基于DIC的q235拉伸试验研究.pdf

设备管理与维修2023 翼8（下）0引言拉伸试验在研究材料力学性能方面有着重要作用，力学变形的测量方式有接触式测量和非接触式测量。接触式测量是传统的测量方法，通过探测头与试样接触来获取位移数据，此方法简单实用，但是有较为复杂的安装环节，且直接接触会在一定程度上会干扰测量结果，测量范围有很大的局限。顾名思义，非接触式测量法不与试样接触，通过光学原理进行测量，如散斑干涉技术、DIC（Digital Image Correlation，数字图像相关）技术、视频引伸计技术等。非接触测量可以全场检测，还有精度高、无接触无损伤测量、测量速度快等特点，其中 DIC 对光源的要求不高，测量简单方便且可以得到瞬时变形场数据，满足拉伸试验测量要求，DIC 方法在测量物体表面方面具有巨大优势1-4。自 20 世纪 80 年代 Peters5等提出 DIC 方法以来，DIC 技术经国内外学者研究取得飞速发展，理论相对成熟，获得学术界的认可。但由于国内没有较成熟的 DIC 软硬件制造商，这导致引进DIC 测量系统的经济成本较高。实验室为了在拉伸试验中应用DIC 技术，在软硬件方面进行平替。以 q235 低碳钢材料为对象进行拉伸实验，通过 Matlab 自编程对采集到的图像进行处理，并将数据与 VIC-2D 的数据进行对比来验证方法的可行性，期望在达到预期实验效果的前提下能尽可能降低实验成本。1DIC 原理作为一种高效的平面测量技术，DIC 在力学领域已经有了广泛应用，其原理是对比变化前后的幅数字图像，计算区域相关性，找到最大相关区域，以得到应变信息。对变化前后散斑图像的各个像素点进行相关运算，便可得出被测试样表面的全场位移、全场应变等信息6-8。需要注意的是，DIC 的散点作用与有限元中的节点作用并不相同，如果用有限元的思想来理解 DIC 法就会出现误解，无法理解散点随机分布的含义。有限元法中节点连接单元，通过节点的位移来得到形变信息，而 DIC 中的散点与节点的意义不同，散点随机分布，并不代表某一个单元。散点的存在类似标记，是为了更好地进行区域相似性追踪的一种手段。散点的随机性越高，区域相似性追踪则越准确。1.1一阶常应变位移模型为了对参考区域内的像素点的平移、旋转以及剪切和伸缩变化情况进行表示，需要建立一个应变位移模型（图 1）：假设变形前后散斑图像中子区域的中心点分别是 P（x，y）和 P忆（x忆，y忆），在水平和竖直方向上的位移量分别是 u、v，设 A（xa，ya）是变形前子集中的任意一个点，驻x、驻y表示点A 与点P在 X、Y 方向上的距离。假设变形后 A 点移动到 A忆（xa忆，ya忆），位移为 ua、va，将 ua、va用点 P的位置和位移的一阶导数来近似表示，经推导最终可以得到式（1）：xa忆=xa+u+鄣u鄣x驻x+鄣u鄣y驻yya忆=ya+v+鄣v鄣x驻x+鄣v鄣y驻y扇墒设设设设设缮设设设设设（1）1.2互相关函数互相关函数将最终参考子集点处的灰度值与最终当前子集点处的灰度值进行比较，从而度量最终参考子集和最终当前子集的相关性。按照各个相关准则的数学概念，大致包括以下 3 种类别，即互相关（CC）、差平方和（SSD）、参数差平方和（PSSD）9，在模拟中发现三者效果相差不大，但 PSSD 准则相对来说计算效率更高，采用广义 PSSDab 系数，其考虑两个未知参数 a 和b 来考虑目标子集强度的偏移量和尺寸变化，该系数为：CPSSDab=ni=1移af（xi，yi）+b-g（xi忆，yi忆）2（2）摘要：DIC 作为非接触式测量技术近年来发展迅速，在研究材料表面应变方面比传统的接触式测量具有显著优势。运用 DIC 原理针对拉伸实验开发软件，以 q235 低碳钢为实验材料进行拉伸实验，用该软件进行数据处理，将计算结果对比 VIC-2D 软件的计算结果，验证材料的力学性能及 DIC 方法的可靠性。并针对实验对象的特点对实验软硬件进行合理平替，在达到预期实验效果的前提下降低实验成本。关键词：DIC；拉伸试验；降低成本中图分类号：TP391.4文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.08D.30基于 DIC 的 q235 拉伸试验研究熊浩，秦襄培，徐瑞，张毅恒（武汉工程大学，湖北武汉430205）图 1应变位移模型輪輱设备管理与维修2023 翼8（下）其中，f（xi，yi）、g（xi忆，yi忆）分别代表参考子集中和目标子集第 i个像素的灰度值。1.3爬山搜索法爬山搜索法是在确定起始点之后，沿着相关系数增长最大的方向去搜索相关性最大的区域，先计算出当前子区域中心点的相关系数值，然后找出其邻点中相关系数增长最大的点，并将该点作为新的子区中点，依次计算搜索方位上的每一点的相关系数值，直到相关系数的大小超过当前点时，则以该点方向上的下一个点为当前点继续沿着该方向向前搜索；若相关系数的值低于当前点，则以其相邻点的方向继续寻找，直到找出下一个方向上的点的相关系数值大于当前点为止。重复这个搜索过程，当计算得出的每个方向上的点的相关系数值均小于或等于当前点，则该点即是相关系数最大的点。由于收集到的散斑图像中可能存在噪声的影响，因此该搜索方法计算得到的相关区域可能不止一个，假设爬山算法的起始点不在主峰区域，则所求结果为局部最优解。2应力拉伸实验2.1实验过程研究低碳钢的力学性能时一般采用常温静载拉伸实验，实验选用十倍长径比的 q235 低碳钢棒作为实验材料，用黑白哑光漆制作散斑在一定程度上改善反光情况。利用 MTS Landmark电液伺服测试系统配合液压动力装置（HPU）以及 647.10A 液压助力楔形夹具，以大小为 10 kN、频率为 10 Hz 的力对试样进行拉伸实验。以白光作为光源，采用焦距为 35 mm，光圈范围为1.916，滤镜尺寸为 M30.5伊0.5 的工业相机拍摄散斑图序列。以500 滋s 每张的速率采集图像，试样拉断时停止采集，共采集到1104 张散斑图像。将 MTS 试验机采集到的数据绘成力与时间的曲线，可以直观地观察到材料拉伸经历的 4 个阶段，分别是弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、局部变形阶段。由于不同阶段的不同应力应变特点，可以根据应力随时间变化曲线图分出各阶段区间。从第 1 张到第 18 张散斑图是弹性阶段，应力应变成正比；在第 18 张散斑图应力达到一个峰值，表明试样此时达到上屈服极限，随后应力下降，在第 50 张散斑图时达到下屈服极限；在散斑图 140892，试样处于强化阶段，并在散斑图 892 时到达强度极限；散斑图892 至最后试样处于局部变形阶段，应力逐渐下降，试样出现“颈缩”状态。由于屈服阶段应变比较明显，在屈服阶段的散斑图中进行密集采样，每 5 张图选取一张，弹性阶段选择应力达到峰值的散斑图即第 18 张图，其他阶段采取每 50 张选取一张采样，共选取 51 张散斑图像进行后续力和位移的分析。如果反光严重会导致实验中采集到的图像识别困难、数据丢失。为降低反光对实验的影响，在进行实验时，除了制作散斑时选用哑光漆之外，还可以调整光源，根据试样位置并借助配套软件的十字线定位来调节镜头的位置，使得镜头与试样所处平面垂直且尽量减少表面反光情况。对图片进行 DIC 分析之前还需进行图像预处理，可先用形态学的方法去除所有的前景（斑点），再提取出图像背景，将初始图像与背景图像相减，这样得到图片序列有一个统一的背景，会在一定程度上降低反光的影响，便于后续图像处理。2.2软硬件平替一个完整的数字图像系统一般由 CCD 工业相机、高分辨率镜头、白光光源、制造散斑的工具、计算机及图像分析软件和其他相关配件组成。国内做 DIC 测量系统的公司并不多，大多是国外公司的代理商，整套系统十分昂贵，大多数在 10 万元左右，甚至更高。实验室借助 Matlab 软件以 DIC 原理为基础进行自编程对采集到图像序列进行处理，针对拉伸实验开发了一个 Matlab软件作为软件代替。该 APP 有对采集到的图像序列进行预处理、ROI（Region Of Interest，感兴趣区域）划分、应力应变计算、结果图像绘制等功能。考虑到试样是圆柱体形状，在参考图像上显示出来的是一个矩形区域的特点，可以考虑将 ROI 简化为一个矩形进行提取。将参考图像二值化后分别对水平和竖直方向进行投影，提取出像素突变点可得到 4 个点，其围成的图形可作为 ROI。在硬件方面，高速相机的价格比起普通相机要高很多，为了捕捉瞬时变形，提高准确度，高速相机在研究断裂这类聚焦突变的实验中是必不可少的，但是在研究材料断裂之前的缓慢变形阶段却不是必须的，因此将高速相机平替为普通相机理论上是可行的。3实验结果及分析用根据以上 DIC 原理设计的软件进行计算，图 2 是屈服阶段 VIC-2D 软件与以 DIC 原理设计的 Matlab APP 的计算结果的对比图，其中：a）、b）是沿 X 轴方向位移 u 的结果对比；c）、d）是沿 Y 轴方向位移 v 的结果对比；e）、f）是沿 X 轴方向应变 Exx的结果对比；g）、h）是沿 Y 轴方向应变 Eyy结果对比。对比的结果在 Y 轴方向的误差都比较小，位移和应变误差分别为 3.846 2%和 6.976 7%，X 轴方向的误差相对 Y 轴高一些，位移和应变误差分别为 6.666 7%和 9.090 9%。对比分析4个典型阶段的计算结果，Matlab APP的应变计算结果的平均误差为5.846 0%。对于X 轴方向的误差普遍比Y 轴大的问题，分析原因可能是由于拉伸试验在Y 轴方向的变化比较明显，在 X轴方向的变化量相对较小，导致X 轴方向数据计算精度偏低。VIC-2D 软件中虚拟引伸计输出的数值大小为试样长度的变化与试样原始长度的比值，其中试样原始长度定义为手动选定的两个标记点间的长度。其与 Matlab APP 计算的应变结果对比如图 3图 2屈服阶段数据对比輪輲设备管理与维修2023 翼8（下）所示：应变曲线在误差允许的范围内，VIC-2D 软件与 Matlab APP的结果基本一致，证明 DIC方法是有效的，软件平替是合理的。4结论运用 DIC 原理开发的 Matlab 软件进行的拉伸试验结果和预期的一样，用 VIC-2D 软件和 Matlab APP 对采样后的散斑图像进行对比分析，针对试样所处的 4 个典型阶段进行计算，得到两者结果基本一致的结论，应变计算结果平均误差为 5.834 6%，证明 DIC 方法可行且合理，使用实验室自开发的 Matlab APP 进行软件平替是有效的。在采用拉伸试验研究材料力学性能变形的 4个阶段时，由于不考虑断裂时突变的场景，可以考虑适当降低对相机的要求，在达到预期实验效果的前提下降低实验成本，对于研究材料力学性能的拉伸实验有一定参考意义。参考文献1王永红，王欢庆，吴双乐，等.基于机器视觉的材料力学性能全场测量方法 J.测控技术，2020，39（8）：35-46.2王永红，包凤卿，张肖，等.数字散斑干涉三维变形测量技术研究进展 J.应用光学，2020，41（4）：681-689.3葛云燕，王健.视频引伸计 J.工程与试验，2015（S1）：24-26.4但西佐.数字图像相关测量关键技术研究 D.合肥：合肥工业大学，2019.5PETERS W H，RANSON W F.Digital imaging techniques in expe-rimental stress analysis J.Optical Engineering，1982，21（3）：213427.6徐洋贞.基于 DIC 的桨叶静载变形及刚度测量技术研究 D.南京：南京航空航天大学，2017.7肖林斌，夏海廷，郭荣鑫，等.基于数字图像相关方法测试 Cr12MoV钢的断裂韧性 J.热加工工艺，2017，46（12）：55-58.8吴荣，刘依，周建民.数字图像相关用于测量风电叶片全场变形 J.仪器仪表学报，2018，39（11）：258-264.9PAN B，XIE H，WANG Z.Equivalence of digital image correlationcriteria for pattern matching J.APPlied Optics，2010，49（28）：5501.编辑吴建卿图 3时间应变曲线对比1研究背景电力营销管理工作中集抄和用电检查工作是经营管理效益体现的一个重要环节。采集数据的真实性、准确性、时效性直接关系到用电检查和抄核收工作质量的好坏。在当前电能计量装置管理过程中往往需要使用手持式终端通过红外通信对电能表电量信息、电气量（电流、电压等）、事件记录及内置时钟等数据进行采集记录，以现场采集的数据为依据，以便制定针对性的电能计量装置维护策略，提高电能计量装置维护效率，提升电力企业服务质量。红外通信具有直观、操作简便、可靠性高等优点，也是现场采集电能表数据中使用最为普遍的一种通信方式1（图 1）。但是，居民电能表大多数安装于多位表箱中，布局相对紧凑，部分电能表安装过高，表箱前空间狭小，难以操作，导致红外信号相互干扰，严重妨碍红外点对点通信，造成数据串位，从而影响工作效率。手动输入电能表地址进行点对点通信工作效率低，不适用于开展大规模排查工作。为解决红外通信数据采集效率低的问题，发挥红外通信在数据采集方面的优势，开发一种在复杂严苛环境下提高红外通信准确率的工具。摘要：在电力营销管理工作中，集抄和用电检查经常需要应用手持终端红外通信端口对电能表进行“一对一”的红外通信，主要用于数据采集、事件读取等工作任务。由于城区多为住户集中式表箱，电能表之间相互距离较近，电能表红外端口难免相互干扰，加之部分电能表安装高度离地过高，严重降低电能表批量检查任务的工作效率。研制一款手持抗干扰潜望式红外线外扩工具，利用潜望镜机构，可轻易对准电能表红外端口，并能隔绝相邻电能表的信号干扰、提高工作效率。关键词：电能计量；红外通信；数据采集中图分类号：TN216文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.08D.31抗干扰潜望式红外线外扩工具的研制李超平（广东电网有限责任有限公司江门新会供电局，广东江门529000）輪輳