一种基于数字图像相关法的二维多尺度应变测量方法技术

本发明专利技术涉及一种基于数字图像相关法的二维多尺度应变测量方法，步骤为：(1)结合颗粒混合法与喷涂法在被测试件表面制备多尺度、高温散斑；(2)搭建二维原位多尺度应变测量试验台；(3)同步控制获取不同载荷下多个尺度的实时散斑图像；(4)基于试件产生的面内位移计算离面位移；(5)消除由离面位移引入的应变误差。本发明专利技术能够实现高温下的多尺度应变测量，制备了适用于800℃高温的多尺度散斑，在宏观尺度观测的同时进行细观尺度的观测，并且对离面位移导致的虚假应变进行校正，提高了二维数字图像相关法的精度；该方法测量效率高、操作方便、测量精度高、使用范围广。使用范围广。使用范围广。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字图像相关法的二维多尺度应变测量方法


[0001]本专利技术涉及航空航天发动机
，具体涉及一种基于数字图像相关法的二维多尺度应变测量方法，为一种多尺度应变测量中对离面位移导致的虚假应变进行矫正的高精度应变测量方法。

技术介绍

[0002]航空航天领域中广泛应用着各种材料以及结构件，材料失效会极大削减结构件使用寿命，严重危害着航空航天设备的正常使用。对结构件、材料开展不同尺度下的应变位移观测对研究材料宏观失效形式、揭示细微观失效机理至关重要，从而提高各种结构件的使用寿命。因此，需要发展一种多尺度下高精度、高效率的应变测量方法。
[0003]目前广泛使用的位移应变测量方法有电测法、光测法与引伸计等。其中，电测法是通过在被测表面贴应变片测量，常应用于宏观尺度；光弹测量法具有较高精度，但是其光路系统复杂、试件制备繁琐；投影云纹法是把干涉云纹作为测量要素进行位移场和应变场计算的实验方法，难以应用于细微观测量。这些测量方法较难兼顾多尺度测量与高精度高效率的优点。
[0004]随着数字相机与计算机技术的发展，数字图像相关法因其环境适应性强、光路系统简便、可全场非接触式测量等优点被广泛应用于全场应变测量。
[0005]现有文献Sun C,Zhou Y,Li Y,et al.Multiscale segmentation
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aided digital image correlation for strain concentration characterization of a turbine blade fir
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tree root[J].Measurement Science and Technology,2018,29(4):045205.中通过数字图像相关法在不同放大倍数下分别测量，使用两台相机对试件的不同范围进行了观测。但是试件表面仅制备了宏观散斑，仍属于宏观尺度，且没有消除离面位移导致的虚假应变。陈振宁等发展了一种多尺度数字图像相关测量方法(陈振宁,孙伟.一种多尺度数字图像相关测量方法[P].江苏省：CN112857243A,2021
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28.)，利用油、墨和涂料在试样表面逐个印制数字散斑场，但是该方法制备的散斑需要紫光光源激发不同波段，同时需要成像系统分别配备相应的带通滤波片，且在高温条件下散斑图案易挥发熔化，难以应用于高温环境，而且油墨转印方法较难应用于细微观尺度。
[0006]综上，现有的二维DIC方法一方面在多尺度测量中缺少高效简便的多尺度散斑制备方法；另一方面在应变计算时忽略了离面位移导致的虚假应变导致计算结果误差较大，因此传统的应变测量方法难以实现多尺度测量。

技术实现思路

[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于数字图像相关法的二维多尺度应变测量方法，能够充分地反映出航空航天试件受载状态下的位移应变场，并对离面位移导致的虚假应变进行矫正，服务与支撑航空航天结构件应变测量。本专利技术采颗粒混合法与喷涂法相结合的高温多尺度散斑制备方法，提出了离面位移计算与虚假应变矫正的方法。
[0008]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0009]一种基于数字图像相关法的二维多尺度应变测量方法，包括如下步骤：
[0010]步骤(1)结合颗粒混合法与喷涂法在被测试件表面制备多尺度、高温散斑，在宏观尺度下采用耐高温的油漆进行高压喷涂，在毫米级视场下表现出黑白相间的油漆作为宏观散斑；在细观尺度下选用高温油漆与耐高温的氧化钴通过颗粒混合法制备悬浊液，再用高压喷笔喷涂于试件表面，在微米级视场下表现出灰白色底漆上的随机黑色颗粒作为细观散斑；
[0011]步骤(2)搭建二维原位多尺度应变测量试验台，配置蓝光光源与滤光片，并搭建相机云台以保证相机光路与试件垂直；
[0012]步骤(3)获取多个尺度下的实时散斑图像，分别采集不同载荷下多个尺度的参考图像与变形图像；
[0013]步骤(4)基于试件产生的面内位移计算离面位移：直接采用DIC计算获得初步全场位移应变信息，通过光学成像的几何关系计算其离面位移，计算离面位移需要先插值亚像素点并计算亚像素点的位移；
[0014]步骤(5)消除由离面位移引入的应变误差：由光学成像模型提出虚假应变矫正算法，利用第四步计算得到的离面位移进行虚假应变矫正计算，即得到真实应变值；至此，完成所述基于数字图像相关法的二维多尺度应变测量方法。
[0015]进一步地，所述步骤(1)中，所述耐高温多尺度散斑制备中黑、白环氧有机硅树脂油漆分别与硝基稀释剂以5：1～3：1比例混合形成低粘度的液体，并在0.4～0.6MPa的气压随机喷涂；在白色液体中混入高纯氧化钴粉末，固液体积比在1：3，形成灰白色悬浊液，将悬浊液放入超声波震荡仪中，震荡至少5分钟，去除悬浊液中的气泡、并使得颗粒分散均匀；震荡后通过喷笔在气压0.5Mpa左右进行随机均匀喷涂，等待干燥后形成黑色底漆表面灰白色斑点的宏观散斑与灰白色底漆上随机黑色颗粒的细观散斑。
[0016]进一步地，所述步骤(4)中，基于面内位移计算离面位移ω的计算方法为：
[0017][0018]d0＝d
‑
d
F
[0019]式中，R表示图像宽度，d是DIC方法计算得到的面内位移，d0表示由离面位移导致的面内位移，d
F
是载荷作用的实际面内位移，θ表示变形前后试件表面之间的夹角；
[0020]采用插值亚像素位移算法，将单个像素的灰度值在x、y方向分别插值为10个0.1像素点的灰度值，通过灰度值计算亚像素点的位移值，即在光轴中心的一个像素点内计算100个亚像素点位移，并取其平均值作为计算过程中的d
F
，以此作为修正进一步计算得到每一子区的d0。
[0021]进一步地，所述步骤(5)中，基于光学成像模型的虚假应变Δε计算方法为：
[0022][0023]式中，L表示图像采集时的实时镜头物距，ω为步骤(4)中计算的离面位移，Δε表示虚假应变，Y(Z)表示成像面上被测点的y方向坐标。
[0024]进一步地，所述步骤(5)中，根据虚假应变确定真实应变的步骤为：对于实际应变
为拉应变时，矫正减去虚假应变，而实际应变为压应变时则正好相反，矫正时加上虚假应变。
[0025]本专利技术与现有技术相比的优点在于：
[0026](1)本专利技术采用的颗粒混合与高压气体喷涂的方法制备多尺度散斑，可以同时在毫米及微米级视场下分别表现出黑白油漆相间的宏观散斑、灰白底漆与黑色颗粒相间的细观散斑，满足了多尺度观测需求。
[0027](2)选用的有机硅树脂油漆和氧化钴颗粒都是耐高温的，因此本专利技术制备的多尺度散斑也具有耐高温性，因此结合二维原位多尺度应变测量试验台可以进行高温试验。
[0028](3)本专利技术在数字图像相关法计算的基础上增加了插值亚像素位移的计算，进一步提高了位移、应变计算的精度。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字图像相关法的二维多尺度应变测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)结合颗粒混合法与喷涂法在被测试件表面制备多尺度、高温散斑，在宏观尺度下采用耐高温的油漆进行高压喷涂，在毫米级视场下表现出黑白相间的油漆作为宏观散斑；在细观尺度下选用高温油漆与耐高温的氧化钴通过颗粒混合法制备悬浊液，再用高压喷笔喷涂于试件表面，在微米级视场下表现出灰白色底漆上的随机黑色颗粒作为细观散斑；步骤(2)搭建二维原位多尺度应变测量试验台，配置蓝光光源与滤光片，并搭建相机云台以保证相机光路与试件垂直；步骤(3)获取多个尺度下的实时散斑图像，分别采集不同载荷下多个尺度的参考图像与变形图像；步骤(4)基于试件产生的面内位移计算离面位移：直接采用DIC计算获得初步全场位移应变信息，通过光学成像的几何关系计算其离面位移，计算离面位移需要先插值亚像素点并计算亚像素点的位移；步骤(5)消除由离面位移引入的应变误差：由光学成像模型提出虚假应变矫正算法，利用第四步计算得到的离面位移进行虚假应变矫正计算，即得到真实应变值；至此，完成所述基于数字图像相关法的二维多尺度应变测量方法。2.根据权利要求1所述的一种基于数字图像相关法的二维多尺度应变测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述耐高温多尺度散斑制备中黑、白环氧有机硅树脂油漆分别与硝基稀释剂以5：1～3：1比例混合形成低粘度的液体，并在0.4～0.6MPa的气压随机喷涂；在白色液体中混入高纯氧化钴粉末，固液体积比在1：3，形成灰白色悬浊液，将悬浊液放入超声波震荡仪中，震荡至少5分钟，去除悬浊液中的气泡、并使得...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡殿印，杜昊，赵炎，王荣桥，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：