基于数字图像相关法的轮轨力测量研究

针对应变计式轮轨力测量方法的不足,研究一种基于数字图像相关法的非接触式轮轨力测量方法。通过受力分析以及有限元计算,确定钢轨表面非接触测点区域位置。根据轨旁检测的特点设计测量系统的整体方案并分析了其测量原理,对相机进行了分析选型,以实现轮轨力作用下钢轨表面测点区域变形散斑图像的高质量采集。基于数字图像相关法对所采集的变形散斑图像进行分析,采用1阶形函数描述钢轨的变形,并使用零均值归一化差值平方和函数作为相似度的度量指标;为了提高系统的测量分辨精度,在整像素匹配算法的基础上,通过对位移初值进行迭代计算进一步得到亚像素级位移,并使用最小二乘法拟合位移场结果得到相应的应变场。在实验室设计并搭建了具有移动加载功能的轮轨力测量试验系统;通过静态标定试验准确建立了反映钢轨应变和轮轨垂向力大小数学关系的线性标定曲线,并分析讨论了相机工作距离和光照强度等因素对轮轨力测量的影响;在移动载荷作用下进行了轮轨力动态测量试验,与接触式应变计法测量结果进行比较,非接触式数字图像相关法在跨中位置的最大轮轨力测量误差不超过0.3%。动静态测量试验结果表明,数字图像相关法能够实现轮轨力的精确测量,是一种有效的非接触式轮轨力测量方法。

基于数字图像相关法的应变场测量系统校准技术研究综述

介绍了基于数字图像相关法(Digital Image Correlation,DIC)的应变场测量系统的原理、应用场合及发展现状,阐述了对该系统进行校准的必要性。介绍了四点弯曲校准法、单轴拉伸校准法、垂直加载校准法、散斑变换校准法等具有代表性的DIC应变场测量系统校准方法的原理,从校准维度、校准范围、装置成本、装置复杂性、计量溯源性、测量不确定度等方面对比分析了各校准方法的优势与不足,指出可通过改进传感器性能、优化测量光路、提升散斑质量等手段提升校准准确性。展望了基于DIC的应变场测量系统校准技术的发展方向,指出未来应针对大变形场的可靠产生与复现、散斑图样的三维立体化、多种校准数据的有机融合等开展研究,以进一步拓展应变场校准范围并降低测量不确定度。

基于微尺度数字图像相关法的预腐蚀对增材制造AlSi10Mg损伤失效影响

通过光学显微镜下的原位拉伸实验和微尺度数字图像相关方法(μ-DIC)观测预腐蚀增材制造AlSi10Mg的损伤演化和失效过程,并结合微观变形场演化、材料微观结构、三维腐蚀形貌和断口微观形貌等丰富的实验信息分析材料的微裂纹萌生和扩展行为。结果表明:腐蚀坑周围和亚表面缺陷(由增材制造工艺引起)的应力集中导致微裂纹萌生;存在多个微裂纹同时萌生现象,源于关键损伤区域的裂纹扩展和合并主导了试件的最终破坏;材料微观结构和腐蚀形态对微裂纹扩展也存在重要影响。

高速数字图像相关法在化学螺栓混凝土拉拔试验中的应用

提出了一种基于高速数字图像相关方法对混凝土中化学螺栓进行拉拔的试验方案,可用于捕捉和分析化学螺栓与混凝土间的变形发展和破坏形态。为实现直接观测化学螺栓与混凝土界面位移和应变场,采用半模试件进行试验研究。为证明其可行性,将半模试件与全模试件的粘结-滑移响应进行对比。结果证明,半模试件与全模试件具有一致的粘结-滑移响应,可以用来研究化学螺栓与混凝土界面的粘结机理。最后,利用高速摄像机捕捉混凝土破坏时刻的图像,通过数字图像相关法技术对采集的图像进行分析,直接测量了化学螺栓从混凝土中破坏时界面的位移和应变。

基于数字图像相关法的钢纤维混凝土断裂性能研究

为了分析钢纤维混凝土的断裂机理并评估其抗裂性能,开展三点弯曲断裂试验,对比分析不同纤维长度与不同纤维掺量的钢纤维混凝土的断裂性能。采用数字图形相关法观测试验过程中试件加载点位移、裂缝口张开位移以及韧带区域不同位置的裂缝张开位移,并计算钢纤维混凝土的断裂能、起裂断裂韧度与失稳断裂韧度。结果表明:随着钢纤维长度增加,断裂能呈现出近似线性增长的趋势;随钢纤维体积掺量增加,断裂能呈现先增长后降低的趋势,并且在纤维体积掺量为1.0%时,断裂能达到最大值。掺入钢纤维后,混凝土起裂断裂韧度小幅度提高,混凝土失稳断裂韧度显著提高,并且失稳断裂韧度随着纤维长度与纤维体积掺量的增加逐渐提高。

利用数字图像相关方法对功能梯度超高性能混凝土的裂纹扩展行为进行基础探究

本文采用数字图像相关法对功能梯度超高性能混凝土的力学性能和裂纹扩展进行了分析。改变纤维层厚度(0、25、50、75和100mm)以评估对功能梯度超高性能混凝土(FGUHPC)的影响。引入二次方程来评价FGUHPC的抗压强度。结果表明,当纤维层厚度为75mm时,纤维对弯曲强度的贡献最大,强度增强因子(ξ)为1.139。FGUHPC的裂纹扩展分析显示,随着纤维层厚度的增加,裂纹扩展呈增加的曲线趋势。建立了跨中竖向位移与裂缝张开位移呈线性关系,比例因子为0.549。

数字图像相关方法散斑质量的评价

作为试件变形信息的载体,散斑图质量好坏直接影响到数字图像相关法(DIC)的测量结果。因此,如何定量评价散斑图的优劣是数字图像相关方法测量精度提高的关键所在。针对此问题,本文基于灰度分布直方图、平均尺寸、平均灰度梯度与平均灰度等散斑特征参数进行多维度分析,遴选最优散斑,并通过零位移实验验证,为DIC测量精度的提高提供参考依据。

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。

基于数字图像相关光测法的CFRP测试与分析

为了开展碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced plastics, CFRP)片材的拉伸弹性模量和弯曲模量测试,对CFRP试件进行拉伸试验和三点弯曲试验,同时开展了电测法和数字图像相关(digital image correlation, DIC)光测法的测量与分析.研究结果表明:通过电测法与DIC光测法测得的拉伸弹性模量分别为19.1 GPa和19.3 GPa,结果较为接近;通过电测法和DIC光测法测得的弯曲模量分别为18.5 GPa和19.2 GPa,结果相差较大;基于轴拉试件的电测法数据,建立了三点弯曲有限元模型,电测法分析得到的试件位移场、应变场与DIC光测法分析结果吻合,验证了DIC光测法计算结果的可靠性;与电测法相比,DIC光测法具有非接触、场域测试特性等优点,可用于实时监测试件面域位移场,从而得到其面域应变场.

数字图像相关法在汽车门饰板低温气囊点爆试验中的应用

采用数字图像相关法对汽车门饰板在低温气囊点爆试验时的变形情况进行测试,绘制了材料在不同应变速率下的应变曲线,建立了气囊点爆时零件的位移及应变的实际图像与仿真分析结果的关联,并输出与仿真网格结点相对应的数据。结果表明:非接触式数字图像相关法既可以获得汽车门饰板材料不同应变速率下的应变曲线,又可以获得气囊点爆时高速碰撞产生的三维变形云图及数据。按照仿真网格要求划分云图,并且对齐点爆时间和坐标,输出的云图数据能够与仿真分析结果的数值进行逐点比对,可以清晰地了解仿真分析结果与实际试验结果的误差,为进一步优化仿真模型提供数据支持。

TC4钛合金板数字图像相关的受力成形破坏研究

为了探究TC4钛合金板成形过程中因受尖顶力作用产生的应力集中导致板材破裂的问题。分别在常温(20℃)和100℃下,采用尖顶顶头对0.5mm厚宽120mm和宽70mm的TC4钛合金试件分别进行成形-破坏试验,利用数字图像相关法(DIC)对钛合金板材的整个成形-破坏过程进行图像采集,通过匹配计算获取钛合金板材在整个过程中的全场位移和应变云图以及相关数据,并对获取的数据进行对比分析。实验结果显示:TC4钛合金在破裂前一刻位移Y的变化趋势在垂直方向上呈现出明显的非对称性,而位移X、位移Z,位移则呈现出近似同心圆的形状;通过对获取的数据进行分析,证明温度会影响试件的应变分布;常温下破裂前一刻应变云图近似对称分布,而100℃下应变云图沿中心垂直方向呈现非对称分布。该实验为后续对TC4钛合金板材的受力分析,位移应变研究提供了有效参考。

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。

基于数字图像相关法的铝镁质耐火材料抗侵蚀性能研究

钢渣侵蚀是耐火材料在服役过程中的主要损毁形式之一,实际侵蚀过程难以直接观察。传统上采用蚀后分析方法来评价耐火材料的抗侵蚀能力和了解侵蚀机理,但易缺少过程信息,导致结果存在偏差。因此,本文在高温可视化系统基础上,结合数字图像相关法,选取三种典型钢渣,开展铝镁质耐火材料的渣蚀行为研究,并探讨了不同钢渣及热处理温度对材料抗侵蚀能力的影响。结果表明:碱度越低的熔渣对铝镁质耐火材料的侵蚀越严重;对铝镁质耐火材料进行1 000℃以上的热处理,可有效提高材料的抗侵蚀能力;通过数字图像相关法可以获得随时间变化的平均应变曲线和侵蚀应变云图,其中平均应变曲线可以对比铝镁质耐火材料对不同钢渣的抗侵蚀能力,侵蚀应变云图可以反映侵蚀的演变过程,两者为耐火材料渣蚀过程的表征提供了量化指标。

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。

基于激光散斑数字图像相关法的热应变测量

为了解决常规数字图像相关法应用于高温工况下热应变测量时,人工制作的散斑受高热载荷冲击容易出现变色、熔化、脱落的问题,采用激光散斑作为数字图像相关法特征纹理的方法,计算温度变化前后散斑图像相关性来测量金属热应变,进行了非真空环境下加热试件的实验,以及在管式加热炉中分别对铝试件和钨试件进行人工散斑和激光散斑的真空加热实验对比,取得了相应的散斑图像,并计算出平均应变曲线数据。结果表明,在非真空环境下,由于热流扰动导致激光散斑图像抖动较大,测量出的热应变曲线存在较大的干扰噪声;铝从室温升至450℃和钨从室温升至800℃的热应变与人工散斑结果相对一致;激光散斑数字图像相关法在类似聚变堆偏滤器高真空、高热流条件下,可以有效地测出金属壁面的动态热应变。该研究为聚变堆偏滤器第一壁材料的损伤诊断提供了新思路。

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。

基于数字图像相关法的Q355钢断裂韧性研究

以Q355钢紧凑拉伸(compact tensile,CT)试件为研究对象,采用数字图像相关法(digital-image correlation,DIC)获取加载过程中试件表面全场的位移和应变。基于断裂力学理论,计算Q355钢CT试件在不同回路积分路径下的J积分,并将数字图像相关法与有限元模拟和单试样法计算的断裂韧性结果对比分析。结果表明:DIC方法与有限元模拟得到的裂缝扩展区域的应变云图吻合较好;DIC方法与有限元模拟计算断裂韧性的结果平均误差在3%以内,与单试样法计算的断裂韧性结果最大误差为8.30%,平均误差为7.41%,说明DIC技术在计算CT试件断裂韧性中是可行和准确的。

面向大变形测量的数字图像相关方法的研究进展及应用

目的探究数字图像相关方法(Digital Image Correlation,DIC)对大变形测量问题的研究现状,为相关领域展开深入研究提供参考。方法通过对增量相关、初值估计和形函数等方面的改进梳理,总结研究人员关于DIC方法在大变形测量问题的研究进展。结果现有的DIC方法研究大变形测量问题,主要通过增量方法以及结合特征检测的初值估计方法,极大地消除了去相关效应,同时对形函数的选择和结合深度学习等技术也增强了DIC方法对复杂变形的适用性。结论尽管面向大变形测量的DIC方法面临着诸多挑战,但DIC方法仍然是极具潜力的大变形测量技术之一,DIC方法在大变形测量中将发挥更重要的作用。

基于数字图像技术的致密砂岩纯剪裂缝断裂过程实验

纯剪应力状态下致密砂岩断裂过程是理解致密砂岩破坏失效机理的关键,然而在纯剪应力状态下,初始裂缝是发育扩展为I型裂缝或II型裂缝却一直有所争议。本文基于新型光学测量技术数字图像相关法和双切边压缩实验理论方法,开展了双切边压缩实验并通过数字图像相关法得到了位移和应变场。实验结果表明:双边开槽压缩实验能在槽尖(预制裂缝尖端)产生纯剪应力状态;致密砂岩试件起裂过程包含2个阶段的I型裂缝,第一阶段裂缝从槽尖起裂,第二阶段裂缝从试件中心两槽尖相连区域起裂。本文研究成果为数字图像技术应用在岩石断裂力学领域提供了新思路,对分析水力压裂中致密砂岩纯剪裂缝的演化规律有一定参考价值。

数字图像相关方法检测铜/铝复层材料应变研究

针对传统应变检测方法中存在的操作过程复杂、无法实现实时测量和受环境影响较大等问题,采用数字图像相关(DIC)方法对铜/铝复层板及其组分材料拉伸过程中的应变数值进行实时测量,将该测量结果与拉伸机获得结果、有限元模拟测量结果相互对比,结果表明:基于DIC方法和拉伸试验所得铜板、铝板及铜/铝复层板的应变曲线很接近;DIC测量所得主应变与有限元模拟主应变具有较高一致性,且表面应变分布和最大主应变基本相同,其应变相差最大为0.442%,最小为0.008%;有限元模拟所得应变差值变化较大,最大变化为4.950%,DIC方法所得应变差值变化较小,最大变化为0.693%。在该基础上,通过引入应变差值来对比研究DIC方法和有限元方法所得结果精度,证明了DIC方法用于铜/铝复层板拉伸应变检测的可行性和优越性。