基于自适应多曝光融合的高动态范围表面测量方法

为解决结构光测量高动态范围表面物体时出现局部过度曝光或曝光不足的问题,提出一种改进的多曝光融合方法,利用自适应曝光代替手动曝光,并对图像融合过程进行优化。首先,将初始曝光时间下拍摄的图像利用直方图进行分析,将被测物体表面反射率不同的区域分为若干组,分别计算出每个组别的最佳曝光时间;在此基础上,拍摄不同组别对应最佳曝光时间下投射白光和条纹的图像,并去除图像中超过设定阈值的高灰度值区域,再将投射白光处理后的图像制作成掩模图,与相同曝光时间下投射条纹处理后的图像相乘,进而对多组相乘后的图像进行亮度压缩与融合;最后,通过CLAHE算法提高融合后所生成条纹图的对比度与清晰度,并对条纹解相后进行点云重建和尺寸测量。实验结果表明:文中方法中自适应曝光相较于手动曝光具有高效性和准确性,U型卡、连接块、圆盘三个高动态范围表面物体的点云重建率分别高达99.98%、99.74%、99.76%,测量出的标准块阶梯高度差绝对误差为0.062 mm,相对误差仅为0.69%,该方法有效解决了高动态范围表面物体测量时点云缺失的问题,提高了三维轮廓的测量精度。

聚氯乙烯/热塑性聚氨酯共混合金的静动态力学性能及微观结构分析

为了揭示聚氯乙烯(PVC)/热塑性聚氨酯(TPU)共混合金的静动态力学性能以及微观结构对共混体系力学性能的影响,采用万能材料试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)实验装置对PVC/TPU合金开展准静态、动态力学性能实验,获取了较宽应变率范围(0.001~5800 s^(-1))内的应力-应变曲线,并通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)及扫描电镜(SEM)对PVC/TPU合金微观结构进行表征。结果表明,材料在准静态拉伸及动态压缩下均具有显著的应变率强化效应。共混比会影响其微观结构及力学性能,共混比为90/10(PVC/TPU)时,材料弹性模量、峰值应力及断裂伸长率最高,且两相相容性最好;随着TPU占比增加,材料的拉伸与压缩力学性能下降,两相之间出现明显的界面层;此外,共混比为50/50时,材料相结构较为复杂,出现双连续相与“海-岛”结构共存的复杂形貌。

PVC/TPU共混材料静动态力学性能及本构模型研究

利用万能材料试验机和高速拉伸试验机对2种成型方式和6种共混比的聚氯乙烯/热塑性聚氨酯(PVC/TPU)共混材料开展静动态拉伸力学性能测试,并基于断裂伸长率和邵氏硬度进行成型方式和共混比优选。进一步获取了共混材料在较宽应变率范围(0.001~700 s-1)的应力⁃应变数据,并进行了拉伸断面的微观表征。结果表明,模压成型材料断裂伸长率更高,共混比为90/10时材料具有最高的断裂伸长率,邵氏硬度符合试验假人软组织材料的硬度范围(邵尔40~70 A)。共混比为90/10(PVC/TPU)材料在静动态载荷下均具有显著的应变率效应。选取朱⁃王⁃唐(ZWT)方程和Sherwood⁃Frost方程构建了材料的本构模型,对比发现Sherwood⁃Frost方程拟合效果更好。形貌分析发现,静动态加载下,材料均为典型的脆性断裂,未出现明显的相分离现象。随着应变率的增加,断面逐渐变粗糙,并产生空穴及微小裂纹。

长尾夹输送振动盘设计与仿真分析

为满足长尾夹淬火工艺所需的竖直紧凑排列送入淬火炉的要求,设计专用的输送振动盘,并对输送过程进行运动仿真分析。首先设计振动盘结构,建立三维模型。然后确定振动盘各部件材料参数和动力参数等,对振动盘及其输送物料进行运动仿真,模拟长尾夹在振动盘中的运动状态,以检验振动盘设计的合理性。通过ADAMS运动仿真确定振动盘合适的振动频率,从而保证长尾夹能够以竖直站立的姿态平稳输送至振动盘的出口处,进而进入淬火炉。并对振动盘中易损坏的零件弹簧板,设计了三种结构,通过有限元应力应变分析比较,得出最优结构为3块3 mm厚弹簧板。最后制作实物样机验证振动盘输送长尾夹符合淬火工艺需求,设计合理可靠。

聚氯乙烯弹性体动态拉伸力学性能实验研究

为研究软质高分子聚合物材料的静、动态拉伸力学性能,利用Instron-5943万能材料试验机和改进型分离式霍普金森拉杆(SHTB)实验装置对聚氯乙烯(PVC)弹性体材料进行了静、动态拉伸实验,得到了该材料在应变率为0.1 s^(−1)及400~1850 s^(−1)下的应力-应变曲线。动态拉伸实验过程中,联合波形图分析和高速摄像方法对试样连接方式和胶黏剂进行了优选,通过脉冲整形器延缓入射波上升沿以实现恒应变率加载,调整入射杆与吸收杆间空隙解决了入射波基线偏离问题。结果表明:PVC弹性体在准静态(0.1 s^(−1))拉伸载荷下具有明显的线弹性特征,在动态(400~1850 s^(−1))拉伸载荷下具有一定的黏性特征。构建了朱-王-唐(ZWT)非线性黏弹性本构模型以表征PVC弹性体材料的黏弹性力学特征,实验与模型拟合结果较吻合。

基于改进的自动多曝光和数字光栅投影技术的强反射表面形貌测量

采用数字光栅投影技术对强反射表面物体进行形貌测量时,由于采集的图像出现局部过明或过暗的现象,造成测量精度下降。基于此,提出一种改进的自动多次曝光图像融合技术,首先通过系统灰度响应曲线确定合适的测量灰度值范围,并根据基准点拟合出相机响应函数,计算出所需的曝光时长和次数;其次,将相机采集的不同曝光时长下光栅条纹图像与投射纯白图像下制作的掩膜图像相乘并进行线性变换叠加,采用对数变化提升叠加后光栅条纹图的暗部区域细节;最后通过解相计算出被测物的三维点云数据。实验结果表明,该方法可以准确计算出曝光时长和次数,融合后的图像条纹清晰完整,对于具有强反射表面的标准块、水泵压板护套和回程盘,点云重建率分别达到99.80%、99.20%、99.40%,提高了强反射表面的形貌测量精度。

外加磁场环境下45钢疲劳过程磁记忆特征及其损伤模型

为明确外加磁场环境下铁磁构件疲劳损伤过程磁记忆信号变化规律,以45钢为对象,开展了地磁场(40 A/m)及外加磁场(200、400、600 A/m)环境下的低周疲劳实验。获取了各疲劳损伤阶段的磁场强度法向分量H_(p)(y)及梯度值K,提取了H_(p)(y)极差值H_(p)(y)Rv和K最大值Kmax,结合经典疲劳损伤模型进行了磁特征损伤累积参数拟合,构建了疲劳损伤模型。结果表明:随着疲劳循环周次增加,各数据采集点的H_(p)(y)值、应力集中部位K值和H_(p)(y)Rv值逐渐增大。相同循环周次下,随着外加磁场强度的增大,各数据采集点H_(p)(y)值和H_(p)(y)Rv值逐渐增大,且对应于疲劳断裂阶段的K_(max)值逐渐增加。所构建的基于H_(p)(y)Rv的疲劳损伤模型拟合度较高。本文可为铁磁构件疲劳损伤评估提供技术方法支持。

面向主动再制造的零部件结构参数优化及强度冗余配置

为满足主动再制造设计过程中零部件应力、寿命、能耗等多参数指标优化需求,提出了面向主动再制造的零部件结构参数优化及强度冗余配置方法。阐述了结构参数优化及强度冗余配置流程框架,构建了结构参数与静应力、疲劳寿命、全生命周期能耗及成本间的函数模型,并采用TOPSIS方法进行结构参数的多目标优化。在此基础上,以最优结构参数对应的时均能耗及时均成本为评价指标,经有限次重复博弈确定主动再制造时机,通过强度冗余因子解算实现强度冗余配置。以某型号六缸发动机曲轴为例,选取主轴半径、臂宽和过渡圆角半径作为关键优化参数,开展结构参数优化及强度冗余配置,验证了方法的有效性。

聚氯乙烯弹性体静动态力学性能及本构模型

为揭示聚氯乙烯弹性体在静、动态载荷下的力学性能,采用万能材料试验机和改进的分离式霍普金森压杆实验装置获得了材料在应变率为0.001、0.01、0.1、1 510、2 260和3 000 s-1下的应力应变曲线,并以屈服强度为整形器优选参数,对比了紫铜、铜版纸和铅等3种整形器材料的整形效果。使用修正的ZWT非线性黏弹性本构模型描述聚氯乙烯弹性体在静、动态载荷下的力学性能。结果表明:聚氯乙烯弹性体在静态载荷下具有应变率效应和显著的超弹性特性,动态载荷下表现出较明显的应变率效应和较强的抗变形能力,且静动态载荷下的力学行为受应变历史影响较大。3种整形器材料中铜版纸的整形效果最好。修正后的ZWT非线性黏弹性本构模型能够得到统一参数的本构表达式,且各应变率下的拟合结果与实验结果具有较好的一致性。

双频投影条纹相位展开方法的改进

为解决双频外差法展开条纹相位中出现跳跃性变化的问题,提出了一种改进方法。首先,根据外差原理计算出条纹级数的小数部分,再由该条纹级数对应频率的光栅条纹的相位主值计算出当前小数部分的实际值。然后,根据相位主值自身误差设置判定阈值,并用该阈值对上述计算值与实际值的差值进行判断。最后,根据判断结果对中间参量的周期次数进行加或减的调整,以校正绝对相位。通过在仿真双频条纹图案的相移图中加入不同均值和方差的高斯噪声,对比校正前后的相位图,分析了改进方法对相位跳跃性误差的校正率,并通过样件实测实验来验证该方法的实用效果。实验结果表明,该改进方法对绝对相位跳跃性误差的校正率可达90%以上,具有较强的抗噪性和实用性。

基于投影栅相位法和多曝光图像融合技术的强反射表面轮廓检测

光栅投影三维测量技术因其非接触式、分辨率高和精度高等优点,已成为应用最为广泛的三维测量技术之一,但对于具有强反射表面的被测物,所采集的图像会出现局部过明或过暗的现象,导致测量的点云缺失,影响测量精度。为了实现强反射表面物体三维轮廓的精确测量,提出一种改进的多曝光图像融合技术。利用白光投射下不同曝光时长的图像制作掩模,分别与光栅投射下相应曝光时长的条纹图像相乘,将所得图像进行线性变换后叠加,再对其灰度值归一化后进行伽马变换和灰度值还原,最后利用所得条纹图像解相并计算被测物体表面三维点云数据。实验表明,该方法在一定程度上克服了因物体局部高光而导致的点云缺失,对于法兰片、标准块和U型卡三种具有强反射表面的被测物,分别能计算出99.8%、99.1%和99.3%的点云数据,实现了强反射金属表面较为完整的三维轮廓检测。

熔融沉积PLA材料动态力学行为及本构模型研究

为分析低、高应变率下增材制造熔融沉积材料聚乳酸(PLA)的静、动态力学性能,利用万能材料试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)实验装置分别对3种打印速度(40、80、120 mm/s)的PLA材料进行加载应变率为0.0005、1000、1500、2000 s^-1的静、动态力学性能测试,并观测了试样表面微观形貌。结果表明,PLA材料的弹性模量、屈服应力随应变率的增加而显著增加;微观形貌分析发现,打印速度为80 mm/s的材料缺陷较少,相同应变率下,该打印速度材料的弹性模量和屈服应力明显高于40 mm/s和120 mm/s 2种打印速度材料;静态载荷下,PLA材料会出现明显的弹性和塑性阶段,且塑性段呈现出了应变软化现象;动态载荷下,PLA材料具有显著的黏弹性特征,选取朱-王-唐(ZWT)模型建立了材料的黏弹性本构,该本构模型拟合曲线与实验曲线吻合较好。

熔融沉积工艺参数对热塑性聚氨酯弹性体静动态力学性能的影响

为揭示通过熔融沉积成型(FDM)工艺制备的热塑性聚氨酯弹性体(TPU)的静动态力学性能及工艺参数对其力学性能的影响,采用万能材料试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)实验装置对使用3种打印速率(10、40、70 mm/s)和3种喷头温度(200、220、240℃)制备的TPU开展准静态(0.01 s^(-1))和动态(1000 s^(-1))加载下的力学性能试验,并进行工艺参数优选,同时进一步获取了材料在较宽应变率范围(0.001~2500 s^(-1))的应力-应变样本空间数据。结果表明,准静态和动态加载下,喷头温度220℃、打印速率40 mm/s为最优工艺参数;试样在准静态和动态下均具有应变率效应;准静态下试样超弹性特征显著,动态下结合朱-王-唐(ZWT)方程构建的材料黏弹性本构模型拟合曲线与实验曲线吻合较好;采用最优工艺参数制备的试样出现明显“微相分离”现象。

碳钢试样拉伸过程磁信号多尺度熵特征提取及磁畴观测

为揭示碳钢试样拉伸损伤过程磁信号多尺度特征,选取45钢试样开展准静态拉伸实验,提取磁场强度法向分量H_(p)(y)和磁场强度梯度K的多尺度熵特征,结合上述特征,选取支持向量机方法构建了损伤评估模型。利用原子力显微法观测各拉伸损伤阶段的磁畴形貌,提取了磁畴相位角特征。结果表明:各拉伸损伤阶段H_(p)(y)均存在对应于隐性损伤区域的零值点,随着损伤程度增加,H_(p)(y)绝对值增大,K值曲线在H_(p)(y)零值点处出现峰值。各阶段H_(p)(y)多尺度熵值随尺度因子的增加呈上升趋势。随着损伤程度的增加,H_(p)(y)多尺度熵值降低,而磁畴相位角呈逐渐上升趋势,颈缩和断裂阶段H_(p)(y)多尺度熵值再次升高,磁畴相位角则开始下降,所构建的损伤评估模型具有83.3%的损伤识别精度。本文成果可为铁磁构件在役检测及损伤评估提供方法模型支撑。

光固化光敏树脂蜂窝结构试样动态力学行为及本构模型

为明确光固化成型技术制备的蜂窝状结构光敏树脂材料的力学性能,使用万能材料试验机和分离式霍普金森压杆实验装置对原始实心试样和不同胞元直径的圆形蜂窝结构试样进行不同应变率的力学性能测试。结果表明:光敏树脂的弹性模量和屈服极限随应变率的增加而增加。低应变率下,光敏树脂达到屈服极限后出现了应变软化和应变硬化现象,体现出光敏树脂的粘弹性。高应变率下,光敏树脂呈现出显著的应变率效应以及应变率敏感性。蜂窝结构试样的弹性模量和屈服极限随着胞元直径的增加而降低。最后建立了高应变率下光敏树脂的ZWT非线性粘弹性本构模型,拟合的数据与实际数据能够较好地吻合。

基于数字图像相关法的熔融沉积聚乳酸材料动态力学性能测试

为研究熔融沉积聚乳酸(PLA)材料动态的力学性能,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对PLA材料进行了加载应变率分别为880、1 230、1 650、2 230 s-1的动态压缩实验,通过高帧率图像采集设备获得了不同应变率下PLA材料的变形图像,结合数字图像相关(DIC)法分析得到PLA试样表面沿加载方向的应变场,并对应变率进行了分析。结果表明,熔融沉积PLA材料在动态载荷作用下的变形过程存在弹性阶段、塑性阶段和卸载阶段;随着应变率的增加,PLA材料在塑性阶段出现了显著的塑性流动区域;PLA材料的压缩强度和最大应变均随应变率增大而增大;利用DIC法测得在整个动态冲击实验过程中,应变在试样中分布基本均匀,应变范围随应变率增大而增大,应变率在整个加载过程中基本保持恒定;DIC法测得的应变与SHPB实验基本一致,应变率误差均小于3%,表明本研究使用的DIC法能够应用于SHPB实验。

固溶温度对TC4钛合金微观组织和动态拉伸力学性能的影响

为揭示固溶温度(850、920、960℃)对TC4钛合金微观组织和动态拉伸力学性能的影响,采用XRD、SEM和EBSD方法对材料晶体结构、微观组织和晶粒取向等特征进行分析,选取分离式霍普金森拉杆(SHTB)实验装置进行了材料的动态拉伸力学性能测试,构建了Johnson-Cook(J-C)本构模型,开展了动态拉伸断口形貌分析。结果表明:随固溶温度的升高,材料中α/α′含量升高,初生α相含量降低,针状α′含量升高,晶粒尺寸减小且择优取向强度增大;TC4钛合金具有明显的应变率强化效应,随固溶温度的升高,材料屈服强度和维氏硬度逐渐增大,断裂延伸率降低;动态拉伸断口整体表现为韧性断裂,随固溶温度升高,材料塑性降低,在固溶温度960℃时,试样韧性断裂特征不显著。本研究结果可为TC4钛合金力学性能调控及抗冲击设计提供方法和数据支撑。

选区激光熔化316L不锈钢高应变率压缩下的塑性变形行为

对选区激光熔化316L不锈钢(SLM-316L)的高应变率(1000、2000、3000 s^(-1))压缩力学性能进行测试,用扫描电镜和背散射衍射(EBSD)等手段表征冲击加载前后试样的微观结构,并分析晶体结构的差异以及位错滑移、孪生行为等微观变形机制。结果表明:SLM-316L不锈钢在高应变率载荷作用下有显著的应变率强化效应,其微观组织由截面呈不规则多边形的柱状胞晶密排结构组成,高应变率加载使晶体取向的择优性降低、小角度晶界和孪晶界数量增加,且孪晶界在小角度晶界的交叉缠绕区分布密集,试样的塑性变形过程伴随着位错滑移及孪生行为。

基于光栅投影的配油盘球面分割及尺寸测量

配油盘作为液压系统的核心元件之一,其曲面尺寸是否合格直接关系到液压系统的性能。针对其表面部分轮廓特征提取困难、测量误差较大的问题,提出一种基于附加图像边缘检测的球面分割及尺寸测量方法:首先,采用Sobel算子对拍摄的配油盘图像边缘进行锐化并提取球面部分轮廓形成掩膜;然后,借助掩膜分割出球面部分的四步相移图,采用四步相移法求解相位主值,并使用双频外差法展开相位;最后,通过系统标定,计算得到配油盘球面部分的三维点云数据,并进行球面拟合。试验结果表明:采用该方法能够分割出较为清晰的球面部分点云图,基于点云数据拟合的测量精度99.238%,高于依据高度分割、区域生长分割、RANSAC(random sample consensus)分割和手动框选等方法的测量精度,实现了配油盘球面尺寸的高精度测量。

一种基于偏振热像的金属疲劳损伤评估方法

为克服红外热像法的不足,提出一种基于表面红外偏振热像特征的金属疲劳损伤评估方法。首先给出金属疲劳损伤评估偏振热成像的理论基础,然后通过实验说明疲劳损伤过程表面微观形貌的变化规律,再基于Tsalis熵进行目标图像分割并分析其特征,最后通过主成分分析进行特征选择并构建基于BP(back propagation)神经网络的非线性预测模型。结果表明,模型训练、验证、测试结果与实际实验测量值具有较好的相关性,Q235平板试件的拉-拉疲劳损伤预测平均误差小于20%。