CN105865366A - 一种多孔夹层板高温热屈曲瞬态全场变形过程测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了提供一种多孔夹层板高温热屈曲瞬态全场变形过程测量方法,首次将非接触式光学测量方法3D‑DIC方法应用到薄板及夹层板结构热屈曲实验当中，对热屈曲变形行为进行了全场实时地测量。散斑制作，对试样板表面进行喷砂处理后使用高温油漆喷涂散斑；CCD相机内外参数标定；图像采集，在加热炉的观察窗口处放置冷光源并在光纤头处粘贴毛玻璃片，控制加热速率低于10℃/min；采集时，使用短焦距镜头同时采用滤光片进行图像采集；图像几何矫正；三维形貌重建，通过对CCD相机采集得到的图像进行几何校正后计算得到结构的三维变形场，并对所述三维变形场根据高斯滤波函数进行滤波处理。

Description

一种多孔夹层板高温热屈曲瞬态全场变形过程测量方法

技术领域

本发明涉及一种多孔夹层板高温热屈曲瞬态全场变形过程测量方法。

背景技术

相比于常温环境，高温条件下多孔夹层板结构变形的测量更为困难。目前对于高温环境下结构变形的测量主要包括接触式以及非接触式两个方面。其中，接触式测量方法主要包括高温应变片和位移传感器等。而非接触式测量方法主要包括干涉方法，例如云纹法，电子散斑干涉方法、激光散斑相关方法，以及非干涉方法，例如数字图像相关方法(DIC)。

由于非接触式测量方法不改变结构表面的力学性能，在高温环境下的实验测量中备受关注。数字图像相关技术由2D-DIC发展到3D-DIC，从而测量得到了结构的离面位移。

由于这种方法具有非接触、高分辨率、全场测量等优点开始在实验力学领域得到了广泛的应用。但是将其应用在高温环境下对具有较大尺寸的点阵夹层板热屈曲行为进行全场测量，仍然需要克服一些实验上的困难。跟一般环境相比，主要存在以下难点：

(1)普通的油漆在高温环境中容易挥发，用于制备常温散斑的材料已经无法使用。

(2)由于点阵夹层板热屈曲实验中相机视野比较大，为了提高DIC图像的相关系数，需要制备跟试件大小相匹配并且满足精度要求的散斑。

(3)由于炉腔封闭加热环境，使得光线条件太差，无法采集清晰的散斑图像。

(4)如果实验过程中加热速率太高，电炉丝发出的不可见光影响了采图的质量，降低了左右图像之间的相关性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多孔夹层板高温热屈曲瞬态全场变形过程测量方法,首次将非接触式光学测量方法3D-DIC方法应用到薄板及夹层板结构热屈曲实验当中，对热屈曲变形行为进行了全场实时地测量。

为了达到上述目的，本发明的具体技术方案如下：

一种多孔夹层板高温热屈曲瞬态全场变形过程测量方法，包括以下步骤：

1)散斑制作，先对试样板表面进行喷砂处理，之后使用能够承受800℃高温并混合有粘接剂的高温油漆在所述试样板上喷涂散斑，最后将喷涂好散斑的试样板在室温下放置48小时；

2)CCD相机内外参数标定，使用具有棋盘格的纸贴在玻璃板上得到标定板，采集13张不同位置的标定板图形进行标定来计算左右CCD相机的内外参数；

3)图像采集，采集散斑图像之前，在加热炉上方的观察窗口处放置改善炉腔内部光学环境的冷光源，在所述冷光源的光纤头处粘贴使光线能均匀分布在加热环境中毛玻璃片；加热过程中，控制加热速率低于10℃/min；采集时，使用短焦距镜头同时采用滤光片进行图像采集；

4)图像几何矫正，在对左右图像进行匹配之前，依据标定得到的相机内外参数对图像进行几何校正；

5)三维形貌重建，通过对CCD相机采集得到的图像进行几何校正后计算得到结构的三维变形场，并对所述三维变形场根据高斯滤波函数进行滤波处理，所述高斯滤波函数为：

$g(x,y)=f(x,y)\∑\⊗e^{-\frac{(x^2+y^2)}{2{\mathrm{\σ}}^2}}=f(x^{\′},y^{\′})e^{-\frac{{(x-x^{\′})}^2+{(y-y^{-})}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}{\mathrm{dx}}^{\′}{\mathrm{dy}}^{\′},$

其中，f(x，y)为进行滤波的图像的灰度函数，而g(x，y)是通过滤波得到的图像的灰度函数，是卷积算子，σ是高斯函数的均方差，离散方程可以得到：

$g(i,j)=f(i,j)\⊗e^{-\frac{(i^2+j^2)}{2{\mathrm{\σ}}^2}}=\underset{k=-n,}{\overset{n}{\Σ}}\underset{l=-m}{\overset{m}{\Σ}}f{(i-k,j-l)}^{-\frac{(k^2+l^2)}{2{\mathrm{\σ}}^2}},$

其中2m+1和2n+1分别为高斯计算模板的大小。

进一步地，步骤1)中还包括消除散斑表面的反光，具体为：

在进行实验之前，将喷涂好散斑的试样板放入加热炉中加热到100℃，使得散斑表面的油漆氧化，之后再自然冷却到室温。

进一步地，步骤1)中，通过高温油漆制备出的散斑尺寸为0.5mm-2mm。

进一步地，步骤2)中，所述标定板为使用具有棋盘格的纸贴在玻璃板制作得到。

本发明提供的一种多孔夹层板高温热屈曲瞬态全场变形过程测量方法，使用油漆喷涂的散斑在高温环境中不会挥发，确保了喷涂散斑的品质，其次，通过对图像采集环境的改进能够采集到清晰高质量的散斑图像，进行左右图像匹配之前对图像进行几何校正，并对计算得到的三维变形场进行滤波处理，提高了左右图像之间的相关性，进而提高了实验精度。

附图说明

图1为本发明提供的一种多孔夹层板高温热屈曲瞬态全场变形过程测量方法流程示意图；

图2为本发明提供的通过CCD相机拍摄得到的不同散斑大小的结构图像，其中图2a像素5pixel-10pixel，图2b像素为15pixel-20pixel；

图3为本发明提供的发热电阻丝发出的非可见光对采集图像的影响效果图；

图4为本发明提供的对采集的图像经过几何矫正前后的图像，其中图4a为矫正前的图像，图4b是矫正后的图像；

图5为本发明提供的当σ＝5,m＝7薄板中心线的离面位移滤波前与滤波后的结果曲线图，其中图5a是滤波前的曲线图，图5b是滤波后的曲线图，图5c是不同参数的滤波效果对比曲线图；

图6中，从图6a至图6h为通过本发明提供的3D-DIC方法测量得到的铝合金薄板热屈曲全场变形随温升的变化图像；

图7为薄板中心线处离面位移随温升的变化曲线图；

图8a为由三坐标测量机测量得到的薄板的屈曲模态效果图；

图8b为由3D-DIC测量得到的薄板的屈曲模态效果图；

图9为通过三坐标测量机和3D-DIC分别测量得到的薄板中心线的离面位移比对曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行说明。

如图1所示，一种多孔夹层板高温热屈曲瞬态全场变形过程测量方法：

1)散斑制作，先对试样板表面进行喷砂处理，之后使用能够承受800℃高温并混合有粘接剂的高温油漆在所述试样板上喷涂散斑，最后将喷涂好散斑的试样板在室温下放置48小时。

对于高温环境下3D-DIC测量，高温散斑的制备是影响实验精度的最重要的因素之一。如果试件表面没有自然的纹理特征，需要在表面喷涂一层大小随机的斑点作为匹配用的散斑。在高温实验中试件表面喷涂的散斑需要满足如下要求：

(a)在加热过程中试件表面的散斑必须保持原来的颜色及形状。散斑形状及颜色的改变都会影响图像的相关度，从而导致实验的失败。

(b)在试件的变形过程中，散斑必须始终完好的粘贴在试件的表面，不能出现断裂或者剥离。

为了解决这两个问题，本发明采用能够承受800℃高温并且混合有粘接剂的高温油漆来制备高温散斑。由于表面比较光滑，点阵夹层板及薄板在外界光源的照射下会产生强烈的反光，从而影响了左右图像的相关性。因此，在喷涂散斑之前需要对薄板以及点阵夹层板的表面进行喷砂处理。这种方法主要采用压缩空气作为动力，将喷料高速喷射到需要处理的试件表面来增加试件表面的粗糙度。

通过实验发现，通过喷砂处理不仅消除了夹层板表面的反光，而且增加了散斑与夹层板表面之间的粘接力。另外。在进行热屈曲实验之前，需要将喷涂好散斑的试件在室温条件下放置48小时来确保散斑能够稳固地粘贴在点阵夹层板试件的表面。

在图像匹配过程中，散斑的质量决定了左右图像的相关性。根据点阵夹层板的测试面积，通过高温油漆制备出的散斑尺寸应该保持在0.5mm-2mm。

如图2a和图2b所示，给出了通过CCD相机拍摄得到的不同散斑大小的结构图像，其中图2a中散斑的像素尺寸大小约为5pixel-10pixel，由于图像的对比度太低，导致左右图像无法进行匹配。因此，我们通过增大喷枪的口径并且减小喷枪压力来增大散斑的尺寸，图2(b)为改进后的散斑图像像素尺寸为15pixel-20pixel。

实验发现，通过调整散斑像素尺寸的大小，左右图像的相关系数有了明显的增加。将试件加热到500℃以后发现，散斑仍然保持原来的颜色及形状没有发生变化。但是，由于散斑面积较大，将试件在光源的照射下仍然有比较明显的反光。因此，实验之前需要将自由状态下的夹层板试件放入加热炉中加热到100℃，从而使得散斑表面的油漆氧化，然后冷却到室温消除了散斑表面的反光。

2)CCD相机内外参数标定，使用具有棋盘格的纸贴在玻璃板上得到标定板，采集13张不同位置的标定板图形进行标定来计算左右CCD相机的内外参数。

为了获得点阵夹层板的三维变形场，需要通过标定板进行标定来计算左右CCD相机的内外参数。目前比较常用的标定板主要包括等间距实心圆阵列标定板和国际象棋盘标定板。本发明中采用Zhang提出的国际象棋盘标定板来对相机进行标定。本发明将打印出来的具有棋盘格的纸贴在玻璃板上来制作精度比较高的标定板。为了得到准确地得到CCD相机的内外参数，实验中一共采集13张不同位置的标定板图形来进行标定。

3)图像采集，采集散斑图像之前，在加热炉上方的观察窗口处放置改善炉腔内部光学环境的冷光源，在所述冷光源的光纤头处粘贴使光线能均匀分布在加热环境中毛玻璃片；加热过程中，控制加热速率低于10℃/min；采集时，使用短焦距镜头同时采用滤光片进行图像采集；

由于点阵夹层板热屈曲实验在封闭的加热炉环境中进行，为了采集清晰的散斑图像需要解决如下两个问题：

(a)由于炉腔封闭的加热环境，周围环境光线无法进入，导致测试环境亮度太低，无法直接采集散斑图像。于是，在加热炉上方的观察窗口处放置了四路冷光源来改善炉腔内部的光学环境。但是，由于冷光源的光线比较集中，如果直接将光纤头进行照射光线会集中在试件某些集中区域。因此，在冷光源的光纤头处粘贴了毛玻璃片，使光线能够均匀地分布在加热环境中。

(b)加热过程中加热炉中电阻丝发出的不可见光影响了图像的采集。如图3所示，当温升速率超过10℃/min的时候，电阻丝发出的不可见光导致采集的图像无法匹配。因此，需要使用滤光片并采用比较低的加热速率。

4)图像几何矫正，在对左右图像进行匹配之前，依据标定得到的相机内外参数对图像进行几何校正。

当不进行校正的情况下，边沿与模板边界不重合，影响了边界模板相关算法的进行，而不恰当的校正会引起原本信息的丢失，从而降低了相关算法的可靠性。因此，需要在图像匹配之前进行基于标定数据的几何校正。

首先必须重新建立一个适当的摄像机坐标系，对于两个摄像机而言，满足以下方程：

$s_l\left[\begin{array}{c}{u}_l\\ v_l\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{a_x}^l& {\mathrm{\γ}}^l& {u_0}^l\\ 0& {a_y}^l& {v_0}^l\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{R}^l& t^l\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_w\\ Y_w\\ Z_w\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{Q}^l& q^l\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_w\\ Y_w\\ Z_w\\ 1\end{array}\right]$

$s_r\left[\begin{array}{c}{u}_r\\ v_r\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{a_x}^r& {\mathrm{\γ}}^r& {u_0}^r\\ 0& {a_y}^r& {v_0}^r\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{R}^r& t^r\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_w\\ Y_w\\ Z_w\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{Q}^r& q^r\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_w\\ Y_w\\ Z_w\\ 1\end{array}\right]$

在世界坐标系中，光心的坐标为：

O_l＝-Q^l-1q^l＝-R^l-1t^l

O_r＝-Q^r-1q^r＝-R^r-1t^r

现有的算法一般将O_lO_r连线，也就是基线，作为新的摄像机坐标系的X轴，然后再自由指定其他两个轴线，随意性很大。因此，特意制定细网格标定板，使得标定板的初始位置与方形试件的边界完全重合

通过映射关系，可以得到：

${s_l}^{\′\′}\left[\begin{array}{c}{u_l}^{\′}\\ {v_l}^{\′}\\ 1\end{array}\right]=Q^{l^{\′}}{Q}^{l-1}\left[\begin{array}{c}{u}_l\\ v_l\\ 1\end{array}\right]$

${s_r}^{\′\′}\left[\begin{array}{c}{u}_r\\ v_r\\ 1\end{array}\right]=Q^{r^{\′}}{Q}^{r-1}\left[\begin{array}{c}{u}_r\\ v_r\\ 1\end{array}\right]$

通过该方程直接求解校正前后的关系即可实现图像的校正。

对于传统的数字图像相关方法，由于试件较小，可以直接将左右CCD相机采集得到的图像进行匹配。由于长焦镜头的畸变比较小，直接匹配可以得到理想的实验结果。

对于点阵夹层板的热屈曲实验，为了避免加热炉观测窗口产生的热霾，CCD相机与点阵夹层板试件之间的距离不能太大。而采用短焦距镜头则导致左右CCD相机采集得到的图像差异太大，致使直接匹配比较困难。因此，在对左右图像进行匹配之前需要依据标定得到的相机内外参数对图像进行了几何校正。图4a和图4b分别给出了图像矫正前与矫正后的图像。

5)三维形貌重建，通过对CCD相机采集得到的图像进行几何校正后计算得到结构的三维变形场，然而，由于热辐射以及光线噪点的干扰，重建得到的三维变形场存在一些比较小的波动，这些波动偏离了真实的实验结果。因此，本文对实验得到的变形场进行了滤波处理。滤波函数为高斯滤波函数：

$g(x,y)=f(x,y)\∑\⊗e^{-\frac{(x^2+y^2)}{2{\mathrm{\σ}}^2}}=f(x^{\′},y^{\′})e^{-\frac{{(x-x^{\′})}^2+{(y-y^{-})}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}{\mathrm{dx}}^{\′}{\mathrm{dy}}^{\′},$

其中，f(x，y)为进行滤波的图像的灰度函数，而g(x，y)是通过滤波得到的图像的灰度函数，是卷积算子，σ是高斯函数的均方差，离散方程可以得到：

$g(i,j)=f(i,j)\⊗e^{-\frac{(i^2+j^2)}{2{\mathrm{\σ}}^2}}=\underset{k=-n,}{\overset{n}{\Σ}}\underset{l=-m}{\overset{m}{\Σ}}f{(i-k,j-l)}^{-\frac{(k^2+l^2)}{2{\mathrm{\σ}}^2}},$

其中2m+1和2n+1分别为高斯计算模板的大小。

图5给出了当σ＝5,m＝7薄板中心线的离面位移滤波前与滤波后的结果，图5a是滤波前，图5b是滤波后，图5c是不同参数的滤波效果对比图。其中纵坐标均为位移轴，横坐标均为间距坐标。可以发现，通过滤波薄板中心线的基本特征并没有改变，只是滤掉了一些较小的波动。

薄板热屈曲实验结果：

图6给出了通过3D-DIC方法测量得到的薄板热屈曲全场变形随温升的变化情况。从图6a至图6h可以看出，当温升小于临界屈曲温度时，薄板没有产生离面位移。当温升大于薄板临界屈曲温度以后，薄板发生了屈曲，离面位移随着温升的增加迅速增大。另外，根据测量结果发现，薄板的热屈曲失效行为为对称模式。

图7给出了薄板中心线处离面位移随温升的变化。

为了验证3D-DIC实验方法的测量精度，采用接触式测量方法三坐标测量机(CMM)对薄板热屈曲模态进行了测量。三坐标测量机因其使用方便、精度高等优点广泛地应用在了机械电子、仪表等行业。它将待测物体放置于三坐标测量空间来测量物体表面测点的坐标信息，然后根据坐标信息计算得到结构几何尺寸。该仪器的精度为2μm，测点为24×30个。

图8分别给出了由三坐标测量机和3D-DIC测量得到的薄板的屈曲模态。图9给出了通过三坐标测量机及3D-DIC测量得到的薄板中心线的离面位移。通过对比发现，3D-DIC测量得到的三维变形场与三坐标测量机结果吻合较好，从而验证了3D-DIC方法的测量精度。

以上，虽然说明了本发明的几个实施方式，但是这些实施方式只是作为例子提出的，并非用于限定本发明的范围。对于这些新的实施方式，能够以其他各种方式进行实施，在不脱离本发明的要旨的范围内，能够进行各种省略、置换、及变更。这些实施方式和其变形，包含于本发明的范围和要旨中的同时，也包含于权利要求书中记载的发明及其均等范围内。

Claims (4)

1.一种多孔夹层板高温热屈曲瞬态全场变形过程测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)散斑制作，先对试样板表面进行喷砂处理，之后使用能够承受800℃高温并混合有粘接剂的高温油漆在所述试样板上喷涂散斑，最后将喷涂好散斑的试样板在室温下放置48小时；

2)CCD相机内外参数标定，使用具有棋盘格的纸贴在玻璃板上得到标定板，采集13张不同位置的标定板图形进行标定来计算左右CCD相机的内外参数；

3)图像采集，采集散斑图像之前，在加热炉上方的观察窗口处放置改善炉腔内部光学环境的冷光源，在所述冷光源的光纤头处粘贴使光线能均匀分布在加热环境中毛玻璃片；加热过程中，控制加热速率低于10℃/min；采集时，使用短焦距镜头同时采用滤光片进行图像采集；

4)图像几何矫正，在对左右图像进行匹配之前，依据标定得到的相机内外参数对图像进行几何校正；

5)三维形貌重建，通过对CCD相机采集得到的图像进行几何校正后计算得到结构的三维变形场，并对所述三维变形场根据高斯滤波函数进行滤波处理，所述高斯滤波函数为：

$g(x,y)=f(x,y)\⊗e^{-\frac{(x^2+y^2}{2{\mathrm{\σ}}^2})}=\∫\∫f(x^{\′},y^{\′})e^{-\frac{(x-x^{\′})+{(y-y^{\′})}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}{\mathrm{dx}}^{\′}{\mathrm{dy}}^{\′},$

其中，f(x，y)为进行滤波的图像的灰度函数，而g(x，y)是通过滤波得到的图像的灰度函数，是卷积算子，σ是高斯函数的均方差，离散方程可以得到：

$g(i,j)=f(i,j)\⊗e^{-\frac{(i^2+j^2)}{2{\mathrm{\σ}}^2}}=\underset{k=-n,}{\overset{n}{\Σ}}\underset{l=-m}{\overset{m}{\Σ}}f(i-k,j-l)e^{-\frac{(k^2+l^2)}{2{\mathrm{\σ}}^2}},$

其中2m+1和2n+1分别为高斯计算模板的大小。

2.根据权利要求1所述的一种多孔夹层板高温热屈曲瞬态全场变形过程测量方法，其特征在于，步骤1)中还包括消除散斑表面的反光，具体为：

在进行实验之前，将喷涂好散斑的试样板放入加热炉中加热到100℃，使得散斑表面的油漆氧化，之后再自然冷却到室温。

3.根据权利要求1所述的一种多孔夹层板高温热屈曲瞬态全场变形过程测量方法，其特征在于，步骤1)中，通过高温油漆制备出的散斑尺寸为0.5mm-2mm。

4.根据权利要求1所述的一种多孔夹层板高温热屈曲瞬态全场变形过程测量方法，其特征在于，步骤2)中，所述标定板为使用具有棋盘格的纸贴在玻璃板制作得到。