基于双线性位移模式数字图像相关方法的误差分析及应用

探讨数字图像相关方法测试结果的误差分布规律对提高该方法的测试精度具有重要意义。本文从理论上分析了基于双线性位移模式数字图像相关方法的子区变形场测试误差分布规律,结果表明,当试件的真实变形可由双线性位移模式描述时,变形场最大测试误差通常出现在子区的边界或节点处。因此,若试件发生均匀拉伸等常应变变形,可利用相关系数选取一个最优子区,认为测得最优子区中心应变为试件真实应变。零变形实验验证了该测试方法的可靠性。最后对手机导光板试件在单轴拉伸载荷下的数字图像进行分析,并利用本文方法测试了其弹性常数。     

新型汽车结构胶剪切实验研究

利用数字图像相关方法(DICM),分别测定了准静态单向剪切拉伸试验条件下,新型汽车结构胶粘接试件和传统点焊连接试件粘接部分的剪切力学性能。实验采用了非接触测量物体应变的方法,运用CCD及其计算机图像处理系统,实时获取变形前后试件表面图像。利用数字相关软件对变形前后的图像进行分析,从而获得试件该时刻的应变。最后确定了试件拉伸过程中的力-位移曲线及应力-应变关系曲线。测试结果及分析表明:采用新型结构胶粘接试件的力学性能与点焊结构相比有明显的优势。这为该结构胶进一步改进提供了一定的实验依据。测试中的数字图像相关法是非接触测量物体应变的方法,在实际应用中有很大的意义。     

基于数字图像体相关的物体内部三维位移场分析

在二维数字图像相关算法的基础上,推导了三维数字图像体相关算法,并应用于物体内部的三维位移场分析。用计算机模拟方法对SR-CT重建的物体内部三维图像施加已知变形,对变形前后三维数字图像进行体相关运算,获得三维位移场。在计算亚像素位移时,本文提出了一种三维的基于灰度梯度的算法,给出了梯度函数,阐述了数字模拟三维体相关的计算过程,通过数字模拟实验证明了算法的正确性和可靠性。     

虚位移场方法在石墨材料力学参数测量中的应用

光测实验技术在现代力学研究中得到了广泛的应用。对于材料力学参数如杨氏模量和泊松比的测量,可利用典型加载试验如拉伸试验、弯曲试验并结合光测方法(如云纹和数字图像相关技术)得到位移值,利用载荷信息和应变场信息通过计算获得相关的力学参数。本文利用虚位移场方法测量石墨材料的力学参数。结合石墨材料的三点弯曲实验,由数字图像相关法测量得到试件表面的非均匀变形场。通过选择两组不同的虚位移场,可以反算出材料的力学参数:杨氏模量和泊松比。结果表明这种方法可以有效测量石墨材料的弹性参数。该方法可望在材料力学行为检测中得到推广应用。     

金属试件变形断裂过程的计算模拟分析——组合功密度模型的应用

本文作者已建立了一个既适用于裂纹体亦适用于无裂纹体的统一损伤断裂模型——组合功密度模型。在本文中,作者应用该模型并结合大应变弹塑性有限元方法对40Cr制的圆棒光滑拉伸试件、圆棒切口拉伸试件和三点弯曲裂纹试件的变形和断裂过程进行了计算模拟。模拟结果很好地再现了两种圆棒拉伸试件的实验过程;而对于三点弯曲试件,模拟得到的载荷——加载位移关系曲线、裂纹扩展量——加载位移关系曲线、J_R阻力曲线和断裂韧性J_(IC)值等均与实测结果相当吻合。证实了该模型既能用于模拟预测无裂纹体中的裂纹萌生和扩展,也能模拟预测裂纹体中的裂纹起裂和稳定扩展过程。     

孔周弹塑性变形与疲劳循环次数的相关性

应用白光散斑相关技术研究了孔周弹塑性变形与疲劳循环次数的相关性,以便探索疲劳寿命的预测方法.疲劳实验在单边带缺口的拉伸板状试件上进行,试件由GH4169材料制成,试件表面上喷涂了白光散斑图.疲劳加载采用0→Pmax→0的循环加载方式,加载波形为正弦波,加载频率为10Hz.实验中,按一定的疲劳循环周次在零载及最大载荷两种状态下停机、采图.应用数字图像相关技术求出孔周附近的残余位移场,并应用逐点最小二乘法求出应变场.实验中获得了一些对于疲劳寿命研究很有意义的结果.     

数字图像相关分析法增量位移场测试技术

利用位移场的连续性,对亚像素位移场的算法进行了一些改进,设计了一套分步计算位移场、应变场的测量计算方法,较好地解决了数字图像相关分析法计算精度和效率.采用增量位移场叠加的方法计算大应变位移场,采用局部平面拟合的方法计算应变场.通过对高分子材料拉伸试验位移场的测量和结果标定,说明该方法具有较强的实用性和计算精度.同时,由于避免了对亚像素点的搜索,大大提高了计算效率.     

基于数字图像相关的激光修复镍基合金疲劳损伤表征方法研究

开展激光修复镍基合金的疲劳试验，对研究修复材料疲劳性能及分析其失效行为具有重要意义。疲劳过程中，试件产生局部损伤，会导致材料力学性能恶化。如何建立光学变形场与疲劳损伤参数的定量关系实现对疲劳损伤的有效表征，是实验力学领域备受关注的问题。从激光修复镍基合金疲劳失效行为研究的需求出发，本文建立了基于单相机三维数字图像相关的疲劳光力学测试系统，并设计了包含“修复基体-修复边界-修复区”的组合型拉伸疲劳试件，在建立的测试系统下可同时测量和表征试件三种区域的全场变形。利用所建立的测试系统，实现了激光修复材料在拉-拉疲劳过程中的全场变形在线测量，得到了不同疲劳周次下的试件基体、修复边界和修复区的位移场与应变场；根据测量得到的应变场提出了疲劳中以试件历经不同循环周次后的残余应变为损伤参量的表征方法，并获得了修复镍基合金试件疲劳过程中残余应变场的演化规律。试验结果表明，在疲劳过程中，试件残余应变场内存在应变集中现象，应变集中幅值随疲劳周次的提高而增加，试件残余应变集中区域内的应变集中值远高于非应变集中区域，因此根据该结果可有效地预测疲劳裂纹萌生的时机与位置。     

白光散斑相关法多尺度分析Portevin-Le Chatelier剪切带变形

在适当的温度、应变率或预变形下,合金材料的拉伸试验中,将会出现伴随雪崩式剪切变形带的锯齿形塑性失稳、即PLC(Portevin-Le Chatelier)效应。本文利用图像相关求位移场的方法,对恒定加载应变率下(10-4/s),拉伸铝合金(A2017)试件时出现的PLC效应从宏观剪切带变形到微观晶粒变形等多尺度进行了观察和定量化的分析。通过对PLC效应发生时采集的试件表面的白光散斑图进行相关运算,得到试件表面剪切变形区域各点的精细位移,并在此基础上计算出剪切带区域的应变分布及剪切带的宽度。实验结果显示,当PLC效应发生时,剪切带区域的应变曲线呈台阶型,带的前后边缘应变梯度较大,中间近似呈平台状,带外区域应变值接近零,塑性拉伸变形主要集中在带内。     

一种考虑旋转位移分量的数字图像相关法及其精度分析

提出了一种新的考虑旋转位移分量的数字图像相关法[CD2]旋转相关匹配法,其特点是先对图像子区进行预旋转,再进行相关匹配、相关系数、整像素和亚像素位移的计算。在物体产生旋转位移分量时,该方法可有效提高变形前后图像子区间的相关系数和位移计算精度。通过斜拉伸、剪切和悬臂梁弯曲实验,对旋转相关匹配法和直接相关匹配法进行了对比研究,并用灰度梯度法计算旋转后新图像子区和变形后图像子区间的亚像素位移。结果表明,在旋转位移分量小于10°的情况下,相比于直接相关匹配法,旋转相关匹配法可以得到更高的相关系数;在用灰度梯度法计算亚像素位移条件下,位移精度与试件位移不产生旋转时的直接相关匹配相当。     

应用数字图像相关方法测量含缺陷试样的全场变形

利用数字图像相关方法测量表面带孔洞、裂纹、缺口等缺陷试样的全场变形是许多实际测量任务中经常遇到的问题。就此问题，本文阐述了一种先对要避免计算的缺陷区域进行标记，在随后进行的相关计算中直接避免这些标记区域的方法。在已计算得到全场位移的情况下，文中提出了基于局部位移场最小二乘拟合的方法来计算区域边界、孔洞、裂纹或缺口附近等区域应变。最后对单侧边带半圆缺口试样的单向疲劳拉伸实验的计算结果充分显示本文方法的有效性和可靠性。     

Digital Image Correlation Using Stochastic Parallel-Gradient-Descent Algorithm

This article proposes a digital image correlation (DIC) method based on the stochastic parallel gradient descent (SPGD) algorithm. Stochastic parallel perturbations are imposed on deformation parameters to make the correlation coefficients converge to a global extremum; thus, this allows the final measured values of the deformation parameters to be obtained and the DIC measurement to be made. Both simulated and real data processing, including rigid body and strain deformation, show that the proposed method can achieve nearly the same accuracy as the Newton–Raphson (NR) method in most cases and higher accuracy in some cases, such as the simulated experiments of rigid body translation with and without noise. It also has a good noise-robustness. Furthermore, a series of experiments have been designed to evaluate the convergence characteristics of the proposed method, and it has been proved able to process large displacement and have a stable convergence process, good robustness, and a high convergence speed when bilinear interpolation is adopted.     

Scanning-Digital Image Correlation for Moving and Temporally Deformed Surfaces in Scanning Imaging Mode

Background

Images from scanning electron microscopes, transmission electron microscopes and atomic force microscopes have been widely used in digital image correlation methods to obtain accurate full-field deformation profiles of tested objects and investigate the object’s deformation mechanism. However, because of the raster-scanning imaging mode used in microscopic observation equipment, the images obtained from these instruments can only be used for quasi-static displacement measurements; otherwise, spurious displacements and strains may be introduced into the deformation results if these scanning microscopic images are used directly in general digital image correlation calculations for moving and temporally deformed surfaces.

Objective

Realizing kinematic parameter and dynamic deformation measurements on a scanning electron microscope platform.

Methods

Establishing a scanning imaging model of moving and temporally deformed objects that contains motion and deformation equations, a scanning equation and an intensity invariance assumption for small deformations. Then proposing a scanning-digital image correlation (S-DIC) method based on combing the characteristics of the scanning imaging mode with digital image correlation.

Results

Quantitatively investigating the effects of the spurious displacements and strains introduced when using scanning images to represent moving and temporally deformed surfaces in the measurement results. Numerical simulations verify that the accuracy of the S-DIC method is 10^?2pix for the displacement, 10^?4 for the strain, 10^?4pix/s for the velocity and 10^?6s^?1 for the strain rate. Experiments also show that the proposed S-DIC method is effective. Conclusions: The results of this work demonstrate the utility of S-DIC on the field of microscopic dynamic measurement.

     

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。     

软材料接触力学问题的实验研究

针对硫化硅橡胶在刚性压头作用下的大变形接触问题,研究了橡胶类软材料接触区区域变形场的实验测量技术。为了研究硫化硅橡胶与刚性体在试件内部接触的大变形问题,本文提出了一种体内数字栅云纹实验技术,给出了该技术的原理和实现方法。然后运用数字图像处理方法得到了橡胶材料大变形位移u场、v场,并结合橡胶材料在压头作用下的理论分区模型,分析了软材料接触区域的大变形场,讨论了接触区域的变形分区规律,并初步给出了接触区域应变计算方法。     

Sequential evaluation of continuous deformation field of semi-crystalline polymers during tensile deformation accompanied by neck propagation

The localized deformation field of high density polyethylene and polypropylene during a tensile test accompanied by neck propagation was quantitatively evaluated based on the network digital image correlation method. In the proposed method, the continuity of the deformation field around a point of interest was introduced for accurate evaluation of the displacement. The accuracy of the proposed method was verified through test images. Using the proposed method, the development of a non-uniform displacement field during tensile tests was evaluated from sequential digital images. The local strain rate was almost uniform until the nominal stress reached its maximum value. After the maximum stress was reached, non-uniform deformation developed at a part of the gauge region of the specimen. A decrease in nominal stress induced a reduction of the local strain rate at regions other than the necked zone. In this study, the cross section average local true stress, strain, and strain rate can be evaluated from the local displacement field. Thus, the relationship between these quantities was evaluated during the tensile tests. Using the proposed method, the local response under wide ranges of strain and strain rate can be evaluated from a few test conditions of tensile strain rate and a small range of tensile strain. Finally, the relationships between gradients of stress, strain, and strain rate under uniaxial tension are discussed. These non-local quantities deviated from those predicted by constitutive equations when the domain size used to evaluate the local quantities was large.     

非连续数字图像相关方法在裂纹重构中的应用

数字图像相关方法作为一种新的非接触式位移测量方法,在力学工程中有广泛的应用前景,然而受限于标准方法对图像变形的连续性要求,这种高效的测量方法在断裂力学领域的推广受到了限制. 为解决这一问题,提出采用引入子区分离数学模型,代替标准方法的连续模型,来对非连续区域进行精确识别和匹配的非连续数字图像相关方法. 研究子区被裂纹等非连续分割后原始像素点的位移情况,并引入裂纹张开向量用以表征被分割子区的主区和副区的位移关系;从而建立子区分离模型的数学表达式,并且为所提出的模型设计相应的图像相关算法;然后将所提出的非连续数字图像相关方法应用于重构平板拉伸试验开裂过程中图像的位移. 研究结果表明,相比于标准的数字图像相关方法,所提出的非连续数字图像相关方法解决了图像相关法在非连续区域失效的问题,提高了数字图像相关方法对位移测量的正确率,特别是能够准确重构裂纹面及附近的位移场,其测量精度能够达到亚像素级别.      

Full-field speckle pattern image correlation with B-Spline deformation function

A full-field speckle pattern image correlation method is presented that will determine directly the complete, two-dimensional deformation field during the image correlation process on digital images obtained using computer vision systems. In this work, a B-Spline function is used to represent the object deformation field throughout the entire image area. This is an improvement over subset-based image correlation methods by implicitly maintaining position and derivative continuity constraints among subsets up to a specified order. The control point variables within the B-Spline deformation function are optimized iteratively with the Levenberg-Marquardt method to achieve minimum disparity between the predicted and actual deformed images. Results have shown that the proposed method is computationally efficient, accurate and robust. The general framework of this method can be applied ton-dimensional image correlation systems that solve for multi-dimension vector fields.     

有限宽板孔边弹塑性变形测试

测量应变集中区域的弹塑性变形，对于研究材料损伤或微裂纹的产生，以预防宏观裂纹的产生及扩展具有重要的意义。为给航空发动机轮盘的损伤容限设计研究提供相关材料的力学实验参数，做了两个有限宽中心带孔试件的拉伸试验。试验中，采用单调逐级加、卸栽的循环加栽方式，并应用自动网格法和数字图像相关技术测量了孔用的全场位移分布。再应用最小二乘法将离散的位移分量拟合成二元多项式函数，求解出拉伸方向的应变分布，并给出孔边应力σ与孔边应变εy的关系曲线。