книги / Механика материалов. Методы и средства экспериментальных исследований
.pdf
Рис. 3.6. Схема испытательной системы сAVE
настраиваются в ходе пусконаладки и не требуют последующей настройки. Вертикальное положение каретки камеры может быть изменено для корректировки полей зрения и конфигураций нагрузочной цепи.
Калибровка выполняется при помощи специализированного программного обеспечения. Перед проведением тестирования производятся проверки допустимости уровня освещения образца и достаточной контрастности меток на фоне образца.
Для двумерной калибровки изображения используется один высокоточный двумерный калибровочный образец. Для других полей зрения камеры калибровка повторяется при других положениях траверсы, после чего программный алгоритм объединяет данные калибровок.
91
Перед началом тестирования программа обнаружения меток устанавливает изображения, совместимые с образами, имеющимися в библиотеке используемых меток. Затем они отмечаются на активном дисплее красными прямоугольниками. Программа определяет положение идентифицированных меток и использует их координаты в качестве координат центров областей рассмотрения.
Тестирование производится с использованием программного обеспечения Bluehill. После начала тестирования обрабатываются только пиксели, находящиеся в непосредственной близости от меток. Изменения длины измерительной базы между метками отслеживаются с частотой съемки камеры. Величина деформации вычисляется по точным значениям исходной и текущей длины измерительной базы и может быть получена непосредственно в виде цифровых данных.
Перед настройкой видеоэкстензометра необходимо знать величину вероятного изменения размера образца, чтобы можно было выбрать подходящие компоненты. Например, при проведении опыта на одноосное растяжение на этом этапе следует учесть, что все образцы растягиваются за пределы, ограниченные метками измерительной базы, причем нижняя отметка в ходе тестирования смещается вверх. При работе с эластомерными образцами такое растяжение может быть значительным, поэтому необходимо установить поле зрения, значительно превышающее размеры измерительной базы.
Для успешного использования AVE необходимо провести настройку видеоэкстензометра в программном обеспечении Bluehill. Настройка включает в себя следующие процедуры:
– запуск Bluehill и дополнительного программного обеспечения AVE, выбор режима измерения (осевое и/или поперечное измерение) (рис. 3.7);
92
Рис. 3.7. Выбор поля зрения видеоэкстензометраAVE
–процедура калибровки;
–работа с «Мастером подготовки к работе с образцом»;
–работа с «Мастером подготовки к тестированию».
3.4. ОПТИЧЕСКИЙ МЕТОД АНАЛИЗА ПОЛЕЙ ДЕФОРМАЦИЙ. СОСТАВ И ПРИНЦИП РАБОТЫ ЦИФРОВОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
К оптическим методам механики деформируемого твердого тела относятся методы, основанные на явлении фотоупругости (методы рассеянного света, фотоупругие покрытия, динамическая фотоупругость), методы муаровых полос (геометрический и интерференционный муар), голографическая и лазерная
93
спекл-интерферометрия, теневой оптический метод каустик [19, 24], а также метод корреляции цифровых изображений, или
digital image correlation (DIC) [28].
Методика корреляции цифровых изображений была впервые предложена в начале 80-х годов исследователями из университета Южная Каролина [29]. Позже метод был сформулирован для изучения проблем механики твердого тела.
Корреляция цифровых изображений– это бесконтактный оптический метод регистрации полей перемещений и деформаций на поверхности объектов и элементов конструкций. Информация содержится в структуре или распределении пикселей с различным уровнемяркости черно-белогоизображения (рис. 3.8).
Основным предположением метода корреляции цифровых изображений является то, что распределение пикселей на снимке сохраняется при деформировании объекта, допускаются только перемещение, поворот, удлинение и/или искажение в соответствии с прикладываемой нагрузкой, то есть предполагается однозначное соответствие между фотографиями.
Рис. 3.8. Регистрация изменений распределения пикселей
сразличным уровнем яркости цифровых черно-белых фотографий
впроцессе нагружения
94
Если G (x, y) – функция, характеризующая уровень яркости пикселя с координатами x и y, расположенного внутри рассматриваемой области, то корреляционный алгоритм сводится к минимизации следующего выражения:
Σ |
x, y |
(G |
( x , y |
τ |
)− G ( x, y ))2 |
, |
(3.1) |
|
τ |
τ |
|
|
|
||
где |
|
|
|
|
|
|
|
Gτ ( xτ, yτ ) = g0 + g1G ( xτ, yτ ) |
(3.2) |
||||||
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
x1 = a0 |
+ a1 x + a2 y + a3 xy , |
|
(3.3) |
|||
|
y1 = a4 |
+ a5 x + a6 y + a7 xy . |
|
(3.4) |
|||
Путем варьирования параметрами освещенности (g0 , g1 ) и параметрами аффинного преобразования (a0 ...a7 ) точность
измерений может быть достигнута вплоть до 0,01 пикселя.
На рис. 3.9 представлен вектор перемещения элемента поверхности исследуемого объекта. Центральная точка Р переместилась из исходного положения u в деформированное ν. При известных векторах перемещений каждой точки поверхности и её начальной геометрии могут быть вычислены деформации. Они могут быть получены непосредственно путем дифференцирования смещения соседних точек поверхности либо путем анализа искажений каждой соседней грани, которые используются для корреляции.
В технике корреляции цифровых изображений правильная калибровка камер оказывает существенное влияние на эффективность работы всей системы. При использовании одиночной камеры процесс калибровки сводится к простому определению масштабного коэффициента. Для трёхмерных систем процесс калибровки включает в себя совокупность операций, выполняемых с помощью калибровочных таблиц и с целью определения
95
Рис. 3.9. Определение трёхмерного вектора перемещения в процессе деформирования
внутренних (фокусное расстояние линз, радиальная и тангенциальная дисторсия линз) и внешних параметров (вектор трансляции и матрица поворота). Дисторсией называется нарушение подобия в геометрической форме между предметом и его изображением. В результате дисторсии изображение прямоугольной сетки приобретает бочкообразную (отрицательная дисторсия) или подушкообразную (положительная дисторсия) геометрию. На рис. 3.10 схематично представлен принцип трёхмерной калибровки камер.
Калибровочная таблица (рис. 3.11) представляет собой матрицу черных точек фиксированного размера и трех маркеров на белом фоне. Камерами фиксируются несколько положений калибровочной таблицы, при этом программное обеспечение автоматически определяет положение маркеров.
При проведении испытаний методом корреляции цифровых изображений требуется предварительная подготовка поверхности исследуемого объекта. Поверхность образца должна иметь контрастную мелкодисперсную окраску (рис. 3.12).
96
Рис. 3.10. Принцип трёхмерной калибровки камер
Рис. 3.11. Фотографии калибровочной таблицы, сделанные правой и левой камерой
97
Рис. 3.12. Поверхность образца, подготовленного для исследования методом корреляции цифровых изображений
Из большого числа методов нанесения краски применяют самоклеющиеся метки, шаблоны, трафареты, нанесение точек с помощью аэрозольных баллончиков и/или аэрографов. Когда калибровка камер завершена и поверхность образца подготовлена, проводится эксперимент.
Таким образом, для того чтобы провести исследования поведения материала с использованием метода трёхмерной корреляции цифровых изображений, необходимы 2 цифровые камеры, специализированное программное обеспечение, набор калибровочных таблиц, а также система подсветки. В качестве примера на рис. 3.13 представлен состав цифровой оптической системы Vic-3D.
Данная система включает в себя два комплекта цифровых чёрно-белых камер с разрешением 1,4 и 4,0 Мп, которые устанавливаются на жёсткой раме штатива для исключения движения одной камеры относительно другой (1, 2, см. рис. 3.13). Также в состав входят сменные объективы с различным фокальным
98
Рис. 3.13. Состав цифровой оптической системы Vic-3D
расстоянием, специализированное программное обеспечение 3, с помощью которого происходит управление процессом съёмки и обработка полученных фотографий. Установка включает в себя систему подсветки 4 и специальное приспособление для освещения труднодоступных мест 7, блок синхронизации с испытательной машиной 6 и набор калибровочных таблиц 5.
В качестве примера использования метода корреляции цифровых изображений при решении задач механики деформируемого твердого тела на рис. 3.14–3.16 проиллюстрированы некоторые результаты исследований, выполненные в Центре экспериментальной механики Пермского национального исследовательского политехнического университета.
99
Рис. 3.14. Исследование напряженно-деформированного состояния материала, предшествующее разрушению. Поля продольных ε yy, поперечных ε xx, сдвиговых ε xy деформаций и интенсивности ε i для плоского образца с поперечной проточкой
100