CN107576432B

CN107576432B - 一种动态裂纹尖端应力场量测方法及装置

Info

Publication number: CN107576432B
Application number: CN201710696024.9A
Authority: CN
Inventors: 王雁冰
Original assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Current assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority date: 2017-08-14
Filing date: 2017-08-14
Publication date: 2019-11-01
Anticipated expiration: 2037-08-14
Also published as: CN107576432A

Abstract

本发明的实施例公开一种动态裂纹尖端应力场量测方法及系统，涉及应力场实验研究技术领域，测量结果可靠。所述方法包括：采用数字图像采集设备获取试件表面受载变形前后的图像；在变形后图像中搜索与变形前图像中的第一质点所处子区匹配的第二质点所处子区；计算所述第一质点在变形前后的位移信息；通过所述第一质点的位移信息计算应力场。本发明适用于裂纹检测及力学实验室中。

Description

一种动态裂纹尖端应力场量测方法及装置

技术领域

本发明涉及应力场实验研究技术领域，尤其涉及一种动态裂纹尖端应力场量测方法及装置。

背景技术

国内外学者在动态裂纹周围应力场分布和扩展机理研究领域提出了许多实验方法和理论。经典的实验力学方法包括应变电测法和光测法。应变电测法的基本原理是用电阻应变片测定构件表面的线应变，再根据应变-应力关系确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。这种方法属于接触测量法，具体是将电阻应变片粘贴的被测构件表面，当构件变形时，电阻应变片的电阻值将发生相应的变化，然后通过电阻应变仪将此电阻变化转换成电压(或电流)的变化，再换算成应变值或者输出与此应变成正比的电压(或电流)的信号，由记录仪进行记录，就可得到所测定的应变或应力。应变电测法由于具有测量灵敏度高，响应频率大，测量范围广便于实现数字化采集的特点，受到广泛的应用。但是，该方法操作复杂，且应变片粘贴受人工熟练程度影响，因而会影响测量结果的准确性。

现有的光测试验力学方法，例如全息干涉法、光弹法、云纹干涉法，可以直观形象的展示测试对象表面的变形信息，但是，该类测量方法在实验时需在暗室环境进行，而且需要隔震，其测量结果准确性易受外部环境的影响。

因此，对于动态裂纹尖端应力场的测量及实验分析研究技术领域，急需一种测量结果可靠，适用于动态裂纹尖端应力场实验分析的测量方法及装置。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种动态裂纹尖端应力场量测方法及装置，测量结果可靠，适用于动态裂纹尖端应力场的量测及实验分析研究技术领域。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种动态裂纹尖端应力场量测方法，包括步骤：

采用数字图像采集设备获取试件表面受载变形前后的图像；

在变形后图像中搜索与变形前图像中的第一质点所处子区匹配的第二质点所处子区；

计算所述第一质点在变形前后的位移信息；

通过所述第一质点的位移信息计算应力场。

可选地，所述在变形后图像中搜索与变形前图像中的第一质点所处子区匹配的第二质点所处子区；计算所述第一质点在变形前后的位移信息包括；

预先定义至少一个衡量变形前后图像子区相似程度的函数；

将搜索步长设定为0.01个像素；

通过遍历搜索或梯度搜索法在变形后图像中搜索相似子区；

根据所述预定义函数计算所述每一个相似子区与所述变形前图像子区的相关系数值；

取使得相关系数最大的相似子区作为与所述第一质点所处子区匹配的子区；

根据第一质点在变形前图像上的位置坐标值与第一指点在变形后匹配子区上的位置坐标值计算整像素位移量；

所述预定义函数为：所述预定义函数为：

其中，f(x，y)是变形前图像子区中坐标(x，y)的灰度值，g(x′，y′)是变形后图像相似子区中的坐标(x′，y′)点的灰度值，分别为变形前第一质点所处子区与变形后图像中相似子区的灰度平均值，u、v分别为变形前第一质点相对于变形后图像相似子区中心点在x，y方向的整像素位移，2M为所述变形前及变形后图像子区的宽度，C(u，v)为用以表征前后图像子区相似程度的相关系数。

可选地，所述计算所述第一质点变形时的应力强度因子包括：

用VIC-2D软件对变形前后的数字散斑照片进行数字图像相关计算，获取全场的最大主应变数据和位移场数据；

将全场的最大主应变数据和位移场数据导入MATLAB软件中，建立坐标矩阵、最大主应变矩阵和位移场数据矩阵；

利用最大主应力场确定裂纹尖端的位置，将所有坐标点数据转换成以裂纹尖端为坐标原点的数据，载转化成以裂纹尖端为坐标原点的极坐标数据；

选择裂纹尖端区域，获取裂纹尖端的位移数据；

将矩阵数据带入所述位移场计算公式，求解出所述应力强度因子。

另一方面，本发明实施例提供一种动态裂纹尖端应力场量测系统，包括：图像采集装置及数字图像处理装置；

所述图像采集装置用于获取试件表面受载变形前后的图像并将所述图像转化为数字信号传递给所述数字图像处理装置；

所述数字图像处理装置用于在变形后图像中搜索与变形前图像中的第一质点所处子区匹配的第二质点所处子区；

计算所述第一质点在变形前后的位移信息；

通过所述第一质点的位移信息计算应力场。

可选地。所述数字图像处理装置还用于；

预先定义至少一个衡量变形前后图像子区相似程度的函数；

将搜索步长设定为0.01个像素；

通过遍历搜索或梯度搜索法在变形后图像中搜索相似子区；

所述预定义函数为：所述预定义函数为：

可选地，所述系统还包括加载于所述数字图像处理装置上的VIC-2D软件与MATLAB软件，

所述VIC-2D软件用于对变形前后的数字散斑照片进行数字图像相关计算，获取全场的最大主应变数据和位移场数据；并将全场的最大主应变数据和位移场数据导入MATLAB软件中；

所述MATLAB软件用于建立坐标矩阵、最大主应变矩阵和位移场数据矩阵；

并利用最大主应力场确定裂纹尖端的位置，将所有坐标点数据转换成以裂纹尖端为坐标原点的数据，然后转化成以裂纹尖端为坐标原点的极坐标数据；

选择裂纹尖端区域，获取裂纹尖端的位移数据；

求解出所述应力强度因子。

本发明实施例提供一种动态裂纹尖端应力场量测方法及装置，通过采用数字图像采集设备获取试件表面受载变形前后的图像；在变形后图像中搜索与变形前图像中的第一质点所处子区匹配的第二质点所处子区；计算所述第一质点在变形前后的位移信息；通过所述第一质点的位移信息计算应力场。由于采用图像处理中的相关搜索方法，在变形后的图像中搜索与变形前图像中第一质点所处子区匹配的第二质点所处子区能准确地确定所述第一质点在变形前后的位移信息，根据获得的所述位移信息能可靠地计算出动态裂纹尖端区域的应力场。本发明实施例具有的上述特点，使得量测结果可靠，能适用于动态裂纹尖端应力场的量测及实验分析研究技术领域

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例一一种动态裂纹尖端应力场量测方法流程示意图；

图2为本发明实施例二一种动态裂纹尖端应力场量测系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例一种动态裂纹尖端应力场量测方法及系统进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

参看图1所示，本发明实施方式一种动态裂纹尖端应力场量测方法，能适用与包括动态裂纹尖端在内的各种应力场的测量，包括步骤：S1、采用数字图像采集设备获取试件表面受载变形前后的图像；S2、在变形后图像中搜索与变形前图像中的第一质点所处子区匹配的第二质点所处子区；S3、计算所述第一质点在变形前后的位移信息；S4、通过所述第一质点的位移信息计算应力场。

本发明实施例一种动态裂纹尖端应力场量测方法，通过在变形后的图像中搜索与变形前图像中第一质点所处子区匹配的第二质点所处子区，能准确地确定所述第一质点在变形前后的位移信息，根据获得的所述位移信息能可靠地计算出动态裂纹尖端区域的应力场，从而使得量测结果可靠，能适用于动态裂纹尖端应力场的量测及实验分析研究技术领域。

本实施例中，所述数字图像采集设备包括具有图像采集及处理功能的任何设备，优选地，所述数字图像采集设备包括CCD相机，所述试件变形前的图像即参考图像或者叫模板图像，所述变形后的图像即目标图像，为叙述方便，下文将变形前的图像称作参考图像，变形后的图像称作目标图像，相应地，变形前第一质点所处的子区称作参考子区、第二质点所处子区称作目标子区，这里第一质点与第二质点均是指同一质点，只是为了区分是在参考图像中还是在目标图像中，才引入第一与第二的概念，不应当理解为对所述质点相同或不同的限定；所述在变形后图像中搜索的方法为现有的技术，为了使公众包括所述技术领域技术人员能够清楚完整地理解本发明，示例性地，所述搜索方法可以采用钻石搜索法、遍历搜索等搜索方法，其主要是为了在目标图像中搜索与所述参考图像中第一质点所处子区相似的子区，然后在该子区中再作与第一质点匹配的点的搜索，为了搜索到与所述第一质点或所述出子区相似的点或子区，可以在所述参考图像与所述目标图像之间建立相关性函数，所述相关函数可采用现有的互相关函数，例如归一化最小平方距离相关函数平方差相关函数；标准化的平方差相关函数：该函数对光线明亮变化不敏感，能在满足精度和计算速度的前提下进行最优的计算。所述相关函数可根据需要选取，所述选取标准一般为：可操作性、抗干扰性及较小的计算量，所述可操作性是指相关函数描述尽量简单，且非匹配区域与匹配区的函数值应有显著差异，所述抗干扰性指选择的函数要能容忍由于光照差异对图像拍摄的存在变化这一事实及电子噪声等，所述较小的计算量是指通过较少的计算工作量即可搜索到匹配的目标。所述计算第一质点变形前后的位移信息，通过算出第一质点在参考图像上的坐标及目标图像中的坐标，通过其坐标的差值求得在图像上的像素位移量，根据图像采集设备物像关系及放大倍率，求得实际质点位移量；所述根据位移信息计算应力场，具体实现时可采用现有的质点区域位移与区域应力场的公式计算得出。

本实施例中，优选地，所述在变形后图像中搜索与变形前图像中的第一质点所处子区匹配的第二质点所处子区；计算所述第一质点在变形前后的位移信息包括；预先定义至少一个衡量变形前后图像子区相似程度的函数；将搜索步长设定为0.01个像素；通过遍历搜索或梯度搜索法在变形后图像中搜索相似子区；根据所述预定义函数计算所述每一个相似子区与所述变形前图像子区的相关系数值；取使得相关系数最大的相似子区作为与所述第一质点所处子区匹配的子区；根据第一质点在变形前图像上的位置坐标值与第一指点在变形后匹配子区上的位置坐标值计算整像素位移量；所述预定义函数可以为现有的其他相关函数，

优选地，所述预定义函数为：

其中，f(x，y)是变形前图像子区中坐标(x，y)的灰度值，g(x′，y′)是变形后图像相似子区中的坐标(x′，y′)点的灰度值，分别为变形前第一质点所处子区与变形后图像中相似子区的灰度平均值，u、v分别为变形前第一质点相对于变形后图像相似子区中心点在x，y方向的整像素位移，2M为所述变形前及变形后图像子区的宽度，C(u，v)为用以表征前后图像子区相似程度的相关系数。上述归一化协方差互相关函数对线性灰度不敏感，当线性畸变时，其依然能准确评价两图像之间的相似程度，且抗干扰性强，能突出尖端特征明显效果，例如使尖端更尖，有利于计算变形前后图像中质点的位移像素，使计算结果更加准确。由于变形的质点每一变化并非是一个常量，因此为了使所述位移信息计算结果准确性更强，在对所述整像素位移信息计算后，采用亚像素位移搜索计算方法作进一步的位移信息确定，具体包括：灰度梯度法与梯度迭代法，所述梯度迭代法的原理是利用亚像素位置所处的灰度梯度，来进行迭代运算，为使梯度迭代法计算结果更加可靠，可通过双三次样条插值法来提高计算结果。

本实施例中，由于应力强度因子K是表征裂纹尖端应力场的物理量，量测裂纹尖端应力场，仅需获取所述应力强度因子K即可因此，优选地，所述计算所述第一质点变形时的应力强度因子包括：用VIC-2D软件对变形前后的数字散斑照片进行数字图像相关计算，获取全场的最大主应变数据和位移场数据；将全场的最大主应变数据和位移场数据导入MATLAB软件中，建立坐标矩阵、最大主应变矩阵和位移场数据矩阵；利用最大主应力场确定裂纹尖端的位置，将所有坐标点数据转换成以裂纹尖端为坐标原点的数据，载转化成以裂纹尖端为坐标原点的极坐标数据；选择裂纹尖端区域，获取裂纹尖端的位移数据；求解出所述应力强度因子。所述应力强度因子根据裂纹的特点，在现有的有限元分析法、边界元法或权函数法、位移外推法或虚拟裂纹闭合法中的选择任一种方法求得。

实施例二

参看图2所示，本发明实施例提供一种动态裂纹尖端应力场量测系统，包括：图像采集装置1及数字图像处理装置2；所述图像采集装置用于获取试件表面受载变形前后的图像并将所述图像转化为数字信号传递给所述数字图像处理装置；所述数字图像处理装置用于在变形后图像中搜索与变形前图像中的第一质点所处子区匹配的第二质点所处子区；计算所述第一质点在变形前后的位移信息；通过所述第一质点的位移信息计算应力场。

本实施例所述测量系统，由于通过所述图像处理装置在所述变形后的图像中搜索与变形前图像中的第一位移质点所处子系统匹配的第二质点所处子区，计算第一质点在变形前后位移信息，根据所述唯一信息计算裂纹尖端应力场，使得测量结果可靠，能适用于动态裂纹尖端应力场的量测及实验分析研究技术领域。

本实施例中，所述图像采集装置包括高速摄像机和控制器，该摄像机的参数如下：传感器：μCMOS传感器；像素尺寸：30μm×30μm；分辨率：924pixel×768pixel；图像数量：180幅(连续2s@1000fps)；曝光时间：100ns；拍摄速度：5Mfps、2Mfps、1Mfps、500Kfps、200Kfps、100Kfps、50Kfps、20Kfps、10Kfps、5Kfps、2Kfps、1Kfps；触发模式：起点、终点及中间点触发；所述相机采用μCMOS传感器；所述每个像素都有180个存储单元；100ns高速全域电子快门；图像分辨率固定为924pixel×768pixel和图像采集数量固定为180张，即图像分辨率不会随着采集频率的增大而缩小。这就有效的保证了相机对实验试件的全场拍摄和后续全场变形分析的可行，同时不论相机的采集频率设为多少，都将采集180张的数字图像，有效的优化了相机的存储效率。所述图像采集装置还包括补光设备：用来补偿高速摄像机的光场。实验中使用的补光设备为SI-AD500补光系统。该系统包括控制器和闪光灯。其中控制器为四通道CU-500型控制器，它包括独立和同步两种触发模式，既可以控制多通道同时工作，也可以控制多通道顺序工作。所述闪光灯型号为FH-500，采用的是100W的U型氙气闪光灯管，该闪光灯具有2ms时长的恒定光强的闪光照明时间，这个时间长度的光强能有效保证高速相机拍摄工作的完成。

所述量测系统在搜索匹配子区的过程中，还可通过自由设置子区及其大小与搜索步长来实现适应载有不同大小散斑图像的计算，从而保证搜索的精度及准确度。

本实施例中，优选地，所述数字图像处理装置还用于；预先定义至少一个衡量变形前后图像子区相似程度的函数；将搜索步长设定为0.01个像素；通过遍历搜索或梯度搜索法在变形后图像中搜索相似子区；根据所述预定义函数计算所述每一个相似子区与所述变形前图像子区的相关系数值；取使得相关系数最大的相似子区作为与所述第一质点所处子区匹配的子区；根据第一质点在变形前图像上的位置坐标值与第一指点在变形后匹配子区上的位置坐标值计算整像素位移量；

所述预定义函数为：

本实施例中，优选地，所述系统还包括加载于所述数字图像处理装置上的二维非接触应变测量(VIC-2D)软件与MATLAB软件，所述VIC-2D软件用于对变形前后的数字散斑照片进行数字图像相关计算，获取全场的最大主应变数据和位移场数据；并将全场的最大主应变数据和位移场数据导入MATLAB软件中；所述MATLAB软件用于建立坐标矩阵、最大主应变矩阵和位移场数据矩阵；并利用最大主应力场确定裂纹尖端的位置，将所有坐标点数据转换成以裂纹尖端为坐标原点的数据，然后转化成以裂纹尖端为坐标原点的极坐标数据；选择裂纹尖端区域，获取裂纹尖端的位移数据；求解出所述应力强度因子。所述数字散斑可以为真实的也可以人为制作的，所述建立坐标矩阵根据不同的应变特点其具体的矩阵不同，但是其基本方法是一样的。

需要说明的是，本发明各个实施例之间虽然描述的侧重点不同，但是其基本结构或原理有相互关联之处，可相互参看。另外，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种动态裂纹尖端应力场量测方法，其特征在于，包括步骤：

采用数字图像采集设备获取试件表面受载变形前后的图像；

计算所述第一质点在变形前后的位移信息；

通过所述第一质点的位移信息计算应力场；

所述在变形后图像中搜索与变形前图像中的第一质点所处子区匹配的第二质点所处子区；计算所述第一质点在变形前后的位移信息包括；

预先定义至少一个衡量变形前后图像子区相似程度的函数；

将搜索步长设定为0.01个像素；

通过遍历搜索或梯度搜索法在变形后图像中搜索相似子区；

根据预先定义的函数计算所述每一个相似子区与所述变形前图像子区的相关系数值；

所述预先定义的函数为：

2.根据权利要求1所述的量测方法，其特征在于，所述计算所述第一质点变形时的应力强度因子包括：

利用最大主应力场确定裂纹尖端的位置，将所有坐标点数据转换成以裂纹尖端为坐标原点的数据，再转化成以裂纹尖端为坐标原点的极坐标数据；

选择裂纹尖端区域，获取裂纹尖端的位移数据；

求解出所述应力强度因子。

3.一种动态裂纹尖端应力场量测系统，其特征在于，包括：图像采集装置及数字图像处理装置；

计算所述第一质点在变形前后的位移信息；

通过所述第一质点的位移信息计算应力场；

所述数字图像处理装置还用于：

预先定义至少一个衡量变形前后图像子区相似程度的函数；

将搜索步长设定为0.01个像素；

通过遍历搜索或梯度搜索法在变形后图像中搜索相似子区；

所述预先定义的函数为：

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括加载于所述数字图像处理装置上的VIC-2D软件与MATLAB软件，

选择裂纹尖端区域，获取裂纹尖端的位移数据；求解出所述应力强度因子。