Дослідження поля деформації плоскої поверхні зразків матеріалів методом кореляції цифрових зображень. (Статичне навантаження)

Аналізуються показники точності розробленого програмного комплексу для експериментального визначення поля деформації за допомогою методу кореляції цифрових зображень. Для підвищення точності роботи запропоновано використання зміни контрасту зображення в методі кореляції цифрових зображень. Продемонс...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2011
Автори:	Березін, В.Б., Чаусов, М.Г.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2011
Назва видання:	Техническая диагностика и неразрушающий контроль
Теми:	Научно-технический раздел
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102209
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Дослідження поля деформації плоскої поверхні зразків матеріалів методом кореляції цифрових зображень. (Статичне навантаження) / В.Б. Березін, М.Г. Чаусов // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2011. — № 2. — С. 15-20. — Бібліогр.: 6 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-102209
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1022092016-06-12T03:03:58Z Дослідження поля деформації плоскої поверхні зразків матеріалів методом кореляції цифрових зображень. (Статичне навантаження) Березін, В.Б. Чаусов, М.Г. Научно-технический раздел Аналізуються показники точності розробленого програмного комплексу для експериментального визначення поля деформації за допомогою методу кореляції цифрових зображень. Для підвищення точності роботи запропоновано використання зміни контрасту зображення в методі кореляції цифрових зображень. Продемонстровано роботу комплексу на реальних зразках при статичному навантаженні. Characteristics of accuracy of the developed program package for experimental determination of deformation field are analyzed using the method of digital image correlation. To improve operation accuracy, it is proposed to apply the change of image contrast in the method of digital image correlation. Complex operation is demonstrated on real samples at static loading. 2011 Article Дослідження поля деформації плоскої поверхні зразків матеріалів методом кореляції цифрових зображень. (Статичне навантаження) / В.Б. Березін, М.Г. Чаусов // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2011. — № 2. — С. 15-20. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. 0235-3474 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102209 539.37 uk Техническая диагностика и неразрушающий контроль Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Березін, В.Б. Чаусов, М.Г. Дослідження поля деформації плоскої поверхні зразків матеріалів методом кореляції цифрових зображень. (Статичне навантаження) Техническая диагностика и неразрушающий контроль
description	Аналізуються показники точності розробленого програмного комплексу для експериментального визначення поля деформації за допомогою методу кореляції цифрових зображень. Для підвищення точності роботи запропоновано використання зміни контрасту зображення в методі кореляції цифрових зображень. Продемонстровано роботу комплексу на реальних зразках при статичному навантаженні.
format	Article
author	Березін, В.Б. Чаусов, М.Г.
author_facet	Березін, В.Б. Чаусов, М.Г.
author_sort	Березін, В.Б.
title	Дослідження поля деформації плоскої поверхні зразків матеріалів методом кореляції цифрових зображень. (Статичне навантаження)
title_short	Дослідження поля деформації плоскої поверхні зразків матеріалів методом кореляції цифрових зображень. (Статичне навантаження)
title_full	Дослідження поля деформації плоскої поверхні зразків матеріалів методом кореляції цифрових зображень. (Статичне навантаження)
title_fullStr	Дослідження поля деформації плоскої поверхні зразків матеріалів методом кореляції цифрових зображень. (Статичне навантаження)
title_full_unstemmed	Дослідження поля деформації плоскої поверхні зразків матеріалів методом кореляції цифрових зображень. (Статичне навантаження)
title_sort	дослідження поля деформації плоскої поверхні зразків матеріалів методом кореляції цифрових зображень. (статичне навантаження)
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2011
topic_facet	Научно-технический раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102209
citation_txt	Дослідження поля деформації плоскої поверхні зразків матеріалів методом кореляції цифрових зображень. (Статичне навантаження) / В.Б. Березін, М.Г. Чаусов // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2011. — № 2. — С. 15-20. — Бібліогр.: 6 назв. — укр.
series	Техническая диагностика и неразрушающий контроль
work_keys_str_mv	AT berezínvb doslídžennâpolâdeformacííploskoípoverhnízrazkívmateríalívmetodomkorelâcíícifrovihzobraženʹstatičnenavantažennâ AT čausovmg doslídžennâpolâdeformacííploskoípoverhnízrazkívmateríalívmetodomkorelâcíícifrovihzobraženʹstatičnenavantažennâ
first_indexed	2025-07-07T11:59:41Z
last_indexed	2025-07-07T11:59:41Z
_version_	1836989370442186752
fulltext	УДК 539.37 ДОСЛІДЖЕННЯ ПОЛЯ ДЕФОРМАЦІЇ ПЛОСКОЇ ПОВЕРХНІ ЗРАЗКІВ МАТЕРІАЛІВ МЕТОДОМ КОРЕЛЯЦІЇ ЦИФРОВИХ ЗОБРАЖЕНЬ. (СТАТИЧНЕ НАВАНТАЖЕННЯ) В. Б. БЕРЕЗІН, М. Г. ЧАУСОВ (Нац. ун-т біоресурсів і природокористування України) Аналізуються показники точності розробленого програмного комплексу для експериментального визначення поля деформації за допомогою методу кореляції цифрових зображень. Для підвищення точності роботи запропоновано використання зміни контрасту зображення в методі кореляції цифрових зображень. Продемонстровано роботу комплексу на реальних зразках при статичному навантаженні. Characteristics of accuracy of the developed program package for experimental determination of deformation field are analyzed using the method of digital image correlation. To improve operation accuracy, it is proposed to apply the change of image contrast in the method of digital image correlation. Complex operation is demonstrated on real samples at static loading. Сучасне машинобудування неможливе без вико- ристання деталей складної геометричної форми, нових конструкційних матеріалів з заданими фізи- ко-механічними властивостями. Проте темпера- турні градієнти, дефекти у зварних швах та кон- центрація напружень часто призводять до руйнування об’єкту. Щоб цьому запобігти, дово- диться збільшувати коефіцієнт запасу міцності, що призводить до зниження економічних показників конструкції. У зв’язку з цим актуальним є вдосконалення відомих та розробка нових сучасних методів та спо- собів контролю напружено-деформованого стану машин та конструкцій. Зокрема методи вимірювання поля деформації дозволяють отримати важливу інформацію як про ме- ханічну поведінку матеріалів, так і про стан деталей і конструкцій. На даний момент існує ряд експери- ментальних методів для вимірювання поля дефор- мації: фотопружність, муар-інтерферометрія, оптич- на голографія, електронна спекл-інтерферометрія, метод кореляції цифрових зображень та ін. [1]. З цього ряду можна виділити метод кореляції цифрових зображень (КЦЗ) як дешевий, простий та точний інструмент для експериментального дослідження поля деформації як в лабораторних, так і в польових умовах. Робочий діапазон методу по деформаціям становить 0…1000 %. Типова точність визначення локальної деформації мето- дом КЦЗ становить до 0,01 % абсолютної похибки [2]. Також він дає можливість досліджувати швид- коплинні процеси деформування за допомогою високошвидкісних цифрових камер [3]. З деякими апаратними модифікаціями метод КЦЗ дозволяє вимірювати поле деформації на криволінійних по- верхнях та розподілення деформації у об’ємі ма- теріалу [1]. Для технічної реалізації цього методу на ка- федрі механіки, опору матеріалів та будівництва Національного університету біоресурсів і приро- докористування України було розроблено експе- риментально-вимірювальний комплекс для прове- дення обробки цифрових зображень [4]. Метод КЦЗ складається з трьох етапів: – підготовки досліджуваної поверхні — нане- сення стохастичної текстури (літографія, розпи- лення фарби чи тонеру або інші методи); – запису процесу деформування (рис. 1), який полягає в отриманні послідовності фотографій (чи відеозапису) досліджуваної поверхні; – аналізу отриманих зображень поверхні. Суть методу КЦЗ полягає в аналізі зображень по- верхні. Очевидно, що при деформації матеріалу де- формується і нанесена на нього текстура. При цьому поле деформації текстури відповідає дійсному по- лю деформації матеріалу. Це і є основною ідеєю методу. © В. Б. Березін, М. Г. Чаусов, 2011 Рис. 1. Апаратна частина для реєстрації поля деформації:1 — цифрова камера; 2 — джерело світла; 3 — зразок з нанесеною стохастичною текстурою; 4 — динамометр ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2011 15 Розглянемо два зображення деякої ділянки по- верхні з текстурою до і після її деформації (рис. 2). Основна задача методу КЦЗ полягає у встанов- ленні відповідності між точками цих двох зобра- жень. Розглянемо два масиви чисел, що відповіда- ють базовому зображенню поверхні та зображен- ню цієї поверхні після твердотільного переміщен- ня на ціле число пікселів (рис. 3). З рис. 3 видно, що положення точки у зміще- ному зображенні можна однозначно встановити, відслідковуючи переміщення деякої області (еле- мента), до якої належить ця точка. Проте ця область може бути зміщена на неціло- чисельні значення переміщення, або бути дефор- мованою. Для врахування цих аспектів вводиться поняття функції переміщень для області, а для виз- начення інтенсивності в точці використовують бікубічну чи базисну сплайн-інтерполяцію (напри- клад, чотирьохточкову) [1]. Функція переміщень за- дає відповідність між точками базового і деформо- ваного зображень, в даному програмному комплексі вона має вигляд функції переміщення для чотирьох- точкового ізопараметричного елемента [5]: x∗ = 1 4 X0 (1 − r) (1 − s) + 1 4 X1 (1 + r)(1 − s) + + 1 4 X2(1 + r)(1 + s) + 1 4 X3 (1 − r)(1 + s) = = 1 4 (X0 h0 + X1 h1 + X2 h2 + X3 h3) , y∗ = 1 4 Y0 (1 − r) (1 − s) + 1 4 Y1 (1 + r)(1 − s) + + 1 4 Y2(1 + r)(1 + s) + 1 4 Y3 (1 − r)(1 + s) = = 1 4 (Y0 h0 + Y1 h1 + Y2 h2 + Y3 h3) , де r, s — локальні координати елемента; Xi, Yi — координати відповідних вершин деформовано- го елемента (або параметри без геометричного змісту для елементів непрямокутної форми). Для визначення координат вершин деформова- ного елемента використовують оптимізацію міри відповідності заданої для множини точок базового зображення (незмінна в процесі оптимізації) та мно- жини точок, що визначається параметрами функції переміщень (змінюється в процесі оптимізації). При цьому, як правило, використовують одну із цих двох форм міри відповідності [1]: 1) квадратичне відхилення (мінімізується): ∑ ∑ (A(x, y) − B(x∗, y∗))2; 2) крос-кореляція (максимізується): ∑ ∑ A(x, y) B(x∗, y∗) ∑ ∑ A(x, y) ∑ ∑ B(x∗, y∗) . (1) В даному комплексі використовується така форма міри відповідності [1]: Q = ∑ ∑ (A(x, y) − C B(x∗, y∗) − D)2, (2) де C — коефіцієнт, що враховує зміни в контрасті поверхні; D — коефіцієнт, що враховує лінійний зсув в освітленні; x, y — координати точки в ба- зовому зображенні; x, y — координати точки в деформованому зображенні; A, B — інтенсивності базового і деформованого зображень відповідно. Під знаками суми у виразі (2) слід розуміти, що обчислення проводяться для кожного пікселя еле- мента у базовому і для відповідного йому пікселя у деформованому зображеннях. При цьому масив пікселів, що утворюють елемент, може мати довільну форму. Новим у формулі (2) є те, що коефіцієнт C в даному комплексі являє собою величину, що вра- ховує не тільки освітленість, але й вплив дефор- мації. При цьому модифікована формула (2) зас- тосовується на ділянках з низьким значенням мо- дуля градієнта інтенсивності (менше 30 % се- реднього значення по базовій ділянці), що про- диктовано низьким значенням амплітудної похиб- ки інтерпольованого значення інтенсивності. Значення коефіцієнта C обчислюється таким чином: C = C0 + kεxεy, де C0 — зміна в контрасті зображення внаслідок освітлення; k — коефіцієнт чутливості контрасту зображення до деформації; εx, εy — деформації в даній точці згідно поточних параметрів функції переміщень. Використання такої модифікації формули (2) дозволило зменшити похибку визначення дефор- мації на 5…20 % при аналізі синтетично згене- рованих зображень поверхні [4]. Наступним етапом роботи комплексу є оп- тимізація міри відповідності, що проводиться у два етапи: – грубий пошук положення елемента у базо- вому зображенні (пошук області, зміщеної на ціле число пікселів відносно базової, що мінімізує міру відповідності в деякому околі); – оптимізація міри відповідності методом Ле- венберга–Маквардта. На цьому етапі визначають- ся оптимізовані значення параметрів, що входять до міри відповідності, а отже, і координати вер- шин деформованого елемента. Останнім етапом роботи комплексу є збирання елементів у сітку, тобто встановлюється Рис. 2. Зображення поверхні відповідно до деформації (базо- ве) (а) та після (деформоване) (б) 16 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2011 відповідність між точками елемента та координа- тами вершин сітки. Це проводиться з метою ут- ворення неперервного поля переміщень. Утворен- ня сітки елементів наведено на рис. 4. Створення такої сітки аналогічне утворенню глобальної матриці жорсткості у методі скінчених елементів і часто використовується у КЦЗ [5]. При цьому проводиться додаткова оптимізація міри відповідності з точки зору утворення елементами сітки. Проте в даному комплексі використо- вується не повна матриця жорсткості, а лише її головна діагональ з метою підвищення швидкості роботи. Детальніше про алгоритм роботи комп- лексу можна дізнатись з роботи [4]. Наприкінці проводиться згладжування отрима- ного поля переміщень на основі сітки методом плаваючих найменших квадратів [6]. Значення де- формації у точці визначається диференціюванням згладженого поля переміщень. Для оцінки точності роботи комплексу було проведено ряд тестів на синтетичних зображен- нях, перевагою яких є абсолютно точне завдання дійсного поля переміщення. На синтетичне зобра- ження було нанесено поля переміщень, що відповіда- ють розтягу, стиску, чистому зсуву, трьохопорному згину та їхній комбінації. Після визначення поля переміщень програмним комплексом на цих зоб- раженнях обчислювалась похибка визначення де- формації за максимальною різницею між локаль- ною деформацією, отриманою методом кореляції цифрових зображень (без врахування зміни кон- трасту при деформуванні), та дійсним значенням деформації на синтетичному зображенні. На основі аналізу відповідних даних вираз для похибки визначення деформації із імовірністю в 95 % при фільтрації з розміром вікна 5×5 еле- Рис. 4. Утворення сітки елементів для визначення поля пе- реміщень Рис. 5. Зразки для дослідження різних полів деформації: а — з реакторної сталі для трьохопорного згину; б — з авіаційної гуми з отвором для статичного розтягу Рис. 3. Вплив твердотільного переміщення на цифрове зображення ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2011 17 ментів базового поля та кроком сітки 10 пікс. ме- тодом плаваючих найменших квадратів можна по- дати у наступному вигляді: Δ ε = 500 пікс c k − 1 + 1 2 0,003пікс−2 c2 + 0,67 Q + + 0,083 Q2 + 4,88 ⋅105 + 8,77 ⋅105 Q 0,67 n4 K , де Δε — середнє значення максимального відхи- лення при визначенні деформації, взяте у відсот- ках; n — розмір сторони елемента, пікс.; k — умов- ний порядок фільтру інтерполяції (для базисних сплайнів ця величина відповідає його порядку); c — середнє значення похідної по відповідній ко- ординаті зображення, пікс–1; Q — амплітудне зна- чення білого шуму на зображенні, взяте у відсотках; K — коефіцієнт, що враховує вид інтерполяції (для базисних сплайнів K = 1 пікс–4). Слід відмітити, що типовий крок сітки стано- вить 5 пікс., а розмір поля фільтрації 7×7 — 20×20 елементів , що дозволяє досягати середнього зна- чення максимальної похибки визначення дефор- мації менше ніж 0,01 % для зображень розміром 1000×1000 пікс. З метою оцінки точності роботи на зображеннях реальних поверхонь було прове- дено відповідні експерименти на зразках (рис. 5). Поле переміщень визначалося за допомогою пря- мокутних елементів розміром 25×25 пікс. та кро- ком 15×15 пікс. Відповідні результати випробувань зразка з ре- акторної сталі на трьохточковий згин подані на рис. 6. Визначення поля деформації гумового зразка з отвором при розтягу подано на рис. 7. Вісь прик- ладання зусилля — x. З отриманого на рис. 6 поля деформації для реакторної сталі можна зробити висновок про дос- татню чутливість даного комплексу до місць з кон- центрацією деформації (чи про просторову роздільну здатність) та про значний вплив розміру елементів текстури (середній розмір близько 10 пікс.). Тобто для отримання точності по деформації 0,01 % чи Рис. 6. Поле деформації εxx, % . Алгоритм автоматично видаляє елементи з коефіцієнтом крос-кореляції меншим за 80 % (за формулою (2)) для забезпечення достовірності результатів: а — F = 0,8 кН; б — 3,8; в — 7,8; г — вигляд зразка з нанесеною текстурою при F = 7,8 кН 18 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2011 краще слід використовувати текстури з розміром елемента менш ніж 4 пікс., що підтверджується відповідними експериментами на синтетичних зображеннях. В свою чергу, результати, отримані на авіаційній гумі (рис. 7), підтверджують роботоз- датність комплексу при значних деформаціях. З метою перевірки впливу зміни в контрасті на точність визначення деформацій на зображеннях поверхні гумового зразка було проведено такий ек- сперимент: спочатку визначалось поле деформації без врахування змін в контрасті (БЗК) поверхні, ви- користовуючи елемент розміром 28×28 пікс., а потім визначалося поле переміщення з врахуван- ням змін у контрасті (ВЗК) при розмірі елемента 28×28 пікс. Отримані результати порівнювались з отриманими БЗК при розмірі елемента 30×30, тобто обчислювались відхилення значень дефор- мації між ВЗК та БЗК з елементом 30×30 пікс. і між БЗК з елементом 28×28 пікс. та БЗК з еле- ментом 30×30 пікс. Результати з ВЗК мали на 12 % менше абсо- лютне максимальне відхилення та на 5 % менше середнє відхилення порівняно з БЗК. Це свідчить про доцільність використання інформації про зміну контрасту поверхні від деформування. Для безпосередньої перевірки точності визна- чення деформації зразок з алюмінієвого сплаву Д16 (рис. 8, а) був статично розтягнутий з одно- часною реєстрацією деформації екстензометром на базі 10 мм та оптичним комплексом (рис. 8, б). При цьому методом КЦЗ деформація визна- чалась як середнє арифметичне локальної дефор- мації у точках, зазначених на рис. 8, а. З рис. 8, б видно деяку різницю у деформаціях, визначених різними методами, що можна пояс- нити відносно малим розміром елемента кореляції — 30×30 пікс. та рівнем шуму у 8 %. Також найбільше відхилення між деформаціями спос- терігається у момент переходу від пружнього до пластичного стану матеріалу. Це пояснюється тим, що екстензометр вимірює деформацію на базі 10 мм і відповідно менш чутливий до неод- норідностей, а експериментально-вимірювальний Рис. 7. Поля деформації для зразка з авіаційної гуми (F = 0,5 кН), %: а — εxx; б — εyy; в — εxy Рис. 8. Порівняння деформації, визначеної методом КЦЗ (1) та екстензометром (2): а — схема вимірювання деформації; б — розгортка деформації у часі ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2011 19 комплекс — усереднену локальну деформацію по двом точкам. При цьому максимальне відхилення між кривими 1 та 2 з рис. 8, б становить 0,03 %, а середнє відхилення — 0,006 %. Це можна вва- жати підтвердженням про точність комплекса до 0,01 % при визначенні деформації. З зазначеного вище можна зробити висновок, що комплекс дозволяє отримувати надійні резуль- тати по розподілу деформації на плоскій поверхні для зображень, що відповідають реальним тексту- рованим поверхням, знятих при статичному розтягу. Даний комплекс дозволяє досліджувати поле деформації і при динамічних процесах зміни поля деформації, оскільки як при достатньо високій швидкості кадрів та відповідному значенні експо- зиції, розмиттям зображень, отриманих при зйомці динамічних процесів, можна знехтувати. Висновки Розроблено експериментально-вимірювальний комплекс з можливістю визначення поля дефор- мації на плоскій поверхні з амплітудою локальної похибки до 0,01 %. На реальних зразках із реакторної сталі і авіаційної гуми та алюмінію продемонстровано роботу комплексу при квазістатичних умовах на- вантаження. Відповідні результати підтверджу- ють працездатність комплексу на реальних текс- турованих поверхнях. Інформацію про зміну контрасту внаслідок де- формування доцільно використовувати при об- робці зображень реальних поверхонь. 1. Springer Handbook of Experimental Solid Mechanics / Jr. Sharpe, N. William (Ed.). – 2008. — XXX. — 1098 p. 2. Image Correlation for Shape, Motion and Deformation Measurements Basic Concepts, Theory and Applications / Michael A. Sutton, J.-J. Orteu, Hubert W. Schreier. — 2009. — 332 p. 3. Madhu S. Kirugulige, Hareesh V. Tippur, Thomas S. Den- ney. Measurement of transient deformations using digital image correlation method and high-speed photography: ap- plication to dynamic fracture. — Appl. Opt. 46. — 2007. — P. 5083–5096. 4. Березін В. Б., Чаусов М. Г., Лучко Й. Й. Оптичний комп- лекс для безконтактного дослідження поля деформації плоскої поверхні методом кореляції цифрових зобра- жень // Механіка і фізика руйнування будівельних ма- теріалів і конструкцій: Зб. наук. пр. — Львів: Каменяр, 2011. — Вип. 9. — С. 212–220. 5. Besnard, G., Hild, F. & Roux, S. «Finite-element» displace- ment fields analysis from digital images: Application to Por- tevin-Le Chatelier bands // Exp. Mech. — 2006. — 46. — P. 789–803. 6. Lancaster P., Salkauskas K. Surfaces generated by moving least squares methods // Math. Comp. — 1981. — 37, № 155. — P. 141–158. Надійшла до редакції 21.03.2011 20 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2011

Дослідження поля деформації плоскої поверхні зразків матеріалів методом кореляції цифрових зображень. (Статичне навантаження)

Репозитарії

Схожі ресурси