一种基于重投影和3D-DIC的曲面变形测量方法

传统双目立体视觉测量基于立体校正进行三维重建,测量精度受标定参数精度、插值精度以及双目传感器结构的影响很大。在进行曲面尤其是大曲率ROI变形测量时,立体校正过程会导致立体图像对中不均匀变形信息的损失或者过度拟合,进而影响测量精度。为此,本文发展了一种基于重投影和3D-DIC,适用于曲面变形测量的无需立体校正或外极几何约束校正的高精度立体匹配方法。同时,这种方法也可推广用于含有不均匀变形的时序图像对的高精度匹配。具体地,本文提出了二阶变形参数初值估计方法,二阶变形参数初值生长匹配策略,全局立体匹配和时序匹配策略;进一步,给出了不依赖于立体校正和极线校正的特征点三维重建方法,全局变形场及局部应变场的计算方法。实验证明本文所提方法可实现一定曲率曲面的高精度变形测量,测量系统在一定景深内能够实现小于1μm的平均测量误差。

基于3D-SLDV和高速3D-DIC的离心轮模态分析

全场振型对于研究发动机结构动特性至关重要,介绍了基于3D-SLDV和高速3D-DIC两种全场振动测试方法的测试原理。以液体火箭发动机离心轮为例,分别采用两种技术获得了5 kHz内离心轮的固有频率和振型,对比分析了两种测试方法的优缺点,结果表明:3D-SLDV技术比3D-DIC技术具有更低的位移本底噪声,对高频振型辨识更有利,但该方法属于逐点扫描测试,测试时间长;3D-DIC技术全场数据同时采集,采集时间短,具有更精细的振型,但图像的数据量大,数据传输和分析时间长,同时这种基于位移的测试方法存在本底噪声限制。

基于3D-DIC 技术的老化UHMWPE 无纬布准静态拉伸性能研究

目的通过研究老化后的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)无纬布力学特性,了解防弹衣在自然环境下的抗老化性能,为防弹装备使用和存储提供科学指导。方法采用三维数字图像相关技术(3D-DIC)和万能材料试验机开展了其准静态拉伸力学性能测试。结果十年自然老化后的UHMWPE无纬布应力应变曲线仍呈近似线性特征,但平均拉伸模量仅为18.0 GPa。结合试验过程中的全场应变变化过程,分析了UHMWPE无纬布试件的变形特性,发现拉伸过程中应变在分析区域内的分布较均匀。结论十年自然老化后的UHMWPE无纬布软质防弹衣平均拉伸模量明显降低,防弹性能无法满足使用要求。

基于3D-DIC系统的白砂岩单轴压缩应变率效应的力学性能试验研究

通过选取典型岩样,研究了白砂岩在10^(-5)~10^(-3)s^(-1)应变率范围内的单轴压缩性能,采用3D-DIC系统观测和采集岩样表面位移云图,并分析不同应变率下岩样变形破坏特征差异。结果表明,岩样表面位移场变化反映了破坏面演化规律,剪切破坏面与位移场集中存在对应关系。全局轴向应变差异主要发生在微裂隙压密到弹性变形期间;加载初期,全局径向应变存在差异,在峰值强度时下端部区域径向位移最大,岩样上端部变形受到端部效应影响,径向向外膨胀受端面与垫片间摩擦限制;此外,下端部局部轴向应变大于上端部区域。随着加载速率增大,岩样从延性特征向脆性特征转变。加载速率较低时,岩样破坏过程中孔隙坍塌使得部分裂隙再次闭合、滑移而产生摩擦效应,从而使峰值强度附近的应力-应变曲线出现波动。白砂岩峰值强度、弹性模量、泊松比等力学参数随加载速率增大而增加。

小视场下基于可移动3D-DIC的全场应变测量方法

由于试件工作环境空间有限,全场应变分析面临着相机光轴和试件表面不垂直和不同区域图像拼接获得的全景图像中存在拼接缝的问题。基于此,提出了基于可移动三维数字图像相关法(3D-digital image correlation,3D-DIC)全场应变测量方法,用于高分辨率形变和应变测量。该方法将双目相机安装在稳定的滑动台结构上,通过控制相机采集叶片不同位置图像,重建试件表面完整图像。提出基于散斑点匹配融合算法,将不同区域图像拼接为叶片全景图像。静态误差分析试验和均匀应变场分析试验被设计验证该方法的有效性。试验结果表明,该方法的横向和轴向应变误差分别为0.98%和1.03%,表明应变分析中具有较高的精度。该方法有效地实现了小视场环境下样本的全场应变测量。

基于光斑投影3D-DIC的动态液面波高场测量方法研究

动态液面波高场测量与面型三维重建是流体力学、晃荡动力学等研究领域中的重要问题,但目前仍缺乏一种简易且高效的高精度全场测量手段.基于光斑投影和三维数字图像相关(3D digital image correlation,3DDIC)原理,提出了一种动态液面波高场的测量方法.通过液体染色和光斑投影,在液体表面形成光斑纹理,设置双目相机拍摄动态液面的散斑图像.运用交比不变性标定板及张正友标定法获得双目相机内外参矩阵,并基于反向组合高斯牛顿(inverse-compositional Guass-Newton,IC-GN)的3D-DIC算法实现动态液面波高场的高精度三维重构.进一步建立光斑投影的几何光学模型,模拟规则波液面的双目图像,开展数值模拟测量以验证本方法的理论精度,同时开展真实液面波高场的测量验证.结果表明,本方法可实现动态液面波高场的高精度全场测量,模拟液面测量的均方差为0.004 mm,真实静态液面抬升测量的均方差为0.022 mm,真实动态液面测量的均方差小于0.037 mm.本文方法具有高精度、非接触和全场测量等优势,可在实验室流体测量和相关工程场景中推广应用.

基于3D-DIC的UHMWPE软质防弹衣性能测试

软质防弹衣可有效拦截常规手枪弹和低速破片,是警察等执法人员的主要防护装备。为研究某超高分子量聚乙烯(UHMWPE)软质防弹衣在枪弹冲击下的动态力学响应,使用三维数字图像相关技术(three-dimensional digital image correlation,3D-DIC)进行了9 mm手枪弹侵彻软质防弹衣试验。试验获得了软质防弹衣背后鼓包(back face signature,BFS)的变形场、速度场和应变场等数据。结果表明:软质防弹衣在受子弹撞击后1 000μs内BFS高度急剧增加,达到了34.2 mm;随后增长变缓,约在3 000μs时BFS高度达到最大值60.2 mm;BFS形状由最初的四棱锥形变为最后的“金字塔形”;BFS速度在受撞击后200μs内迅速增长,达到最大值约为126.3 m/s,随后缓慢下降并趋向于0;防弹衣背后vonmises应变场分为4个L型区域,应变最大值出现在“L”的拐点处,400μs时防弹衣的最大vonmises应变为0.27。最后,采用改进的Gauss函数对不同时刻的BFS轮廓进行了曲面拟合,为快速估算任意时刻BFS形状提供了一种有效技术手段。

3D-DIC技术在SHPB实验教学中的应用与实践

为了优化传统分离式霍普金森压杆(SHPB)实验教学内容,帮助学生理解实验原理和变形概念,将三维数字图像(3D-DIC)相关技术引入到SHPB实验教学中。分析了SHPB实验原理和3D-DIC基本原理,介绍并演示了基于3D-DIC技术的SHPB实验流程,并以混凝土动态压缩实验为例,指导学生进行散斑场布置、动态实验和数据处理分析等。结合3D-DIC技术的动态压缩实验,获得了试样在动态荷载作用下的破坏过程,揭示了试样中裂纹的扩展及应变场的变化规律,弥补了应变片单点测量的不足,激发了学生的学习兴趣和主观能动性,加深了学生对动态力学中变形和破坏机理的理解,取得了较好的教学效果。

基于3D-DIC的多裂隙灰岩裂纹扩展及连接规律研究

为深入了解中间裂隙倾角对含裂隙灰岩裂纹扩展和连接的影响,对含预制裂隙的灰岩试样进行单轴压缩试验。通过3D-DIC技术得到了试样破坏过程应变场演化图,并结合裂纹扩展过程图分析灰岩试样破坏的全过程。研究发现:主应变场的演化过程就是高应变区的扩展过程,该过程与裂纹起裂、扩展和贯通过程具有很好的一致性。随着中间裂隙倾角的增大,中间裂隙上的应力集中区域会由裂隙中部向裂隙两端转移,而平行裂隙上的应力集中区域会由裂隙端部向裂隙中部转移,同时,平行裂隙与中间裂隙之间的连接裂纹种类并不会随着中间裂隙倾角的改变而发生改变,皆为拉伸连接裂纹。中间裂隙倾角的改变对灰岩试样最终破坏模式影响较小,试样破坏大多为劈裂或拉伸破裂。该试验的研究方法和结果对研究处在层状岩体地质条件下的工程围岩稳定性具有一定的参考价值。

多孔PDMS基底复合柔性互连导线拉伸时3D变形行为研究

目的探究多孔聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底复合柔性互连导线的透气性能和延展性能,以使其更好地应用在医疗领域。方法本文采用三维数字图像相关(3D-DIC)方法检测了25℃下不同孔隙率的多孔PDMS基底复合柔性互连导线单轴拉伸过程中导线与基底的面内应变失配和离面位移特征。在此基础上,本文引入平均位移(wm)和位移幅(wa)作为量化表征复合柔性电子离面变形的指标,并结合多孔PDMS基底的气密性实验结果评价了不同导线样品。结果研究结果表明,多孔PDMS材料作为基底能显著降低复合柔性电子的离面变形程度,并使复合柔性电子具有良好的透气性。在相同拉伸载荷(20 N)和拉伸距离下,PDMS与去离子水质量比为6∶1时的多孔PDMS基底复合柔性互联导线具有稳定的离面变形变化量。结论多孔PDMS基底复合柔性电子不仅具有良好的透气性,而且可以有效地增强金属互联层与柔性基底的粘连程度。本文所获得的PDMS与去离子水最佳掺杂质量比,可为制造高延展性多孔基底柔性电子器件提供参考。

基于3D打印矩形板件的轴压屈曲试验研究

针对刚性基底上矩形板件的局部稳定问题,制作了4组不同宽厚比参数的光固化3D打印树脂矩形薄壁管进行基于数字图像相关(DIC)技术方法的轴压试验,可视化研究了矩形板件在单侧约束条件下的受压屈曲演化过程,同时进行了树脂材料的拉伸材料性质试验。引入基于Koiter理论的p-w^(2)预测方法,利用该方法预测试验结果的实际屈曲荷载,将试验结果与理论计算屈曲荷载结果对比分析。结果表明:与无侧向约束的自由板件相比,侧向约束作用可以提升板件屈曲荷载和极限强度,该效果最少可达到1.5倍和1.7倍;较薄板件具有更大的初始缺陷,侧向约束无法对形成紧密约束,导致其屈曲波长和自由板件相差不大;对于自由板件,其理论屈曲荷载值较拟合屈曲荷载值总是偏大,而对于受侧向约束作用的板件,理论屈曲荷载的预测效果较好,证明了理论计算方法和p-w^(2)拟合方法的可靠性。

爆炸聚能作用下混凝土试件劈裂的高速3D DIC实验

为探寻非钻孔条件下露天爆破大块二次破碎形态的控制方法,应用线性聚能射流对圆柱混凝土模型试件进行侵彻实验,使用High-speed 3DDIC(高速三维数字图像相关方法)方法分析试件劈裂发展过程的全场三维形变特征。研究结果表明,数据分析区内劈裂裂纹扩展速度在4个区间内呈阶梯式变化趋势,峰值速度为235.52m/s,平均速度为140.89m/s;线性聚能射流侵彻对劈裂裂纹扩展有明显导向作用,应力集中作用使得劈裂裂纹围绕线性射流侵彻对称轴扩展,扩展方向变化幅度较小;在劈裂裂纹扩展速度突变的3个时刻,劈裂裂纹路径产生了3处明显拐点,在拐点处伴随有支裂纹的产生,支裂纹的扩展距离均未超过5cm;主应变集中带形状及分布位置决定了裂纹扩展路径及趋势,拉应变集中先于裂纹出现,试件呈现准静态劈裂形态,劈裂面平整度较高。

基于3D-DIC技术的砂岩变形局部化荷载速率效应试验研究

利用可视化三轴压缩伺服控制试验系统研究了不同加载速率条件下砂岩的变形局部化特征。通过3D-DIC测试系统,获得了砂岩在三轴应力条件下的轴向及径向应变场云图,分析了加载速率对砂岩变形局部化的影响规律。研究表明:在峰值强度前,砂岩表面变形较为均匀;在峰值强度时出现应变集中现象,且在峰后阶段迅速扩展,最终形成贯穿试样表面的变形局部化带;随着荷载速率增加,砂岩的峰值强度、弹性模量、泊松比、峰值点轴向应变和峰值点径向应变均增大;当荷载速率从1×10^–6 s^–1增大到1×10^–3 s^–1时,变形局部化启动应力随之增大,且轴向及径向变形局部化启动应力水平即比值σA/σpeak和σR/σpeak分别从峰后的92.00%、93.75%变至峰前的97.17%、96.00%,表明砂岩变形局部化具有较为明显的荷载速率效应。

基于3D-DIC技术的防弹头盔性能测试与评估

为研究防弹头盔在非贯穿侵彻情况下,头盔的瞬态力学响应规律以及对人体头部造成的钝性损伤程度,采用三维数字图像相关技术(3D-digital image correlation, 3D-DIC)开展了试验研究,获得了头盔内部鼓包高度、变形速度和变形区域的面积等数据,并结合钝性准则和简明损伤定级标准对头盔变形可能造成的头部损伤程度进行了评估.试验结果表明,在非贯穿侵彻过程中,瞬时鼓包的最大高度平均值为27.8 mm,静态鼓包高度平均为9.5 mm.头盔与颅骨间的间隙对头部钝击损伤严重程度有显著影响,当间隙为12.7 mm时,平均AIS分值为5,平均颅骨骨折概率为22.3%;当间隙为15 mm时,平均AIS分值为2,平均颅骨骨折概率为3.8%.

基于DIC的3D打印交叉节理试件破裂机制研究

为研究交叉节理的存在对岩体破裂机制的影响,采用3D打印技术制备了可模拟岩体交叉结构面的节理模型,通过相似材料浇筑形成含预制交叉节理的试件,并基于数字图像相关技术(DIC)分析了单轴压缩下试件裂纹起裂、扩展及破坏模式。研究结果表明:采用3D打印技术制作的闭合节理模型,可以有效替代传统的切割、插缝等方法形成的张开型节理裂隙。基于此展开的试验结果表明,交叉节理存在会显著降低试件强度,且随着交叉角度的增大,试件强度先升高后降低,在45°和60°之间达到最大值,峰值应变与强度呈现相反的变化规律;裂纹扩展过程可分为微裂隙闭合阶段、微破裂发展阶段、主节理起裂扩展阶段和次节理迅速延伸阶段,这与应力-应变曲线各阶段一一对应。研究还发现,在交叉节理岩体中,次节理对破裂的影响主要体现在峰后阶段,结合最大畸变能理论表明,其对主节理尖端应力分布影响较小,主节理对岩体的破坏起绝对控制作用,这对岩体工程有一定的指导意义。

基于DIC的含不同角度3D打印粗糙交叉节理试样破裂机制研究

粗糙交叉节理广泛存在于实际岩体中,含不同角度粗糙交叉节理试样的力学破裂演化特性研究对岩体工程具有重要的指导意义。基于Barton节理轮廓曲线,通过3D打印技术制作不同角度粗糙交叉节理模型,浇筑成试样后进行单轴压缩试验,并采用DIC技术对试样表面的变形特征进行了处理与分析。结果表明:主节理倾角较大试样的单轴强度基本小于主节理倾角较小试样,主次节理夹角γ在45°~60°之间时对试样的单轴抗压强度和弹性模量影响最大;通过对DIC应变云图、节理尖端全程应变和应变率激增点分析可知,起裂主要发生在主节理上下端和次节理上端,起裂应力在峰值应力的90%至峰值阶段,屈服阶段裂隙扩展速度缓慢,快速扩展主要发生在峰后阶段;粗糙交叉节理试样的起裂方向与平直节理试样不同,节理尖端裂隙多以剪切形式存在,远端在最大主应力的作用下多演化为张拉裂隙;主节理下端的应力强度因子基本大于次节理上端,说明主节理对试样的破裂起主要作用,节理尖端的KⅡ多大于KⅠ,说明起裂扩展受剪切作用大于张拉作用。

基于DIC技术的3D打印节理试件破裂机制研究

为了准确表征不同角度预制节理岩石在单轴压缩下的变形破坏模式,基于3D打印技术制作了节理模型用于模拟岩体中的结构面,通过水泥砂浆的浇筑得到含不同角度预制节理的岩石试件并进行单轴压缩试验,同时采用数字图像相关技术(DIC)观测、分析试验过程中试件裂纹产生、扩展以及贯通过程。结果表明:随着预制节理从0°增加到90°,试件强度与峰值应变均呈现先降低后升高的变化趋势,0°和45°试件弹性模量相对于完整试件有所降低。基于DIC检测结果,0°、30°、45°及60°试件裂纹皆从预制节理尖端部位起裂,各角度试件的起裂应力与试件强度变化规律一致。各角度试样起裂时在剪应力控制下以剪切翼型裂纹形式起裂,0°与45°试件裂纹在扩展过程由剪切发展为张拉型裂纹,30°和60°试件以剪切裂纹形式贯穿始终,90°试件从底部起裂并最终表现为张拉破坏。研究还发现,下翼起裂角θ2和上翼起裂角θ1之间存在明显的线性正相关关系,关系式为θ2=0.828 6θ1+12.185,且起裂应力大小变化与峰值应力变化一致,皆随节理角度的增加先减小后增大。

基于3D-DIC对爆炸作用下碳纤维层合板的变形研究

针对3种不同铺层的碳纤维复合材料层合板,设计了开放式爆炸加载实验,研究不同的炸药质量和爆炸距离下层合板的动态力学行为。基于两台高速相机,搭建了高速三维变形场的实验测量系统,记录层合板在爆炸作用下动态变形过程。通过三维数字图像相关方法(3D-DIC)软件计算得到层合板在冲击波作用下的动态位移场和应变场。研究发现:层合板在弱冲击波作用下只发生弹性变形,正交铺层和准均质铺层均表现出良好的抗冲击能力;在强冲击波作用下层合板会产生分层、基体开裂、纤维断裂等形式的损伤,铺层顺序对损伤形式有很大影响。

基于3D-DIC的砂岩裂纹扩展及损伤监测试验研究

裂纹监测对岩石损伤演化的认识至关重要。为研究岩石裂纹扩展及损伤变形特性,开展了含不同倾角(0°~90°)预制裂隙的标准细黄砂岩样的单轴压缩试验。利用三维数字图像相关技术(3D-DIC)获取岩样三维空间坐标下的应变分布,并结合声发射从光学与声学的角度监测了裂纹的扩展演化。由此提出了一种裂纹主应变的计算方法,定量表征岩石劣化的损伤变量D值。最后,探讨了由声发射与损伤变量D值确定岩样特征强度的影响因素。结论如下:(1)裂纹主应变反映了岩样受荷过程中同源裂纹在时间上的变化速率与空间上的扩展趋势,能较好地表征岩石的开裂行为;(2)声发射适用于确定岩样的起裂应力,不适用于损伤应力的确定,损伤变量D值所确定的起裂应力滞后于声发射,但适用于损伤应力特征值的确定;(3)结合声发射与DIC技术确定的归一化起裂应力范围为0.63~0.94、归一化损伤应力的范围为0.83~0.99;(4)预有裂隙会影响岩石的材料力学性能。随着倾角的增加,岩石的起裂应力、损伤应力及峰值应力呈增长的趋势,由于难以形成局部应变场聚集,裂纹的萌生与起裂更加困难。结果表明,3D-DIC技术的利用可以提高对岩石开裂行为的理解,对岩石的损伤监测与判识更有重要的意义。

基于3D-DIC技术的约束岩石裂缝扩展研究

采用RMT-301B岩石与混凝土力学实验系统对施加预应力值为峰值强度20%、40%、60%的泥质白云岩进行单轴压缩实验,并借助三维数字图像相关技术(3D-DIC)测试系统观测受约束岩石试样的变形和破坏形态,研究泥质白云岩在约束条件下的位移场和Tresca应变场的演化过程.结果表明:(1)岩石的破坏过程是由内向外扩展,当应力积累超出岩石承受范围后,岩石出现裂纹,随后裂纹尖端继续扩展,应力也发生了重分布,岩石内部多组裂纹开始联合扩展、贯穿,直到试件发生完全破坏.(2)含约束岩石在单轴压缩下一共有轴向劈裂破坏、沿片理破坏、Y形破坏、共轭剪切破坏四种破坏形态,且以轴向劈裂破坏为主.