基于超高速相机的数字图像相关性全场应变分析在SHTB实验中的应用

基于超高速相机和数字图像相关性全场应变分析方法对传统的分离式Hopkinson拉杆(SHTB)实验系统进行改进,获得尼龙和铝合金材料的动态拉伸应力应变曲线,验证了数字图像相关性全场应变分析在SHTB实验中的有效性。实验结果显示:该方法测量的平均应变与应变片测量结果一致性很好, 而传统的SHTB实验原理计算的应变结果则明显偏大,需要对试件原始标距进行修正后才能获得有效的试件应变,并且在试件的材料和几何尺寸不变的条件下标距修正不依赖于应变率。基于数字图像相关性全场应变测量,讨论了应变均匀性问题:脆性的尼龙试件在标距范围内应变均匀性良好,而韧性的铝合金试件表现出比较严重的应变不均匀性,归因于颈缩变形的影响。     

二维数字图像相关测量中离面位移引起的误差分析

二维数字图像相关方法作为一种非接触全场变形测量的光学方法,在工程上有着广泛的应用.由于其假设物体只发生面内位移,而实验中往往存在离面位移,从而引起测量误差.本文针对这一问题利用了针孔模型,从理论上分析了离面位移对普通镜头测量结果的影响,通过铝块平移实验验证了理论分析的正确性.利用提出的理论模型修正橡胶材料的变形测量结果,并与远心镜头测量结果进行对比,发现修正后的普通镜头测量的结果更接近远心镜头测量的结果.最后,本文根据理论分析和实验验证,给出了减小或消除离面位移造成误差的方法.     

多相机3D-DIC及其在高温变形测量中的应用

将基于双目视觉的三维数字图像相关方法 (Three-dimension digital image correlation,3D-DIC)与多相机同步采集系统相结合,形成基于多相机的3D-DIC系统。依据三维空间误差(Three-dimensional residual,3Dresidual)最小原则,确定各点对应的最佳双目视觉系统,获得物体全场三维变形。以四相机3D-DIC系统为例,与测量精度达10~20nm的电子散斑干涉测量系统同时对平板的离面位移进行测量,并对测量得到的离面位移最大值进行了对比分析。结果显示,荷载较小时,四相机3D-DIC与电子散斑干涉测量系统误差稍大,最大达到2.7%;荷载增大,物体变形增大时,两种测量系统结果基本相同。文中讨论了四相机测量系统的不稳定对实验结果的影响。利用该四相机3D-DIC系统对镍合金不锈钢材料在高温场中的变形进行测量,获得了物体的三维变形场,并分析了材料的膨胀系数,得到了试件的热应变-温度曲线和膨胀系数随温度变化的关系式。     

数字图像相关方法中散斑图的质量评价研究

在利用数字图像相关方法测量物体表面变形时,被测物体表面必需覆盖有灰度随机分布的散斑场,该散斑场作为试件表面变形信息的载体随试件一起变形。在实际情况下,不同的散斑场会显示出完全不同的灰度分布特征,并对数字图像相关方法的测量结果有着重要影响。因此如何定量评价散斑图的优劣是数字图像相关方法中一个重要的基本问题,也是该方法的使用者非常关心的问题。基于最近数字图像相关方法基本理论研究的进展,本文提出平均灰度梯度这一新参数用于散斑图质量的评价。为证实该参数的有效性,本文对五幅明显不同的散斑图进行了精确平移,并将数字图像相关方法测量的位移与预加的平移量进行比较,分析了位移测量结果的均值误差和标准差。结果显示位移测量结果的均值误差和标准差均与散斑图的平均灰度梯度有关,一个好的散斑图应该具有较大的平均灰度梯度。     

橡胶材料弹性模量数字图像相关测定法

利用数字图像相关方法测量了小应变下柔性橡胶的弹性模量.用CCD相机记录单轴压缩实验中圆柱体橡胶试样表面人工散斑图像,作为数字图像相关测量技术中的变形信息载体.分析了镜头畸变对位移测量的影响,运用数字图像相关法得出小应变范围内像胶的应力应变曲线,计算出橡胶的弹性模量.并与采用千分表所得到的结果进行了比较,两者符合较好.实...     

高超声速高焓条件下的内嵌式温敏漆测量方法

热流密度点测量结果并不能完全反映详细的热流分布特征, 尤其是针对热流梯度较大、热流分布复杂的区域, 需要热流密度场测量技术以获取全场精细的热流分布特征. 应用温敏漆测量热流密度场的方法得到了广泛应用, 但实验条件来流总温较低, 与真实飞行环境存在明显差异, 真实飞行条件下的辐射效应严重限制了温敏漆技术的应用. 针对高超声速高焓条件下缺乏热流密度场测量方法的难题, 提出了内嵌式温敏漆测量方法, 基本思想是利用温敏漆测量内壁面温度的变化历程结合热传导反问题的求解确定热流密度. 本文详细介绍了内嵌式温敏漆测量方法的测量原理、测量系统构成、数据处理方法、设计原则及该测量方法的优势. 针对高超声速风洞实验中常见的阶跃、线性和局部突变等热流密度分布进行了数值验证, 验证了内嵌式温敏漆测量方法的可行性, 并分析了风洞实验温度测量精度及噪声对测量结果的影响. 内嵌式温敏漆测量方法可用于测量高超声速真实飞行环境下细致的气动热特征, 扩展了温敏漆测量方法的应用范围, 解决了高超声速高焓条件下缺乏热流密度场测量方法的难题.      

真空环境下钨材料高温形变的数字相关测量技术研究

钨是目前聚变堆偏滤器及第一壁结构中首选的面向等离子体材料,其服役条件下的力学性能在聚变工程中具有重要参考价值和研究意义。本文采用数字图像相关测量设备在真空高热流综合实验平台上,开发了基于碳化钽的散斑材料及制备工艺,设计和实现了基于外加光源和自身辐射光源的测量光路方案,测量了钨材料试件在25℃至2000℃温度范围的热膨胀变形,所得结果与文献提供的钨材料热膨胀应变结果吻合,误差小于1%,验证了测量技术方案的准确性和可行性,为进一步发展聚变工程材料在高热流冲击工况下的观测技术打下了基础。     

小尺寸低碳钢试件吕德斯效应的三维数字图像相关测量

吕德斯效应是多种金属和合金材料由于屈服阶段的不均匀变形而在材料表面产生条带状褶皱的现象,它会使冲压件表面质量降低.为了防止它的出现,对吕德斯效应进行研究变得非常重要.采用小视场(15 mm×15 mm)下三维数字图像相关方法对小尺寸低碳钢试件在单轴拉伸载荷作用下的变形场进行测量,实际观测了小尺寸试件的吕德斯效应,结合理论模型解释了其形成机理,并分析了吕德斯带传播过程中应变及应变率的变化规律.实验研究表明,运用三维数字图像相关方法测量试件表面变形场,实现了对小尺寸低碳钢试件的吕德斯带演化过程以及颈缩、断裂等细观力学行为的观测,该方法是研究材料变形细观机理的一种有效测量手段.     

MEASUREMENT OF LÜDERS BAND IN SMALL SIZE LOW CARBON STEEL SPECIMEN BY 3D DIGITAL IMAGE CORRELATION METHOD

吕德斯效应是多种金属和合金材料由于屈服阶段的不均匀变形而在材料表面产生条带状褶皱的现象,它会使冲压件表面质量降低. 为了防止它的出现,对吕德斯效应进行研究变得非常重要. 采用小视场(15mm×15 mm)下三维数字图像相关方法对小尺寸低碳钢试件在单轴拉伸载荷作用下的变形场进行测量,实际观测了小尺寸试件的吕德斯效应,结合理论模型解释了其形成机理,并分析了吕德斯带传播过程中应变及应变率的变化规律.实验研究表明,运用三维数字图像相关方法测量试件表面变形场,实现了对小尺寸低碳钢试件的吕德斯带演化过程以及颈缩、断裂等细观力学行为的观测,该方法是研究材料变形细观机理的一种有效测量手段.     

数字图像相关法测量局域变形场中形函数和模板尺寸的影响

数字图像相关法测量均匀变形场已被普遍接受, 其测量结果可与应变片测量结果比较. 然而, 在工程测量中, 针对局域变形场(应变高度集中, 如波特文-勒夏特利埃带、试件缺口附近和裂纹尖端等), 应变片受限于其尺寸, 其测量结果是接触面内的平均应变值. 此时, 采用数字图像相关法能够测量这些局域变形场. 但形函数和模板尺寸等计算参数对计算结果影响很大, 这也导致使用者很难判断计算结果的可靠性. 论文通过对合金拉伸实验获得的不同应变梯度的波特文-勒夏特利埃带和模拟生成的带的计算分析, 发掘了形函数和模板尺寸作用于计算结果的深层机制, 证明了二阶形函数比一阶形函数更适用于高度非均匀的局域变形场. 提出了在局域应变场测量中, 当一阶和二阶形函数计算结果的相对误差小于10% 时, 二阶形函数的结果是可靠的判据.      

Direct numerical test of the B-G-K model equation by the DSMC method

In the present paper the rarefied gas flow caused by the sudden change of the wall temperature and the Rayleigh problem are simulated by the DSMC method which has been validated by experiments both in global flow field and velocity distribution function level. The comparison of the simulated results with the accurate numerical solution of the B-G-K model equation shows that near equilibrium the B-G-K equation with corrected collision frequency can give accurate result but as farther away from equilibrium the B-G-K equation is not accurate. This is for the first time that the error caused by the B-G-K model equation has been revealed. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (19772059, 19889209)     

载波条纹图的处理及应用

本文提出一种载波条纹的处理方法，将变形前、后的载波条纹图分别经过条纹细化、抽取中心、级数编码、全场拟合等处理，首先求出全场每个像素点上的条纹级数，然后再对应相减，以得到仅仅由于变形引起的干涉条纹的全场分布，文中应用该方法分析处理了差分干涉条纹图，测量了水平热管周围的温度场、温度梯度场及壁面换热系数。     

基于Harris角点检测的位移测量算法

在力学实验中,位移和应变的测量是最基本任务之一。本文提出了一种基于Harris角点检测的位移测量算法。通过检测变形前图像的角点,然后利用光流跟踪技术在变形图像中搜索其匹配点,最终计算得到位移值。算法对图像采用网格划分方式进行计算,达到了全场测量的目的。实验结果表明,该算法位移测量精度高、稳定性好,可作为基于图像处理的无损测量方法。     

考虑振动非平衡的可压缩库埃特流动及其传热

新型近空间高超声速飞行器大多具有尖头薄翼的外形,驻点下游机身附近的强剪切流动及气动加热具有显著的非平衡特征.由于加热总量预估和实验测热数据辨识的需要,工程上越来越关注强剪切非平衡流动及气动加热预测问题.本文结合理论建模和直接模拟蒙特卡洛数值模拟,研究了振动非平衡条件下的可压缩库埃特流动的气动力/热问题.首先基于参考温度...     

A high-accuracy temporal–spatial pseudospectral method for time-periodic unsteady fluid flow and heat transfer problems

A temporal–spatial pseudospectral (TSP) method is proposed for the high-accuracy solutions of time-periodic unsteady fluid flow and heat transfer problems. In this method, both the spatial and temporal derivative terms in the governing equations are computed by pseudospectral method. The spatial derivatives are computed through Chebyshev and Lagrange polynomials while the time derivatives are computed by Fourier series. The TSP method is capable of directly finding out the periodic state solutions without the necessity to resolve the initial transient state solutions, hence holds high computational efficiency and high numerical accuracy properties for the time-periodic problems. This method is validated by three 2D benchmark problems: the time-periodic incompressible flow with exact solutions; the natural convection in enclosure with time-periodic temperature on one sidewall, and on both sidewalls. The TSP results fit well the exact solutions or the benchmark solutions and the TSP accuracy is much higher than the time marching spatial pseudospectral accuracy. Some time-dependent fluid flow and heat transfer characteristic parameters are analysed. The proposed TSP method could be further extended to more complex time-periodic unsteady fluid flow and heat transfer problems where high-accuracy results are required.     

Parallax Correction for a Digital Array High-Speed Imaging System for Dynamic Deformation Measurements

In this paper, a parallax correction method for a digital array high-speed imaging system in dynamic deformation measurement is proposed based on the digital image correlation (DIC) technique. First, a new type of digital array high-speed imaging system is designed and the optical parallax of this system is analyzed. Second, a parallax correction method based on the sub-pixel shift concept is employed to eliminate the optical parallax. Finally, the corrected dynamic deformation fields of three-point bending specimen under low-speed impact are obtained using the parallax correction method. The numerical results of the dynamic deformation are in good agreement with the corrected results, which verifies the effectiveness of the proposed parallax correction method.     

The linear stability of plane Poiseuille flow under unsteady distortion

This paper investigates the linear stability behaviour of plane Poiseuille flow underunsteady distortion by multiscale perturbation method and discusses further the problemproposed by paper[1].The results show that in the initial period of disturbancedevelopment,the distortion profiles presented by paper[1]will make the disturbances growup,thus augmenting the possibility of instability.     

Numerical analysis on flow dynamics and heat transfer of falling liquid films with interfacial waves

Flow dynamics and heat transfer of falling liquid films with interfacial waves flowing on a vertical plate have been studied with originally proposed numerical simulation method. To discretize basic equations a staggered grid fixed on a physical space is employed. A small amplitude disturbance generated at inflow boundary develops to a solitary wave which consists of a large amplitude roll wave and small amplitude capillary waves. Instantaneous streamwise velocity profiles at the wave crest and trough are very different from a laminar flow. A circulation flow occurs in the roll wave and it affects temperature distributions, especially the strong effect is observed for high Prandtl number liquids. The interfacial wave enhances the heat transfer by two kinds of effects which are a film thinning effect and a convection effect. The dominating effect depends on the Prandtl number. Received on 23 December 1998     

discontinuous galerkin method for discontinuous temperature field problems

针对不连续温度场问题建立了一种间断Galerkin有限元方法,该方法的主要特点是允 许插值函数在单元边界上存在跳变. 在建立有限元方程时,通过在单元边界上引入数值通量 项和稳定性项来处理间断效应,并且数值通量可以直接由接触热阻的定义式导出. 数值算例 表明该方法可以很方便且准确地捕捉到结构内部由于接触热阻而引起的温度跳变,同时在局 部高梯度温度场的模拟方面也比常规连续Galerkin有限元方法效率明显要高. 该方法也为研 究由接触热阻引起的温度场与应力场之间的耦合问题提供了一种新的数值模拟手段.