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。     

变形测量中的数字散斑相关搜索方法

本文用仿射变换阐述了数字散斑相关方法的基本原理,通过分析散斑位移及其导数对物体变形前后散斑图的相关性的影响,对相关算法作了简化,提出了相关搜索方法.典型的实验证实了该方法的可行性,同时就散斑颗粒尺寸、子区大小对相关识别的影响等问题进行了讨论,初步给出了相关计算的有关最佳参数.     

数字散斑相关方法用于PMMA弹性模量的测量

通过三点弯载荷实验,利用数字散斑相关方法得到了试件载荷过程中对应的载荷-位移曲线. 依据实验中试件载荷前后位移的变化量,对常用工程材料PMMA的弹性模量进行了测定. 实验数据表明所测弹性模量较为真实、客观,相对误差较小. 该研究方法为同类材料未知弹性模量的测定提供了一种行之有效的测量途径.     

基于数字图像相关的金属材料低温裂尖张开位移试验测量方法

随着金属材料,尤其是天然气管线钢在高寒低温环境下的广泛应用,研究金属材料的低温断裂失效规律具有重要的科学意义和工程价值.在研究断裂失效规律的指标中,裂尖张开位移(Crack Tip Opening Displacement,CTOD)是预测裂纹扩展的重要断裂参数之一,可用来表征金属材料抵抗裂纹扩展的能力.传统上,裂尖张...     

一种基于DIC测量单边缺口拉伸试件CTOD阻力曲线的简便方法

针对测量单边缺口拉伸(SENT)试样的裂纹尖端张口位移(CTOD)阻力曲线时,延性裂纹扩展量的计算过于复杂的问题,提出了一种由数字图像相关技术(DIC)计算的变形场来确定裂纹尖端位置,并快速推算延性裂纹扩展量的方法。该方法首先在缺口和裂纹上下方的弹性区域设置两条平行横线;然后通过两条横线间的位移差构建曲线,曲线变化幅度的临界点即为裂纹端部的位置;根据临界点位置计算裂纹扩展量,最后测量CTOD并构建阻力曲线。将本文方法与另一种通过DIC测量SENT试样CTOD阻力曲线的方法进行对比,结果表明本文方法经过简便的计算后拟合的阻力曲线效果更好。     

单搭接胶接接头拉伸剪切性能的数值模拟与实验研究

采用数值模拟和光测技术对单向拉伸载荷作用下单搭接胶接接头中的剪切性能进行分析,研究了不同厚度胶层中切应力的变化规律。用有限元方法(FEM)对不同胶层厚度的试件进行建模,得到了拉伸载荷下胶粘剂中的切应力分布及其统计参数。利用数字图像相关(digitalimage correlation,DIC)方法对试件的变形场进行测量。结果表明,当胶粘剂的厚度较小时,胶粘剂中的切应力的分布统计参数随着其厚度的增加会有显著的变化,但是当厚度超过一定的数值时,统计参数对厚度的变化不再敏感。     

数字散斑相关方法与应用研究进展

数字散斑相关方法(digital speckle correlation method, DSCM)作为固体实验力学领域材料表面变形场测量的一种非接触式方法与其它技术相比具有一些独到的优点,其有效性已经在近20年中被众多的应用实例所证明.近年来该方法在理论上逐步完善,一些现代的数学理论和数学方法(例如:小波变换、遗传算法、神经网络等)逐渐被引入到该方法中;在实验中的各个技术环节上正在逐步的改进,其结果的精度逐步的提高,结果收敛的速度也逐渐的加快;其应用的领域正逐渐从常规材料的测试向一些新型材料测试、从宏观场逐渐向细微观尺度、从常规环境向比较恶劣的环境、从实验室测试逐步向工程现场应用、从静态准静态向动态准动态等方面发展.本文简要介绍了DSCM的基本原理和数学模型,在相关搜索的改进、相关系数的选择、灰度级的重建和图像识别方面的进展以及在材料力学性能测试,微尺度变形场测量等方面的应用.最后就这一实验测量技术的几个可能的发展趋势进行了预测.      

0Cr18Ni9不锈钢材料断裂韧度的实验研究和数值分析

从实验研究和数值分析两方面研究了0Cr18Ni9不锈钢材料的断裂韧度。首先,通过单轴拉伸测试得到0Cr18Ni9不锈钢材料的应力-应变曲线,并验证了该应力-应变曲线符合Ramberg-Osgood弹塑性本构模型,利用全局优化算法反演得到其弹塑性本构参数。然后,结合声发射技术和扫描电镜断口观察,确定了0Cr18Ni9不锈钢紧凑拉伸试样的起裂载荷和I型裂纹实际的起裂断裂韧度。进一步,根据数字图像相关方法得到的全场变形计算了J积分,J积分随时间逐渐增大;最后,采用有限元法计算了起裂时沿裂纹前缘各处的J积分分布,发现J积分呈现中间较大、表面较小的分布特征,而且有限元计算的J积分平均值与从光学位移场数据计算的J积分接近。     

材料构型力学及其在复杂缺陷系统中的应用

基于材料构型力学描述复杂缺陷力学系统中的破坏行为, 可以为预测材料临界失效载荷和评估结构完整性提供新的思路. 首先, 通过对拉格朗日能量密度函数的梯度、散度、旋度操作分别获取3 类材料构型应力张量的定义式、平衡方程、物理意义以及其对应的守恒积分表达式. 其次, 基于材料构型力学概念建立描述材料屈服的屈服准则、预测裂纹起裂的断裂准则、以及评估复杂缺陷系统最终失效的破坏准则. 然后, 利用数字散斑图像相关技术, 开发材料构型力学相关参量的无损测量方法. 最后, 将材料构型力学概念应用于纳米损伤力学和铁电多晶材料的断裂力学中, 为此类新型材料的损伤水平评估提供理论支撑.     

含缺陷的弹塑性材料中构型体积力的研究

首次研究含缺陷弹塑性平板中的构型体积力的分布情况.首先在有限元分析的基础上计算得到各单元上的平均构型体积力.然后计算了在单轴拉伸作用下含中心裂纹、中心孔洞、双孔洞三种缺陷形式下弹塑性平板中的构型体积力;并分析了缺陷与塑性变形对构型体积力的影响.研究结果表明:构型体积力可以综合描述缺陷和塑性对材料非均质的影响,是一项灵敏的材料非均质指标;但是缺陷与塑性变形之间的干涉作用使得构型体积力最大值与应力集中程度最严重处不同.     

Evaluating the mechanical behavior of arterial tissue using digital image correlation

In this study, digital image correlation (DIC) was adopted to examine the mechanical behavior of arterial tissue from bovine aorta. Rectangular sections comprised of the intimal and medial layers were excised from the descending aorta and loaded in displacement control uniaxial tension up to 40 percent elongation. Specimens of silicon rubber sheet were also prepared and served as a benchmark material in the application of DIC for the evaluation of large strains; the elastomer was loaded to 50 percent elongation. The arterial specimens exhibited a non-linear hyperelastic stress-strain response and the stiffness increased with percent elongation. Using a bilinear model to describe the uniaxial behavior, the average minor and major elastic modulii were 192±8 KPa and 912±40 KPa, respectively. Poisson's ratio of the arterial sections increased with the magnitude of axial strain; the average Poisson's ratio was 0.17±0.02. Although the correlation coefficient obtained from image correlation decreased with the percent elongation, a correlation coefficient greater than 0.8 was achieved for the tissue experiments and exceeded that obtained in the evaluation of the elastomer. Based on results from this study, DIC may serve as a valuable method for the determination of mechanical properties of arteries and other soft tissues.     

用于物体表面形貌和变形测量的三维数字图像相关方法

使用单个摄像机的二维数字图像相关方法通常仅局限于平面物体的面内变形测量,而使用两个摄像机基于双目立体视觉原理的三维数字图像相关方法克服了这一局限,可对平面和曲面物体表面的三维形貌和载荷作用下的三维变形进行测量。本文介绍了三维数字图像相关方法的基本原理及其关键技术,并用两个典型的实验验证了该方法的有效性。     

基于拟合求解数字图像相关亚像素位移算法

数字图像相关方法是一种非接触式的变形场测量方法。虽然目前该算法能取得较高的计算精度,但是通常存在计算量较大、计算时间较长的问题。为了提高算法的计算效率,本文提出了一种基于移动最小二乘算法拟合整像素位移求解亚像素位移的数字图像相关方法。因为采用移动最小二乘算法有效利用了局部特征,所以可以采用相对简单的多项式拟合求解复杂的周期型余弦变形,同时计算结果具有较高的精度。计算结果的平均误差为0.0238pixel,标准误差为0.0791pixel,与常用的空间相关亚像素位移计算结果精度相当。实验结果验证了本文算法的正确性和有效性。通过与等计算精度的NR算法对比分析,结果表明本文算法在亚像素位移计算阶段具有更高的计算效率。计算效率至少提升了58.1倍,最多提升了437.8倍。     

基于体视显微镜的测量系统标定研究

微观三维变形测量系统在工程上有广泛的应用。本文构建了体视显微镜双相机微观图像采集与测量系统,可以实现对微小物体形貌、位移、变形的全场测量。微观三维变形的测量精度与成像系统的畸变模型存在密切的关系。本文采用了考虑多种不确定情况的畸变模型,能很好地表达体视显微镜测量系统的成像误差,并设计了点阵式标定模板和精密的平动平台,实现了基于Tsai标定的自动标定算法。实验表明,体视显微镜测量系统可以在各种放大倍数下稳定工作,标定的精度得到很大的提高,并给出了在不同放大倍数下对规则圆柱体的形貌和直径的测量结果。     

Importance of aging to dehydration shrinkage of human dentin

There is an increase in the mineral content of human dentin with aging.Due to the consequent changes in the mineral to the collagen ratio,this process may influence the degree of hydrogen bonding that occurs with the loss of water and the extent of shrinkage as a result of dehydration.Thus,the objective of this investigation is to quantify the differences in the dehydration shrinkage of human dentin with patient age.Specimens of coronal dentin are prepared from the molars of young(23 age 34) and old(52 age 62) patients,and then maintained in storage solutions of water or hanks balanced salt solutions(HBSS).Dimensional changes of the dentin specimens occurring over periods of free convection are evaluated by using the microscopic digital image correlation(DIC).The results distinguish that the shrinkage of the young dentin is significantly larger than that of the old dentin,regardless of the orientation and period of the storage.The strains parallel to the tubules increase with proximity to the dentin enamel junction(DEJ),whereas the shrinkage strains in the transverse direction are the largest in the deep dentin(i.e.,near the pulp).The degree of anisotropy in the shrinkage increases from the pulp to the DEJ,and is the largest in the young dentin.     

基于数字图像相关的裂纹端部全场三维变形实验研究

基于三维数字图像相关技术(3D-DIC),结合裂尖定位、链式匹配、相关系数阈值化算法,测量金属焊接件裂纹端部的全场三维变形,分析焊接对材料断裂力学行为的影响。实验中采用预制疲劳裂纹的紧凑拉伸试件,以Q235钢为母材,通过改变焊缝位置制备四种不同试件:无焊缝母材试件、焊缝位于中央试件、焊缝偏离中央5mm试件、焊缝偏离中央8mm试件。实验结果显示,3D-DIC既能获得裂纹张开导致的面内变形,提取裂纹尖端张开位移,还能测量裂尖材料屈服导致的局部离面凹陷。对比不同焊接件的裂纹端部场发现,裂纹与焊缝的相对位置对试件断裂力学行为有很大影响。当裂纹位于焊缝处,裂尖张开位移与局部凹陷最为显著,热影响区内裂纹端部的变形也明显大于母材,因此都具有比母材更高的断裂韧度。随着载荷增加,裂纹周围的焊缝边界处容易产生应力集中和局部损伤,最终影响材料的破坏行为。上述结果表明,3DDIC可用来分析非均匀材料的断裂力学行为,有望为实际断裂问题的解决和断裂力学理论的验证与完善提供有效的实验依据。     

Representations of linear,isotropic tensor functions of an asymmetric argument

This paper offers a mathematical demonstration of the representation theorems for linear, isotropic scalar- and tensor-valued tensor functions of an asymmetric argument.     

基于三维数字图像相关方法的面部表情变形测量研究

目前关于人脸面部表情的相关研究正在逐渐应用到各领域,而其研究大多为基于数据库的定性分析。本文将三维数字图像相关方法用于人脸面部表情研究。首先,针对人脸面部图像的具体特点,在深入研究方法原理的基础上,提出以参数优化和消除刚体位移来提高实验测量精度。在此基础上,对普通表情和微表情状态下面部肌肉变形进行精确的计算和定量的研究,分析特定表情的形成原因。实验采用自传式回忆的方法唤起被测试者的基本情绪,随之进行模仿来诱发面部普通表情;采用指导性表达抑制的方法诱发被测试者的微表情。通过对特定表情状态下的肌肉运动进行全场和局部的计算,获得精确的三维位移场和位移矢量场。结果表明,面部微表情状态与普通表情状态的运动规律基本一致,只是位移幅度存在显著差异。实验测量结果与实际情况基本吻合,符合常规认知。不同的是本文将特定表情状态下面部肌肉的运动规律从以往的感性认知上升到精确计算和定量分析的水平,为面部表情的自动识别及形成机理的深入研究提供了良好的基础。     

微尺度散斑制备方法研究及应用进展评价

数字图像相关法(DIC)由于具有非接触、全场、精度高、易操作等特点,已被广泛应用于宏微观尺度的变形测量。在微观尺度,DIC可以方便地与显微镜结合,实现变形测量;散斑作为变形的载体,其质量的好坏直接影响到DIC在微尺度变形测量的精度。本文重点介绍了离心甩胶法制备微尺度散斑的方法,并对其应用进展进行评价。具体包括:优化制备工艺参数,获得最优的散斑图;提出散斑膜转移方法,扩大其使用范围;研究散斑膜增韧方法,用于大变形的测量;基于超景深光学显微镜,设计双向加载测试系统;将散斑膜应用于微尺度界面、裂纹尖端等。获得了局部变形场信息,表明该微尺度散斑制备方法具有较好的可行性和应用前景。