移场和三维应变场,研究试样在载荷作用下的内部变形与损伤演化规律,通过设计制作具有1700 N拉压加载能力的原位加载装置,结合微纳CT设备建立拥有原位加载与观测能力的DVC方法实验装置,其最高成像分辨率可达10μm。结果表明:对采用激光选区熔化(selective laser melting,SLM)工艺方法制作的3D打印铝合金试样进行原位拉伸实验,并使用DVC方法获取试样内部的全场位移与应变数据,测得的弹性模量数据与常规实验方法结果完全吻合,验证了使用DVC方法对内部位移场和应变场进行测量的有效性。

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。

数字体图像相关方法的亚体素算法性能研究

高性能的亚体素位移测量算法是提高数字体图像相关方法测量精度的关键因素之一,选取最佳算法具有十分重要的指导意义,文中总结三种最为常见的亚体素位移测量算法,即拟合算法、前向累加牛顿-拉弗森(FA-NR)算法以及三维反向高斯-牛顿(IC-GN)算法,通过计算机模拟散斑体图像平移实验和椎骨零应变实验,对比不同算法的测量精度和计算效率。平移实验结果表明:IC-GN算法的测量精度最优,最大误差为0.0060 voxel,而拟合算法精度最低且稳定性较差,然而其优势是计算效率快,其计算效率是IC-GN算法的6.41倍,更是高于FA-NR算法的20倍之多。零应变实验结果表明,IC-GN算法和FA-NR算法在原位扫描时测量精度及稳定性均同样优于拟合算法。综合两组实验结果表明,IC-GN算法为最佳亚体素位移测量算法。

数字体图像相关方法中的残余灰度场计算研究

残余灰度场是变形前后数字体图像中对应体素点的灰度之差。在基于有限单元的全局数字体图像相关(DVC)方法中,残余灰度场作为计算区域各体素点匹配质量的目标函数,可直接计算获得,并可用于材料内部损伤演化或裂纹扩展的精细表征。然而,当前广泛使用的基于图像子体块的局部DVC只能获得计算区域内各离散计算点的位移、应变和相关系数信息,无法直接计算区域内各体素点的残余灰度。相较于相关系数和变形信息,残余灰度场可实现逐体素的匹配质量评价,在内部损伤或裂纹扩展的可视化观测和准确定位方面具有显著优势。为能在局部DVC中获得残余灰度场信息,提出一种简单有效的残余灰度场计算方法。该方法基于三维Delaunay四面体剖分算法,并利用有限元框架对局部DVC离散计算结果进行稠密插值,以获取逐体素连续位移场,并将其用于变形体图像校正。模拟和真实实验结果表明,基于局部DVC测量结果后处理计算获得的残余灰度场不仅可以实现精准的损伤定位,还能观测到裂纹形貌以及界面脱黏行为。所提方法弥补了当前局部DVC在精细化匹配质量评价方面的不足,有望拓展该方法在材料和结构内部损伤观测和定位中的应用。

数字体图像相关方法中基于迭代最小二乘法的物体内部变形测量

本文提出一种基于迭代最小二乘法的亚体素位移测量算法。该算法模型结合了符合实际情况的线性灰度变化模型和线性位移映射函数,采用仅需变形后体图像一阶灰度梯度的迭代最小二乘法计算亚体素位移和位移梯度。由于该算法采用的模型符合实际情况,因而具有更高的位移测量精度和更广泛的适用性。此外,由于仅需变形后体图像的一阶灰度梯度,无需计算其二级灰度梯度,因此极大地减小了计算复杂性。计算机模拟实验显示基于迭代最小二乘的亚体素位移测量算法原理简单、易于实现,具有较强的抗干扰能力,可用于真实体图像内部三维变形的高精度分析。

DVC中内部散斑质量评价及计算体素点的优化选择

数字体图像相关方法(digital volume correlation,DVC)是一种可测量物体内部三维全场变形的先进实验力学测试技术,通过分析由体图像成像设备(如X-ray CT)获取的物体变形前后的三维体图像,DVC可获得物体内部具有亚体素精度的三维变形信息.在应用DVC测量内部变形时,被测试样体图像的内部散斑质量对其测量精度有着重要影响.本文从DVC算法位移测量误差的理论分析和数值模拟实验两方面证实了DVC的位移测量误差与计算子体块的灰度梯度平方和(sum of square subvolume intensity gradient,SSSIG)值呈负相关关系,即:计算子体块的SSSIG值越大,其位移测量精度越高,因此SSSIG可用于体图像内部散斑质量的定量评价.尽管直接增加计算子体块尺寸可以增加SSSIG,但是较大计算子体块内更多的计算点会导致计算量的显著增加.为此,本文进一步提出一种计算体素点优化选择方法,该方法通过将计算子体块中灰度梯度较小的体素点剔除出计算,以实现在增大计算子体块尺寸的同时不会显著增加计算量.模拟和真实实验结果显示了该计算体素点优化选择方法的有效性.

高斯预滤波对数字体图像相关测量的影响

图像噪声会严重影响数字体图像相关(DVC)方法的测量精度,因此,通过数值模拟平移实验、真实重扫描实验和压缩实验研究了图像噪声及高斯预滤波对DVC位移测量结果的影响。实验结果表明,高斯预滤波能显著降低图像的噪声水平,从而减小由噪声引起的系统误差,但对插值误差的影响较小,原因是高斯预滤波会降低图像的灰度梯度。因此,高斯预滤波可以显著提高经典前向累加牛顿-拉弗森算法的精度,但对反向组合高斯-牛顿算法的精度影响不大。此外,高斯预滤波处理可提升2种算法中各计算点的相关系数,得到匹配度更高的子体块。

花岗岩残积土复杂次生裂隙的分类与损伤特征

裂隙的萌生、拓展演化对土体的损伤与破坏至关重要。为了研究岩土工程性状复杂的花岗岩残积土在荷载作用下内部细观裂隙的演化规律,利用CT扫描土体的三轴压缩过程,获得一系列重构数字体图像;引入裂隙体积重叠率用于改进笔者提出的裂隙分类方法,提高其在判断变形前后两裂隙团连通性的准确性。研究结果表明:裂隙体积重叠率的变化对湮灭型裂隙和新生型裂隙影响轻微,但对其余类型裂隙有不同程度的影响,表现为试样变形越大其影响也越大,综合选取裂隙体积重叠率为0.05时具有较好效果。随着轴向加载的增大,其中湮灭型裂隙和新生型裂隙的体积含量随着轴向应变的增大而增大,且新生型裂隙的体积含量增长更快,而复合型裂隙的体积含量呈衰减趋势,其余3种裂隙的体积含量均较小。通过分析不同类型裂隙的分形特征显示,裂隙的分形维数与体积含量变化相似,其中湮灭型裂隙、新生型裂隙和合并型裂隙呈增长趋势,新生型裂隙的分形维数增长最快,说明新生型裂隙更能够反映试样的剪切破坏过程。该研究成果将为岩土体的裂隙损伤分析提供理论与技术支持。

基于工业CT和DVC方法的增材制造铝合金结构内部变形测量

数字体相关(Digital Volume Correlation,DVC)方法是一种能够对结构内部全场变形进行直接测量的技术。本文建立了基于工业CT(Computed Tomography)设备、自行研制的原位加载装置和商用DVC分析软件的结构内部变形测量系统,设计多种结构形式的试样,可产生从简单到复杂的不同内部变形场,采用激光选区熔融(Selective Laser Melting,SLM)工艺制作拉伸、双环型压缩和缺口拉伸等增材制造铝合金试样.进行原位加载及成像实验.使用DVC方法获取了试样内部三维位移场与应变场数据。相比标准材料,实验中测得的简单拉伸试样的弹性模量出现显著下降,与机械测量结果完全吻合,这是试样打印时引入的高孔隙率导致的;双环型压缩试样在载荷作用下产生了预想的含梯度应变场.其分布形式与有限元方法计算结果吻合;缺口拉伸试样的应力集中现象在测量得到的三维变形场中有明显表现。本文研究结果验证了使用DVC方法对增材制造铝合金材料内部三维变形场进行测量的可行性和有效性。