用数字散斑法测量铜/铝复层板拉伸变形

提出了一种基于数字散斑相关法和双目立体视觉技术的全场三维变形测量方法,实现了对爆炸焊接制备的铜/铝复层材料的变形测量。研究了该方法所涉及的数字散斑相关算法、三维坐标、位移和应变计算等关键技术,借助于VC++6.0开发环境,研制并开发了用于铜/铝复层板全场变形测量的试验系统及其软件。为了验证本文所述测量方法的可行性,进行了精度验证实验和铜/铝复层板单向拉伸试验,且对复层板拉伸试验结果与有限元软件Abaqus数值模拟结果进行了对比分析。结果表明:本文方法的应变测量精度优于0.5%,与引伸计测得的结果基本相当;测得的应变极值分布与有限元模拟结果很吻合;在板料发生颈缩前,塑性应力-应变模拟曲线与试验结果很吻合;整个变形过程中位移-载荷模拟曲线的变化趋势与试验结果一致,模拟得到的极限载荷的相对误差为0.06%～2.25%。实验结果说明,数字散斑方法是一种精确获得复层板料全场应变的有效手段。     

金属薄板复杂焊接变形的视频测量方法

金属薄板焊接过程中的复杂变形会对其尺寸精度、装配精度和使用性能造成显著影响,在焊中和焊后对金属薄板变形进行测量,对于了解材料的变形机理、改善焊接工艺、减少焊后应力和变形,以及提高焊件的承载能力具有重要的理论意义和工程价值。针对金属薄板焊接变形测量难题,提出了一种融合近景摄影测量和立体视觉技术的视频测量方法,通过重建并跟踪粘贴在金属薄板表面标志点的三维坐标,计算相应部位在焊接不同时刻的位移,获得金属薄板在焊接工艺中的整体变形过程和瞬时变形场域信息。通过精度评估实验得知,该方法的三维坐标测量精度高于0.05mm;通过焊接变形测量实验得知,该方法能够满足焊接过程三维变形测量对精度和效率的要求。     

用于三维变形测量的数字图像相关系统

针对材料力学实验中的三维变形测量,提出并实现了一种基于双目立体视觉、摄影测量术和数字图像相关法的便携式三维变形测量系统。研究了该系统涉及的双目摄像机标定,图像相关算法,三维重建,以及三维位移、应变计算等关键技术。提出了一种基于摄影测量术的摄像机标定算法,该算法采用10参数镜头畸变模型,不需要高精度标定板即可实现摄像机的高精度标定。利用最小二乘非线性优化算法实现了数字图像的高精度匹配,针对非线性优化初值难求的问题,提出了一种基于种子点的初值计算方法,为非线性优化提供了可靠的初值。最后,介绍了三维重建以及计算三维位移、三维应变的方法。实验结果表明,标定结果的重投影误差为0.03 pixel,图像匹配的误差约为0.02 pixel,静态外形及位移的测量精度为0.05%,应变的测量精度优于0.5%。与传统的测量方法相比,本文提出的系统可以更准确、全面、直观地实现对位移场、应变场的测量。     

高速三维数字图像法测量手机跌落全场应变

为了测量手机跌落时的变形与应变,基于数字图像相关法及双目立体视觉原理,提出一种用于手机跌落试验中变形与应变测量的方法,并研制了相应的高速三维全场应变光学测量系统。针对手机跌落碰撞过程中,角度变化导致散斑匹配失败率高,变形应变场缺损严重的问题,利用高速相机高速采集图像,并改进图像匹配方法,采用顺序逐帧基准匹配,保证了测量精度,提高了应变场完整度。研制了光学测量系统,设计了试验方案,进行了数字图像测量方法与动态应变仪测量结果的对比,对改进的散斑匹配方案进行了验证。试验结果表明,本文的方法使变形应变场的完整度提高了21%,其位移动态测量精度为0.42%,应变测量精度为0.5%。本文的方法和系统可以满足手机跌落碰撞全场变形与应变测量的要求,与传统测量方式相比有明显优势,是研究手机跌落碰撞变形规律的有效途径。     

数字图像相关法焊接热影响区应变原位测量及应力计算

提出了焊接热影响区全场高温应变在线测量及评价方法,设计了一种新型具有抗高温烧损、随机分布特征的散斑点阵。为解决焊接电弧强弧光干扰问题,采用脉冲激光辅助光源和近红外窄带滤光系统获取清晰焊缝热影响区散斑图像。针对焊接热影响区焊接变形复杂性,开发了基于二阶形函数与双三次插值的反向组合型Gauss-Newton算法,获得焊接热影响区全场高温应变场。建立多维应力、应变空间加载规律的弹塑性增量本构关系,定量求解焊接热影响区的残余应力分布。结果表明,所研制的焊接全场高温应变视觉测量系统,为焊接接头全场高温应变测量及可靠性评估提供了高效、准确的表征手段。     

数字图像相关法测量板料成形应变

针对板料成形极限试验中传统应变测量方法的不足,提出并实现一种基于数字图像相关法的板料成形极限应变测量方法。对其中涉及的关键技术进行深入研究。针对板料成形中大变形测量的难题,根据系列变形图像相邻状态变形的连续性,提出一种大变形分步匹配算法,并介绍三维坐标重建和三维应变求解的方法。根据测得的试件表面应变分布,提出一种通过构建应变场截面线来拟合成形极限曲线的方法。基于Visual Studio 2010开发环境,开发用于板料成形极限应变测量的计算软件。为了验证方法的可行性,结合自研的图像采集装置和改进的板料成形试验机搭建成形极限测量试验平台。对SPCC钢板试件的测量结果显示所提出的方法能够快速、有效、直观地测量试件在整个成形过程中的表面应变分布,为建立成形极限图提供一种有效手段,且与传统的坐标网格等方法相比优势明显。     

高温焊接变形视觉测量方法与实验研究

针对材料高温焊接变形测量,设计由松下焊接机器人、红外热成像仪和三维数字散斑应变测量及分析系统组成的一套双目视觉测量装置。制备一种耐高温数字散斑试样以解决图像“弱相关现象”问题;由于焊接高温产生热辐射,研究了高温热辐射光谱规律,采用（400～760）nm波段的滤光片,降低热辐射对图像质量的影响,获得清晰图像;采用数字图像相关法,通过三维数字散斑应变测量及分析系统,对Q235B低碳钢焊接时的形变进行了测量。实验结果表明,钢板在焊接过程中最高温度达到1100℃,焊缝区的变形量为2.58mm,非焊缝区变形呈逐渐减小趋势,冷却后试件最大变形量变形为0.78mm。为材料高温变形,提供了一种双目视觉测量方法。     

基于模糊的框架变形重构的应变测量修正

针对三维(three-dimensional,简称3-D)框架结构弹性变形重构中存在的应变测量误差问题,提出了一种应变测量修正的方法。通过逆有限元法(inverse finite element method,简称iFEM)推导出结构表面应变量与测量点位移量之间的应变-位移关系,实测位移量代入应变-位移的转化关系得到相应的逆解应变。由于测量应变中含有安装、测量误差等,测量应变量与逆解应变量之间非线性数学关系模型难以准确得到。基于模糊网络对任意映射关系的无限逼近特性,采用模糊网络(fuzzy network,简称FN)逼近测量应变与逆解应变的关系。在确定模糊网络后,调用网络完成测量应变的修正,利用修正后应变量求解框架的变形位移。最后在三维框架模型上进行实验验证,实验结果表明结构变形重构的误差普遍减小了60%以上,说明该测量应变修正方法能够有效提高变形重构的精度。     

基于数字全息技术的变形测量

全息技术在测量、防伪中有大量应用.数字全息技术采用数字记录和计算机处理,实现测量的方法上有其特点.本文重点对数字全息技术实现变形测量的方法和具体算法开展了研究.论文首先总结了数字全息技术应用中的基本问题,包括数字全息算法问题和噪声抑制问题等.叙述了基于数字全息技术的变形测量基本思想,及相位恢复算法,同时分析了几种变形测量的实现方法,并提出了"2+2"步变形测量方法.该方法相对于"1+1"步变形测量方法,提高了测量精度,同时比"4+4"步变形测量法提高了动态性.本文建立了实验系统,获得了硬币的数字全息图,实现了常用的"1+1"步变形测量方法、相移算法的变形测量方法以及"2+2"步变形测量方法,给出了"2+2"变形测量的实验结果.实验结果表明在数字全息技术中结合相移技术进行测量,可以提高物波再现精度,进而提高变形等的测量精度.     

输电塔架承载变形的三维光学测量

考虑输电塔架结构复杂,需要做承载变形真型实验来检测塔架实际承载能力的问题,本文提出了一种三维全场变形光学测量方法来解决塔架真型试验中存在的大尺寸、大变形、多测点、三维变形、塔架承载形态保持时间短等测量难点.该方法基于工业近景摄影测量技术重建单个状态下塔架测点的三维结构,利用具有身份信息的人工标志点来实现不同状态测量结果的对齐.通过跟踪固定在塔架上的变形点,计算相应部位的位移来获取真型塔架在不同负载下的整体变形.精度评估实验表明,提出的方法测量精度优于0.1 mm/4 m;真型实验显示,测量结果能够为塔架结构力学性能分析和改进塔架设计提供有价值的参考数据.该方法具有现场工作量小、不干扰测量对象、量程弹性大等优点,能够满足各型塔架三维变形测量对效率和精度的要求.     

基于初始变形的薄板堆焊变形预测技术

针对薄板初始变形对焊接结构件尺寸精度的影响，提出了基于数字图像相关技术的光学检测方法，对薄板堆焊变形预测精度进行全场动态研究。首先采用结构光扫描的方法，获取焊接结构件初始变形轮廓，然后基于初始变形模型进行焊接变形预测，最后通过理想模型和初始变形模型预测数据对比，研究结构初始变形对堆焊变形精度的影响。研究结果表明：基于数字图像相关技术的测量方法是静态、动态获取焊接变形数据的有效手段；相对于理想结构模型，基于初始变形结构的模型，在单点动态和全场静态变形中具有较高的预测精度；两种模型在焊接完成后均呈马鞍形，但初始变形促进了焊接演变过程；初始变形缺陷影响了纵向残余压应力分布，是引起不同焊接变形的根本原因。     

高强钢薄板高温焊接变形的视觉测量

为了实现高强钢薄板高温焊接条件下屈曲变形的准确测量,基于数字图像处理技术、立体视觉原理及数字图像相关法,提出一种高强钢薄板全场动态焊接变形的视觉测量技术,并以规则散斑图像的高精度匹配方法研究为基础,将其应用到焊接图像中。针对焊接高温导致的散斑纹理的变色或脱落,采用高温漆与高温胶混合涂布的方式,获得了低成本、高稳定性的散斑纹理。选择薄板背侧进行测量以及在相机镜头前加装滤光片组的方法,抑制焊接过程中的强光、火花及烟雾的干扰。采用高斯平滑的数字图像处理技术,寻找最佳滤波参数并应用到焊接图像中,在保证测量精度的前提下提高了图像匹配的成功率及精度。实验结果表明,该方法能够有效地降低焊接图像匹配的均值误差、均方根误差及Z向静态均值误差,均值误差最大降幅为78.6%,均方误差最大降幅为47.7%,Z向静态均值误差降幅为37.9%。本文的方法和系统可以满足焊接高温条件下薄板屈曲变形的全场应变测量要求,散斑纹理稳定,散斑图像匹配成功率高、稳定性好,是薄板全场动态焊接变形检测的有效途径。     

基于HALCON的板料成形网格应变的测量

计算机视觉在网格应变测量领域的应用已成为研究热点,本实验是基于先进的图像处理软件HALCON,利用双目立体视觉原理,对印制有圆形网格的板料应变测量.首先采用印制有圆形标志点的平面标准标定板,对摄像机进行标定,获得摄像机的内外参数.采用基于NCC的匹配方法对左右图像特征点进行匹配,利用视差原理获得匹配点的三维坐标,对印制有圆形网格的板料进行三维重建.然后根据圆形网格变形后的椭圆长短轴的长度变化,计算得到真实应变,用OpenGL语言将应变可视化.     

综合控制焊接变形和防止热裂纹的新方法——双向预置应力法

提出一种既可控制薄板焊接变形又可防止焊接热裂纹产生的随焊同步进行的双向预置应力法,阐明该方法的基本原理并对该法防止高强铝合金LY12薄板焊接热裂纹和控制其焊后变形的有效性进行研究。在自行研制的预置应力设备上进行试验验证。双向预置应力下焊接试验结果表明,采用这一新方法可以有效地控制高强铝合金LY12的焊接变形及焊接热裂纹的产生。     

Full-field dynamic strain reconstruction of an aero-engine blade from limited displacement responses

Blade strain distribution and its change with time are crucial for reliability analysis and residual life evaluation in blade vibration tests. Traditional strain measurements are achieved by strain gauges (SGs) in a contact manner at discrete positions on the blades. This study proposes a method of full-field and real-time strain reconstruction of an aero-engine blade based on limited displacement responses. Limited optical measured displacement responses are utilized to reconstruct the full-field strain. The full-field strain distribution is in-time visualized. A displacement-to-strain transformation matrix is derived on the basis of the blade mode shapes in the modal coordinate. The proposed method is validated on an aero-engine blade in numerical and experimental cases. Three discrete vibrational displacement responses measured by laser triangulation sensors are used to reconstruct the full-field strain over the whole operating time. The reconstructed strain responses are compared with the results measured by SGs and numerical simulation. The high consistency between the reconstructed and measured results demonstrates the accurate strain reconstructed by the method. This paper provides a low-cost, real-time, and visualized measurement of blade full-field dynamic strain using displacement response, where the traditional SGs would fail.     

Finite element method for sheet forming based on an anisotropic strain-rate potential and the convected coordinate system

A variational formulation and the associated finite element (FE) equations have been derived for general three-dimensional deformation of a planar anisotropic rigid-plastic sheet metal which obeys the strain-rate potential proposed by [11.]. By using the natural convected coordinate system, the effect of geometric change and the rotation of planar anisotropic axes were efficiently considered. In order to check the validity of the present formulation, a cylindrical cup deep drawing test was modeled for a 2008-T4 aluminum alloy sheet sample. Eating simulations were performed and planar anisotropic material properties were experimentally determined. Even though quantitative agreement was not fully achieved, reasonably good agreement was found between the FE simulation and the experiment in thickness strain distribution and caring. No numerical difficulty due to planar anisotropy was encountered, and the computational procedure was found to be very stable, requiring only moderate computational time. The results have shown that the present formulation for planar anisotropic deformation can provide a good basis for the analysis of sheet metal forming processes for planar anisotropic materials, especially for aluminum alloy sheets.     

应用数字散斑相关的运动轴面位置匹配

由于进行转轴动态扭矩测量时的旋转运动会导致应变测量无法直接进行,故提出了应用数字散斑相关技术的动态转轴表面位置匹配方法。该方法可通过对旋转运动中轴面位置的识别实现后续转轴表面应变位移的计算。搭建了运动轴面数字散斑相关实验系统,进行了轴面灰度值稳定转角范围的标定实验、标准转角的转角位移测量实验和运动轴面位置识别实验。实验表明,本系统轴表面图像在-π/15~π/15转角内灰度值较稳定,该转角范围对应转动方向160个像素,相关系数曲面有明显峰值,转角为-π/15和π/15的相关度分别为0.389 2和0.322 1,超出该范围后图像灰度信息淹没在由轴面弧度变化引起的噪声中;标准转角轴面位移识别精度和运动轴面位置识别精度为1像素。本文方法解决了旋转运动轴面的位置匹配这类大位移测量问题,为动态转轴的位移、应变等测量问题提供了有效方法。     

数字图像相关法在竹纤维材料拉伸试验中的应用

采用数字图像相关法(DICM)对竹片变形前后的图像进行相关计算,获得了竹纤维材料在弹性范围内的位移和应变,并与电测法的结果相比较.试验结果表明,数字图像相关法能够有效地测量竹纤维材料的力学性能.