Deformation measurements by digital image correlation: Implementation of a second-order displacement gradient

This paper outlines the procedure for refining the digital image correlation (DIC) method by implementing a second-order approximation of the displacement gradients. The second-order approximation allows the DIC method to directly measure both the first- and second-order displacement gradients resulting from nonlinear deformation. Thirteen unknown parameters, consisting of the components of displacement, the first- and second-order displacement gradients and the gray-scale value offset, are determined through optimization of a correlation coefficient. The previous DIC method assumes that the local deformation in a subset of pixels is represented by a first-order Taylor series approximation for the displacement gradient terms, so actual deformations consisting of higher order displacement gradients tend to distort the infinitesimal strain measurements. By refining the method to measure both the first- and second-order displacement gradients, more accurate strain measurements can be achieved in large-deformation situations where second-order deformations are also present. In most cases, the new refinements allow the DIC method to maintain an accuracy of ±0.0002 for the first-order displacement gradients and to reach ±0.0002 per pixel for the second-order displacement gradients.     

花岗岩单轴压缩侧向变形及脆性破坏机制实验研究

为研究花岗岩侧向变形及脆性破坏机制,对花岗岩试件进行单轴压缩实验。利用动态应变采集系统、数字散斑相关方法(DSCM)和显微观测手段,记录并分析花岗岩试件在单轴压缩过程中的宏观侧向应变、局部侧向应变以及破裂面形貌,并与水泥砂浆试件的破坏过程对比,讨论了花岗岩脆性破坏机制。实验与分析结果表明:(1)花岗岩试件在加载初期发生侧向收缩变形,产生并发展于压密阶段,消失于线弹性阶段初期,这主要由于试件内部裂纹闭合造成的;此后,宏观侧向应变持续增长,当侧向应变与轴向应变之比接近0.5时试件破坏;(2)在峰值载荷前很长一段时间内,局部侧向应变在一定范围内波动,临近试件破坏时局部侧向应变最大值和最小值均出现较大幅度的波动,二者差值迅速增大,试件不均匀程度增大,最终导致试件破坏;(3)在峰值载荷前有无塑性屈服阶段是峰值载荷后脆性破坏程度的重要影响因素,而宏观裂纹的贯通程度是峰值载荷后应力降大小的决定因素。     

数字梯度敏感方法及其在航空透明件断裂力学中的应用

本文将数字梯度敏感方法用于航空透明件断裂力学问题研究。首先,基于透明材料的弹性-光学效应,建立了透明件应力状态与光线穿过透明件后的偏转角之间的关系。在平面应力假设下,利用最小二乘拟合建立了I型裂纹尖端应力强度因子与光学偏转角的关系。其次,通过数字梯度敏感方法搭建非接触光学测试平台,开展了带单边裂纹的航空有机玻璃试件三点弯曲实验,应用数字梯度敏感方法提取了I型裂纹尖端应力强度因子。最后,通过选择不同计算子区域和步长大小,分析了数字梯度敏感方法中的子区域和步长选择对计算结果的影响。研究结果表明,数字梯度敏感方法实验所得应力强度因子与经验公式计算所得结果偏差小于10%,通过增加最小二乘拟合项数以及合理的子区域和步长选择可以减小数字梯度敏感方法计算应力强度因子误差。     

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。     

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。     

采用J积分对沥青混合料抗裂性能进行评价

沥青混合料是一种由集料、胶浆和孔隙组成的非均质材料,一般被认为是一种粘弹性材料,其力学行为介于弹性和塑性之间,采用弹塑性断裂力学更适合评价沥青混合料的抗裂性能.J积分理论可以避开分析裂纹尖端附近复杂的应力应变场,物理意义明确,可以有效的评价沥青混合料的抗裂性能,断裂韧度JC可以很方便的采用预切缝的半圆弯拉试验直接获得.为了评价材料本身特性对断裂韧度JC影响,在MTS试验系统上进行了3种级配的沥青混合料的断裂韧度试验.采用基于数字图像处理技术的有限元方法对半圆弯拉试验进行了模拟,并将数值模拟的结果与试验的结果进行了对比分析.结论表明,断裂韧度JC可以作为一有效的评价沥青混合料抗裂性能的指标.     

Hamaker微观连续介质理论的数字密度和Hamaker常数分析

针对Hamaker微观连续介质理论在微观接触力计算中存在的问题,根据Hamaker假设,用连续介质法计算2个原子之间的相互作用力,发现作用力同经典的Lennard-Jones势所反映的作用力不一致.通过分析数字密度,发现数字密度并非是如Hamaker所认为的常数,而是随间距变化的;并得到Hamaker微观连续介质理论仅在间距大于7倍的原子半径时才成立的结论.通过分析Hamaker常数,发现Hamaker常数也随间距变化.     

增强现实技术在PDA上的应用

将增强现实技术与移动终端PDA相结合,在PDA上实现真实场景与虚拟增强信息的融合。系统采用基于Fourier_Mellin变换的2D图像匹配技术获取用户的视点参数,利用已标定的来自不同视点的图像作为参考图像库。采用客户/服务器构架减轻PDA的运算负担。研制的基于PDA移动终端的增强现实系统轻巧灵便,易于携带,通用性高,能够应用于户外场景。     

基于单幅数字散斑投影及图像相关的离面振动测量

采用单幅数字散斑图投影及高速数字图像采集技术,研究了动态离面位移的测量。采用商用液晶投影仪将计算机产生的模拟散斑图投影到待测动态变形物体表面,由高速数字图像采集设备摄取并保存变形散斑图,采用时间序列数字图像相关软件计算出物体表面各点随时间变化的离面位移。这种方法用于振动分析时不仅可以获得振型分布,而且还可以获得各点的振幅值。与现有的激光频闪照相测振及激光多普勒测振等方法相比,具有光学系统简单,可全场定量测量。悬臂梁振动实验结果证实了该方法的有效性。     

低曝光量下投影算法的稳健性研究

研究了在低曝光量情况下灰度投影算法的稳健性,为提出的稳定成像系统的设计与实现提供可行性论证。通过合成视频实验探讨、实际视频实验论证相结合的研究方法,探讨曝光量不足对灰度投影算法性能的影响。实验结果表明,灰度投影算法在欠曝5档和存在一定随机噪声的情况下,仍能保持良好的运动矢量估计性能,从而说明了投影算法在一定的曝光量范围内仍能准确地得到运动矢量估计,是一种运算量小、实时性好且稳健性较强的电子稳像算法。投影算法在低曝光量情况下良好的稳像稳健特性,使其能在低亮度及高实时性要求等环境下应用于航拍、卫星遥感等稳定成像或高清晰成像场合。