DIGITAL SPECKLE CORRELATION METHOD IMPROVED BY GENETIC ALGORITHM

The digital speckle correlation method is an important optical metrology for sur- face displacement and strain measurement.With this technique,the whole field deformation in- formation can be obtained by tracking the geometric points on the speckle images based on a correlation-matching search technique.However,general search techniques suffer from great com- putational complexity in the processing of speckle images with large deformation and the large random errors in the processing of images of bad quality.In this paper,an advanced approach based on genetic algorithms (GA) for correlation-matching search is developed.Benefiting from the abilities of global optimum and parallelism searching of GA,this new approach can complete the correlation-matching search with less computational consumption and at high accuracy.Two experimental results from the simulated speckle images have proved the efficiency of the new approach.

白光DSCM方法用于岩石变形观测的研究

本文分析了白光 DSCM(数字散斑相关测量 )方法用于岩石材料表面变形观测的可行性及优越性 ,并根据岩石材料变形的特点将普通的 DSCM方法进行改进 .DSCM方法应用于岩石变形观测中 ,使观测过程得到简化 ,同时有助于解决岩石力学中一些难题 .文中的实验结果证实了该方法的可行性和优越性 .

基于DSCM的竹炭力学参数测量及破坏分析

为了解竹炭力学性能,采用DSCM方法研究了竹炭的弹性模量、泊松比以及抗压强度,并对竹炭材料的顺纹和横纹破坏过程进行了简单分析。结果表明:竹炭的横纹压缩强度、弹性模量和泊松比均比顺纹压缩低;竹炭的破坏模式受其结构控制,顺纹压缩常表现为突发式破坏,试件内部前期变形均匀,最后发育沿载荷方向的裂纹,横纹破坏表现为渐进式破坏,试件内部前期变形不均匀,最后发育与载荷方向成一定角度的裂纹。该研究在生物质材料的力学参数及力学性能研究方面均具有一定的可行性和优越性。

考虑岩土材料变形时空非均匀特征的DSCM快速分析方法

岩土材料在外荷载作用下其变形通常表现出时间与空间分布上的非均匀性特征,在应用DSCM（数字散斑相关方法）进行图像像素测点的相关搜索过程中,传统方法通常对于全部试验阶段的图像和同一幅图像上的所有测点均采用相同的搜索范围,显然,这是一个虽然简单但效率很低的图像搜索分析方法。提出一种依据参考网格的测点动态范围搜索方法（简称PDSS）,即首先利用常规搜索方法分析获得一个间距较大且覆盖正式分析范围的测点网格的位移,然后以其作为正式图像测点分析的参考网格,最后,对任一测点,以其所在的参考单元节点的最大位移作为该测点的搜索范围值,从而可实现与测点变形大小相适应的动态范围搜索。PDSS方法本质上是通过减少相关分析的像素点数量来大幅提高图像分析速度。试验检验结果表明,PDSS方法相对于普通方法的图像分析速度通常可提高10倍左右。研究成果解决了具有时空非均匀变形特征的岩土材料DSCM的快速优化分析问题,可进一步提高DSCM在岩土材料变形量测中的应用技术水平。

汽轮机叶片振动疲劳试验振幅的DSCM实时监测技术

大型汽轮机叶片结构与受力状态复杂,国际标准要求采用交变或脉动载荷在专用设备上测定悬臂梁式模拟叶片试件的振动疲劳极限。介绍了作者专门设计的振动疲劳试验装置,采用DSCM技术实时精确测定叶片在试验中典型截面的振幅。研究表明该非接触式测量技术具有良好的测试精度,尤其在实时监测中更为有效。

混凝土裂纹扩展过程的测量方法研究综述

为充分应用混凝土结构物的承载能力及保障其运营安全,需及时进行裂纹检测,并掌握裂纹扩展情况。针对混凝土裂纹扩展过程的试验测量,主要介绍了光弹性贴片法、云纹干涉法、电子散斑干涉法和数字图像相关方法4种测量方法,并从原理、特点以及在混凝土裂纹扩展过程测量中的应用等方面分析了4种方法的优缺点。结果表明:电子散斑干涉法和数字图像相关方法能更好地应用于混凝土裂纹的测量,本文成果可为混凝土裂纹扩展测量方法的选择提供一定的理论支撑。

DSCM在中温环境下SnSb8.5焊丝变形测量中的应用研究

研究了无铅中的一种SnSb8.5焊丝的力学性能,它是大变形材料并且在中温环境下进行应变测量,因此,普通引伸计不适用.在此,介绍了一种非接触式的应变测量方法———数字散斑相关法(DSCM).DSCM有着全场、非接触、高精度和易操作方面的突出优点,将DSCM应用于中温环境中SnSb8.5无铅焊丝的应变测量.首先用实验验证了此方法的可行性,再将其应用于中温环境中SnSb8.5焊丝的力学性能测试,并成功得出了应力应变数据,为无铅材料的推广应用提供了理论依据.

直升机旋翼三维动态变形测量与可视化分析

针对直升机旋翼动载荷飞行试验测试需求,提出一种直升机旋翼三维动态变形测量与可视化分析方法。首先,根据直升机旋翼的结构特点和高速旋转特性,设计了以一组双目高清摄像头为核心的旋翼动态变形影像测量与监控及分析系统;其次,基于双目立体视觉测量理论,论述了测量系统标定、实时单点变形测量、散斑影像匹配、旋翼表面三维重建与三维动态变形可视化分析原理/方法;最后,在地面进行了模拟实测环境的仿真试验,实现了试验系统搭建、试验数据采集、处理与分析。试验结果证明,该方法可获得最大误差优于4 mm的定位测量精度,能很好地实现直升机旋翼三维动态变形测量,为飞行试验旋翼载荷测试数据分析等提供直观、可靠的数据与技术支撑。

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。

透明试样受集中载荷的应力应变同步测量方法

本文提出了一种结合数字梯度敏感(digital gradient sensing, DGS)方法和数字图像相关(digital image correlation, DIC)方法,可实现平面应力状态下透明试样受集中载荷的应力应变同步测量方法。分别在透明试样和散斑板表面制备蓝色和红色的荧光散斑,然后利用3CCD相机分离试样和散斑板上特定光谱的荧光散斑,从而实现前后两个散斑图像的独立成像。分别计算可得到透明试样的应变和应力梯度场。通过展开半平面集中力加载实验,进行实验结果与解析值的对比,验证了此方法的可行性。

基于印刷散斑DIC技术的飞行器结构力学实验教学设计

印刷散斑数字图像相关技术是一种先进的非接触式全场应变测量技术,将其应用于飞行器结构力学薄壁结构实验教学,可以直观呈现薄壁结构中板元件的应变分布,对于加深学生对薄壁结构力学分析方法的理解有很大帮助。同时也从实验内容和实验技术两方面对原教学实验项目进行了拓展,有助于学生及时了解和掌握先进的实验力学测试技术,扩宽知识视野。

软弱破碎深埋隧道围岩渐进性破坏试验研究

利用相似模型试验对深埋隧道围岩渐进性破坏特征进行研究。相似模型针对大断面、软弱破碎、深埋铁路隧道围岩。模型材料选择重晶石、石英砂、凡士林按一定比例配制而成。采用自主研发的平面应变模型试验台、气囊加载装置和千斤顶加载装置作为加载系统。利用白光散斑方法监测系统监测加载过程中隧道围岩表面应变场演化规律,利用压力盒监测加载过程中围岩压力的变化。试验结果分析表明:(1)隧道拱腰处在逐渐加载过程中形成剪切的V型楔形体,拱顶没有破坏但产生较大拉伸变形。拱腰处的剪切破坏范围逐渐扩大到拱顶,最终在拱顶上方形成剪切的拱形裂纹。(2)拱腰近洞壁一定范围内径向压力先增加后减小说明该处存在松动区,围岩深处存在切向压力升高区对应压力拱拱体;拱顶上方近洞壁存在径向压力减小区域对应松动区,围岩深处最大主应力方向发生偏转,该处对应压力拱位置;深埋隧道围岩受力分区特征为松动区–压力拱拱体–原岩应力区。

基于微区统计特性的数字散斑相关测量亚像素位移梯度算法

提出了一种形式简单、求解快速、稳定性好和精度高的用于数字散斑相关方法亚像素位移求解的微区梯度算法。介绍了算法原理,并给出了四种不同模式的算法公式。采用模拟图像,介绍了四种模式在计算时间、计算子窗口时对结果的影响,并对适用范围和求解精度等方面进行了分析对比。最后的计算实例验证了算法的可行性和优越性。

应用数字散斑相关方法实验研究雁列断层变形破坏过程

以数字散斑相关方法(DSCM)为观测手段,对雁列断层结构的破坏过程进行了实验研究,观测和分析了变形破坏过程中模型表面的变形场演化过程.断层结构由一块含两条平行割缝的大理岩平板模拟,模型试件在双轴试验机上加载;DSCM观测系统在加载过程中记录试件表面的散斑图像,然后分析得到模型表面待测区域各记录时刻的位移场及应变场.全场连续的变形数据清晰地反映了雁列断层结构的变形破坏过程的各种细节.实验结果显示,变形最初集中在断层带周围,然后迁移到雁列区,最后雁列区贯通,结构发生滑动导致整个结构发生失稳破坏.对变形破坏过程中的变形场进行统计分析发现,一种描述变形局部化特征的统计指标—Cv值,可以作为一个雁列断层破坏的前兆指标.

岩石变形破坏的数字散斑相关方法研究

采用白光数字散斑相关方法作为实验的观察手段,对单轴压缩条件下岩石变形破坏进行实验研究。根据实验中数据采集方式的不同要求,将实验分成2组进行:一组是通过CCD相机记录岩石加载全程的试件表面散斑图像,进行岩石加载全程的变形演化实验研究,根据计算结果对岩石加载全程的变形演化和变形集中区域的位移演化进行研究;另一组是通过高速相机记录岩石破坏瞬态过程的试件表面散斑图像,进行岩石破坏瞬态过程的变形演化实验研究,采用不同时刻的散斑图像作为参考帧,分别进行塑性硬化到峰值阶段变形场演化特征、峰值到破坏阶段变形场演化特征的分析。同时,实验研究中还得到试件加载过程中局部化带内变形量值、带内变形最大值与最小值之比,带内最大值与带外平均值之比,以及试件表面裂纹扩展的平均速度等定量参数。

岩石圆孔结构破坏过程变形场演化的实验研究

采用自行设计的岩石材料破坏过程变形场监测系统(Geo-DSCM系统),观测了受单轴压缩的岩石圆孔结构破坏过程中的变形场演化。圆孔结构由大理岩方板在中心钻孔加工而成,以0.02 mm/min的位移加载速度进行单轴压缩至破坏。实验结果表明,载荷水平较低时圆孔结构的拉应力集中部位发生变形集中现象;当载荷水平接近加载曲线的峰值点时,变形集中在两条共轭的与加载方向成一定角度的局部化带上;之后,变形的集中迁移到其中一条带上集中,结构最终在此带上形成宏观裂纹而破坏。

高速冲击载荷作用下巷道动态破坏过程试验研究

冲击地压瞬时释放大量积聚能量,造成巷道严重破坏,直接影响煤矿安全生产。利用爆炸加载相似模拟试验和数字散斑观测方法(DSCM),研究高速冲击载荷作用下巷道动态破坏过程。试验结果表明,高速冲击波以巷道方向传递为主,顶板处变形较大,顶板岩层与煤岩体交界处发生错动,上部岩层明显下沉,顶板岩层受拉剪破坏,裂缝逐渐发育延伸至巷道;冲击波重复作用致使顶板岩体破碎,进而造成巷道局部破坏或垮塌。数字散斑观测结果说明,在高速冲击载荷作用下,顶板产生下沉位移约为4 mm,进而冲击波向两帮传播,岩层破碎后沿表面剥离脱落,表现为散斑计算结果云图中出现白色空白区。

数字照相量测在岩石隧道模型试验中的应用研究

在节理岩石隧道的三轴相似模型试验研究中,应用数字照相变形量测技术,采用自行研发的岩土工程数字照相量测软件系统PhotoInfor,对隧道围岩的变形破坏模式和不同围压作用下的变形破裂演变过程进行试验观测和定性、定量分析;针对隧道围岩破裂带量测难点问题,提出一种基于图像相关分析的围岩破裂带的准确识别新方法——图像钻孔法,通过在试验图像上沿着隧道周边径向设置多组pixel测点(一组测点称之为一个图像钻孔,各组测点间距为1pixel),利用PhotoInfor得到隧道围岩破裂带分布图,根据各组图像钻孔测点位移的突变位置,可对围岩破裂带的范围进行准确界定,同时发现,隧道围岩破裂带产生后破裂区内岩块再破裂的现象,这将有助于进一步深入分析岩体破坏后的力学行为。研究结果表明:数字照相量测不仅在砂土模型试验中应用效果良好,也是岩石相似模型试验中有效的变形量测手段,在岩土力学与岩土工程试验研究领域中可广泛进行推广应用。