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.      

后验概率算法用于位移场的确定

提出了一种基于贝叶斯最大后验估计算法确定固体表面位移场的方法。在图像处理过程中，把位移看作随机变量，首先建立贝叶斯模型，对变形前数字图像中的一个像素点，选定变形前后两幅数字图像中对应的圆形子区，将两子区所对应的所有可能位移逐一代入贝叶斯后验概率公式进行计算，使后验概率最大的位移值就是所求该点的位移。在得到整像素位移之后，引入亚像素重建技术，确定图像的精确位移场。本文通过计算机数字模拟实验和实物标准位移实验，验证了该方法的可行性，并得到了0．02pixel的位移测量精度。     

基于Haar小波变换的位移场测量方法

本文提出了一种应用小波变换对固体表面位移场进行测量的新方法，在图像分析时，用各点属于不同尺度的小波变换系数来表征该点周围的子区。将试件表面位移前后的两幅数字图像进行小波变换，通过变形前后两幅图像小波变换系数之间的相互匹配，使位移前后两幅图中的子区对应起来，从而确定图像的位移场。本文应用Haar小波变换进行了计算机模拟实验和实物位移实验。引入亚像素技术，获得了0．02的位移测量精度。     

数字图像相关方法中匹配及过匹配形函数的误差分析

基于图像子区的数字图像相关方法需采用合适的形函数来近似目标图像子区的真实变形。由于实际测量时目标子区的局部变形往往是未知的,实际采用的不同阶次(零阶、一阶和二阶)的形函数不可避免地产生误匹配(欠匹配和过匹配)问题,从而引入位移测量的系统或随机误差。尽管由欠匹配形函数引起的系统误差已被充分认识,由过匹配形函数引起的位移误差仍缺少理论解释。本文首先推导出采用一阶和二阶形函数的数字图像相关方法的随机误差理论公式,随后采用一系列数值实验验证了理论公式的准确性。结果显示:过匹配形函数不会引入额外的系统误差,但会增加随机误差,且二阶形函数的随机误差是一阶形函数的二倍。考虑到由欠匹配一阶形函数引入的系统误差往往远大于过匹配二阶形函数的随机误差,因此在未能确知变形的情况下,推荐使用二阶形函数。     

基于退相关DIC的疲劳裂纹全局动态测量方法

工程材料和结构在反复荷载长期作用下容易发生疲劳开裂, 疲劳裂纹测量对于开展科学试验研究和工程问题分析都至关重要, 但现有方法无法实现高精度的疲劳裂纹全局动态测量. 本文基于数字图像相关(digital image correlation, DIC)技术, 合理利用DIC的退相关效应, 提出一种疲劳裂纹全局动态测量及可视化方法. 该方法首先在相机采集得到的裂纹图像内, 建立具备拓扑关系的目标点云结构, 并运用DIC亚像素算法得到裂纹区域位移场, 再基于零均值归一化互相关(zero-mean normalized cross correlation, ZNCC)计算结果剔除退相关的DIC目标点(灭点). 进一步通过“三生点”算法提取得到裂纹离散边界, 并采用最小二乘法将离散边界拟合为连续裂纹边界, 实现裂纹形态的几何重构, 最终自动计算得到裂纹长度和宽度的动态变化过程. 该方法原理清晰、理论简单, 易于实现. 开展数值模拟和钢节点疲劳试验, 对相关算法和图像采集参数进行了验证, 结果表明本文方法对疲劳裂纹边界的数字化重构误差在0.5个像素内, 基于重构结果计算得到的裂纹长度和宽度误差分别为0.46像素和0.08像素(类同于0.06 mm和0.01 mm), 并成功实现了对疲劳试验裂纹扩展形态的精细化动态测量及可视化. 研究成果证明了DIC技术用于疲劳裂纹全局动态测量及可视化的有效性, 并在测量精度、效率、成本等方面具有显著优势, 可在实验室测量和工程现场测试中推广应用.      

数字图像相关中亚像素位移测量算法的研究

为提高位移测量精度而提出的各种亚像素位移测量算法被认为是数字图像相关方法 中的关键技术之一,详细了解已有各算法的性能无疑具有实际意义. 总结文献中3种 最常用的亚像素位移测量算法,首先用无噪声的计算机仿真散斑图对各算法的性能从计算精 度和计算效率两个方面进行了比较研究,并用实际实验图片对其性能做进一步的研究,结果 显示在图像子区大小相同的情况下,基于空域相关函数迭代的牛顿-拉普森方法计算结果最 为精确、稳定.     

基于主应变场的混凝土全表面开裂特征实时测量与分析

测量裂纹的扩展过程对于揭示混凝土结构的破坏机理和评价其力学性能十分重要. 本文提出了一种基于混凝土表面变形场的裂纹定位和宽度测量方法, 首先基于多相机数字图像相关方法得到混凝土试件表面的高分辨变形场, 发现开裂引起的位移梯度使裂纹附近的虚主应变场明显区别于未开裂处, 且主应变场在裂纹法线方向近似高斯分布. 借鉴在激光条纹中心线定位中广泛采用的Steger算法思想, 提出了基于主应变场的裂纹定位方法, 并将裂纹两侧位于法线上的面内位移向量做差沿裂纹法线方向上的投影为Ⅰ型裂纹宽度, 沿裂纹切线方向上的投影为Ⅱ型裂纹宽度, 最终得到了裂纹每一点的位置和宽度. 利用高精度平移台设计了模拟裂纹扩展的实验, 以验证Ⅰ型裂纹宽度的测量精度. 实验结果表明: 裂纹宽度的测量误差在0.010 ~ 0.017像素之间, 与理论预测相符; 测量误差的标准差在0.006 ~ 0.008像素之间, 测量结果比较稳定. 在同等分辨率下, 本文方法的测量精度优于基于图像的裂纹测量方法. 本文提出的方法可以全自动、实时地测量裂纹扩展, 为混凝土实验提供了一种可靠、精确的全场裂纹测量手段.      

金属表面改性中界面力学性能的实验研究

提出了适用于微区测量的两步数字图像相关法,采用二阶泰勒多项式子区位移模式有效地降低了截断误差;采用B-样条插值函数提高了亚像素重建的精度;采用拟牛顿迭代法提高了计算速度等,使微区内应变测量精度控制在100~150με。在残余应变测量中通过数字标记点相关技术实现了试件的精确复位,提高了其测量精度。文中利用上述方法测量了镀层改性试件跨界面的位移场和应变场,分析了裂纹对镀层的影响以及测出了基材中引起的残余应变;同时对镀层改性界面结合性能作了定量比较。     

基于数字图像相关法的透明液滴形貌测量方法

对固体表面液滴形貌的测量与分析是探究固-液相互作用、表面性能表征中的重要环节。然而,透明液滴通常在光学系统中难以成像,从而为其全场形貌测量带来了极大困难。为此,本文提出了一种透明液滴三维形貌测量方法,以液滴诱发图像位移结合折射成像规律实现液滴形貌的测量。首先,通过数字图像相关法测量液滴导致的固体表面图像位移;其次,建立基于折射成像的物理模型,确立图像位移与液面高度之间的关系;最后,由实验测量到的图像位移,结合物理模型求解液面高度,实现液滴三维形貌的重建。实验结果表明,所提出的方法能够准确地测量固体表面的液滴三维形貌,并且适用于不规则液面的测量。     

准脆性材料中强不连续问题的数值方法若干应用及其研究进展

综述了模拟准脆性材料开裂过程的数值计算方法的研究进展和工程应用,比较了表征强不连续问题的显式非连续模型和隐式非连续模型的优缺点.结合混凝土粘结裂纹, 重点讨论了嵌入非连续模型,扩展有限元方法和富集有限元技术等非连续方法的构造特征和本质区别.从各种富集方法的理论完备性考察,以假定发展应变为基础的嵌入非连续方法虽然可以解决混凝土开裂过程中的应力锁死,满足内部边界的静力平衡条件以及反映开裂后的位移不连续问题,但嵌入非连续所采用的富集函数在开裂单元中并不能满足协调条件,使非连续两侧的应变不独立. 其局限性是由于富集自由度在单元的水平上引入,而以单位分解为基础的扩展有限元和富集有限元的富集函数以节点自由度的方式引入,除具有嵌入非连续的优点, 还可以有效消除嵌入非连续引起裂纹两侧应变的相互影响.文中同时指出了网格重构技术,弥散裂纹模型的局限性以及扩展有限元和富集有限元技术在构造方式上的细微差别.对于节点自由度方式引入的富集函数, 其操作困难性在文中也作了说明.      

数字图像相关法在相似材料模拟试验中的应用

利用相似材料模拟试验研究印度某矿长壁开采采场厚硬顶板的破断规律,针对试验中传统的位移测量法的不足,引入了数字图像相关法。通过恰当布设模型、合理控制光照强度,实时用高分辨率数码相机拍摄模型在开采过程中的表面变形图像,借用数字照相图像分析与结果可视化应用软件系统GeoDPDM对序列照片进行相关性分析,得到了开采过程中上覆岩层变形的位移场和应变场。将分析结果与传统测量方法所得结果对比,得到两种方法具有较高的一致性,并将测试精度提高到0.6mm/pixel,成功实现了大范围模型变形的全场、非接触式测量。     

基于形态学预处理的数字图像相关方法研究

当利用数字图像相关方法计算含孔洞结构空边的位移与应变时,往往需要消除孔洞中的背景噪声,以减小对边缘计算的影响。在边缘检测过程中,散斑边缘和孔洞边缘的灰度梯度均呈突变特征,常会出现误将散斑边缘错判为小孔洞边缘的情况。本文提出一种基于形态学填充的图像预处理方法,该方法利用形态学操作填充散斑空隙,可避免将散斑图像边缘错误检测为小孔洞图像边缘。该方法仅对孔洞内部背景噪声等无效区域进行标记裁剪与图像分割。通过数值图像模拟与3D打印试件拉伸实验,验证了该方法对孔洞边缘测量的精度。实验结果表明,基于形态学填充的图像预处理方法能够有效消除孔内背景噪声的影响,并在相关函数计算过程中避免非散斑区域的参与。     

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.     

砂岩方梁断裂过程区范围的实验确定方法

裂纹前端的断裂过程区是引起岩石非线性断裂及尺寸效应的主要原因。利用数字图像相关技术对砂岩开展了三点弯曲梁实验,获得观测区域高精度的全场位移和应变数据,根据断裂韧带区域水平位移和水平应变的分布特征,结合裂尖岩石颗粒变化的微观分析,提出采用裂纹尖端水平位移波动性和水平应变突变性所得到的波动系数和水平应变突变值,确定断裂过程区形状和临界尺寸的方法。结果表明:砂岩断裂过程区的形状为不规则的狭长带状区域,断裂过程区的临界长度为11~13mm,临界宽度为1.58~2.36mm。断裂过程区区域内形变在趋向裂尖时呈指数增加,但其单位区域内的形变增量呈波动状态。该方法能够更加准确判断岩石断裂过程区的范围,有助于分析岩石的非线性断裂特性。     

高温变形测量中热流场造成畸变的修正方法

目前高温环境中材料的变形测量是研究的热点,基于数字图像特征识别的非接触测量方法促进了高温环境变形测量的发展,但由于高温环境的复杂性,存在很多测量影响因素,其中高温环境中热流场的存在对数字图像法的影响尤为明显。本文提出了一种对高温变形测量中热流场造成畸变影响的修正方法。针对基于光学成像方法的材料高温变形测量中常见的热流场扰动,通过数值仿真得到热流场模型及热流场分布状况,再结合光线追迹原理对热流场造成的图像畸变影响进行分析,用数值分析结果对高温变形测量实验结果进行修正。对比扰动修正结果与真实位移有很好的一致性,从而证明了所提方法的可行性和有效性。     

钢纤维增强混凝土的断裂破坏研究

在钢纤维增强混凝土的断裂力学性能的实验研究中,利用数字图像相关技术对素水泥砂浆试件和钢纤维增强水泥砂浆试件进行裂纹尖端的位移场测量,求解不同纤维分布情况下的应力强度因子从而进行增强性能的分析比较.对于单纤维桥联增强的情况,实验结果与Carpinteri的模型计算结果进行了分析比较,证明这种图像和数据处理方法对裂纹尖端的纤维位增强特性分析是有效可行的.     

数学网格和物理网格分离的有限单元法(II):粘聚裂纹扩展问题中的应用

强化有限单元法将物理网格与数学网格分离开来,可以方便地描述非连续变形;粘聚区域模型是模拟断裂过程区作用最简单有效的方法,且可以避免裂纹尖端的应力奇异性.本文以平面问题为例,将强化有限单元法与粘聚区域模型相结合,利用富集数学节点描述任意粘聚裂纹扩展过程中的非连续变形问题,提出了裂纹扩展过程中数学节点富集和数学单元定义的方法.本文还导出了与平面4～8节点平面等参单元对应的8～16节点粘聚裂纹单元列武.最后,通过三点弯梁的裂纹扩展过程模拟验证了本文提出的粘聚裂纹扩展模拟方法的有效性.     

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...     

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。