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    機(jī)械與材料力學(xué)性能的三維全場變形與應(yīng)變快速檢測研究

    2013-09-21 13:26:20李磊剛唐正宗史寶全
    中國工程科學(xué) 2013年1期
    關(guān)鍵詞:數(shù)字圖像板料全場

    梁 晉,郭 翔,胡 浩,李磊剛,唐正宗,史寶全,孫 濤

    (西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,西安 710049)

    1 前言

    隨著中國制造業(yè)的快速發(fā)展,汽車、飛機(jī)、船舶、軍工等行業(yè)中大量采用大型復(fù)雜工件(幾米~幾十米)和各種新型復(fù)合材料,迫切需要適合生產(chǎn)現(xiàn)場使用、快速方便的三維外形尺寸檢測方法[1~3]。相對于大型工件的輪廓尺寸測量,其變形和應(yīng)變的檢測難度更高,需求更為迫切,與材料力學(xué)性能相關(guān)的變形和應(yīng)變數(shù)據(jù)決定了大型工件的產(chǎn)品質(zhì)量[4,5]。目前對于中小型工件(長度小于1 m)的三維檢測,現(xiàn)有檢測方法和設(shè)備已基本滿足要求。而對于大型工件(長度為幾米~幾十米),傳統(tǒng)三維坐標(biāo)和變形應(yīng)變檢測設(shè)備存在技術(shù)局限,檢測速度慢,多存在繁瑣的移站問題,無法進(jìn)行全尺寸檢測,只能測量工件關(guān)鍵點(diǎn)三維坐標(biāo),無法滿足全場力學(xué)性能檢測[6]。本文在國家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2007AA04Z124)和自然科學(xué)基金(50975219)支持下,采用工業(yè)攝影測量和數(shù)字圖像相關(guān)法,通過多種工業(yè)相機(jī)拍攝的多幅二維序列圖像,快速解算出被測物體的三維坐標(biāo)、變形和應(yīng)變數(shù)據(jù),解決了三維全場全尺寸的外形、變形、應(yīng)變檢測難題。

    2 三維全場變形與應(yīng)變快速檢測新方法

    2.1 研究目標(biāo)及內(nèi)容

    工業(yè)攝影測量技術(shù)是大地?cái)z影測量、機(jī)器視覺、機(jī)械測量的綜合學(xué)科。該技術(shù)在國外發(fā)展較早,德國Oldenburg應(yīng)用科技大學(xué)的Thomas Luhmann等對該技術(shù)做了很多開拓性工作。國外推出的成熟商品化的系統(tǒng)也比較多,典型的有美國GSI公司的V-STARS系統(tǒng)、德國AICON 3D公司的DPA-Pro系統(tǒng)、德國GOM公司的Tritop系統(tǒng)、挪威Metronor公司的Metronor系統(tǒng)[7]。國內(nèi)高校和研究機(jī)構(gòu)從事此項(xiàng)研究的有武漢大學(xué)和天津大學(xué)等,主要應(yīng)用于建筑、航拍、大地量測等,基本停留在理論研究階段,沒有開發(fā)相應(yīng)的商用系統(tǒng)。

    本文基于工業(yè)近景攝影測量和數(shù)字圖像相關(guān)法的三維全場變形與應(yīng)變快速檢測的主要研究內(nèi)容包括工業(yè)三維攝影測量、數(shù)字圖像相關(guān)法三維全場應(yīng)變分析、相機(jī)自標(biāo)定技術(shù)、復(fù)雜曲面輪廓點(diǎn)云獲取、海量點(diǎn)云處理、點(diǎn)云與CAD數(shù)模比對檢測、大尺寸靜態(tài)變形測量、動(dòng)態(tài)變形測量、板料成形網(wǎng)格應(yīng)變檢測。

    2.1.1 工業(yè)近景攝影測量

    工業(yè)近景攝影測量的原理是利用三角交會(huì)法的基本原理,如圖1a所示,通過在不同的位置和方向獲取同一物體的兩幅以上的數(shù)字圖像,經(jīng)捆綁調(diào)整(見圖1b)、圖像處理匹配等相關(guān)數(shù)學(xué)計(jì)算后得到待測點(diǎn)精確的三維坐標(biāo)[8]。

    圖1 攝影測量原理Fig.1 Schematic diagram of photogrammetry

    工業(yè)近景攝影測量技術(shù)的核心是基于共線方程的捆綁調(diào)整算法,是一種把控制點(diǎn)圖像坐標(biāo)、待定點(diǎn)圖像坐標(biāo)以及控制點(diǎn)物方坐標(biāo)等作為觀測值,以整體求解待定點(diǎn)物方坐標(biāo)的解算方法[17]。其求解原則是使各類觀測值對應(yīng)的改正數(shù)V最小?;诠簿€方程列出的捆綁調(diào)整的誤差方程為

    式(1)中,X1為攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)變化量;X2為攝像機(jī)外參數(shù)變化量;X3為物方坐標(biāo)的改正數(shù)向量;L為觀察量也即圖像點(diǎn)坐標(biāo);A、B、C分別是相應(yīng)的變化量偏導(dǎo)矩陣。

    2.1.2 數(shù)字圖像相關(guān)法

    數(shù)字圖像相關(guān)法(DIC)由Sutton M等人在20世紀(jì)80年代初提出[9],通過跟蹤和匹配變形前后所采集圖像的灰度信息,來測量物體在各種載荷作用下表面整體的瞬時(shí)位移場和應(yīng)變場。最初,對于DIC的研究和應(yīng)用多集中在二維變形的測量,稱為二維DIC。Luo P在1993年提出了基于雙攝像機(jī)的三維DIC[10]。2000年以來,DIC技術(shù)出現(xiàn)了爆炸性的研究和發(fā)展。該方法的工作過程如下:采用兩個(gè)高速電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī),實(shí)時(shí)采集物體各個(gè)變形階段的散斑圖像,利用圖像相關(guān)算法進(jìn)行物體表面變形點(diǎn)的立體匹配,并重建出匹配點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。對位移場數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理和變形信息的可視化分析,從而實(shí)現(xiàn)快速、高精度、實(shí)時(shí)、非接觸式的三維應(yīng)變測量。

    數(shù)字圖像相關(guān)法的核心是兩幅圖像上對應(yīng)點(diǎn)的立體匹配?;驹砣鐖D2所示,其中一幅作為參考圖像,另外一幅作為待匹配圖像,在參考圖像中,取以待匹配點(diǎn) (x,y)為中心的(2M+1)×(2M+1)大小的矩形子圖像(M為大于零的自然數(shù),通常M取值在[7,10]內(nèi)),在待匹配圖像中,通過一定的搜索方法,并按照某一相關(guān)函數(shù)如式(2)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算,尋找與選定的子圖像相關(guān)系數(shù)最大的以(x′,y′)為中心的子圖像,則點(diǎn)(x′,y′)即為點(diǎn) (x,y)在待匹配圖像中的對應(yīng)點(diǎn)。相關(guān)函數(shù)計(jì)算公式如下

    式(2)中,f(xi,yi)為點(diǎn)(xi,yi)的灰度值;g(x′i,y′i) 為點(diǎn)(x′i,y′i) 的灰度值;e(xi,yi)表示噪聲部分;r0和r1用于補(bǔ)償由于光照引起的灰度差異。

    圖2 圖像相關(guān)法原理圖Fig.2 Schematic diagram of image correlation

    2.2 研究創(chuàng)新性及成果

    本文研究內(nèi)容有效地解決了大型復(fù)雜工件生產(chǎn)現(xiàn)場快速檢測難題,并可用于中小型工件和微納米尺度的相關(guān)檢測,以及材料性能詳細(xì)分析,也可滿足低速到高速的振動(dòng)沖擊和模態(tài)分析要求。具有適用面廣、三維全場檢測、快速靈活方便的優(yōu)點(diǎn),主要?jiǎng)?chuàng)新如下。

    1)針對攝影測量不同視場的三維重建和現(xiàn)場使用的難題,提出了一種內(nèi)外參數(shù)整體捆綁調(diào)整的自標(biāo)定方法,建立了具有10個(gè)參數(shù)的畸變校正模型,全面補(bǔ)償各種誤差,實(shí)現(xiàn)了成像系統(tǒng)不同測量視場的高精度標(biāo)定和快捷方便使用的目的[11]。

    2)針對大型復(fù)雜曲面輪廓全尺寸快速檢測難題,提出了全部關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)一次解算、整體與局部測量自動(dòng)拼接的方法,建立了全局坐標(biāo)和局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)精確匹配的算法和模型,實(shí)現(xiàn)了全局測量精度的控制[12]。

    3)針對靜態(tài)和動(dòng)態(tài)變形的三維測量難題,提出了變形點(diǎn)三維重建、坐標(biāo)拼合的方法,建立了相同變形點(diǎn)自動(dòng)匹配和跟蹤算法及模型,實(shí)現(xiàn)了大到幾十米工件的三維全尺寸靜態(tài)變形測量,以及大視場關(guān)鍵點(diǎn)三維動(dòng)態(tài)變形的高速測量[13]。

    4)針對各向異性材料的全場應(yīng)變檢測難題,提出了一種數(shù)字散斑相關(guān)性快速計(jì)算和大變形跟蹤的方法,建立了三維全場應(yīng)變的計(jì)算分析模型,實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變快速檢測[14]。本文研制的系列化三維變形檢測裝置如圖3所示,其中圖3a為三維數(shù)字散斑動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量分析系統(tǒng)(XJTUDIC);圖3b為板料成形應(yīng)變測量分析系統(tǒng)(XJTUSM);圖3c為板料成形極限檢測系統(tǒng)(XJTUFLC);圖3d為三維光學(xué)動(dòng)態(tài)變形測量系統(tǒng)(XJTUDA);圖3e為體積內(nèi)三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)(XJTUDVC);圖3f為三維光學(xué)面掃描系統(tǒng)(XJTUOM);圖3g為三維光學(xué)攝影測量系統(tǒng)(XJTUDP);圖3h為三維光學(xué)靜態(tài)變形測量分析系統(tǒng)(XJTUSD)。其技術(shù)原理、性能及應(yīng)用如表1所示。

    圖3 系列化三維變形檢測裝置Fig.3 Serial products of 3D full-field deformation and strain measurement system

    表1 系列化三維變形檢測裝置技術(shù)原理、性能及應(yīng)用Table 1 Technicial principles,performances and applications of serial 3D deformation&strain measurement system

    3 研究成果工程應(yīng)用

    3.1 航空行業(yè)

    3.1.1 飛機(jī)空中變形和姿態(tài)檢測

    為了準(zhǔn)確獲得飛機(jī)在飛行狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),與中國飛行試驗(yàn)研究院合作,基于近景攝影測量理論、立體視覺技術(shù),提出并實(shí)現(xiàn)了一種針對機(jī)身結(jié)構(gòu)件軌跡、姿態(tài)、位移、變形等多種運(yùn)動(dòng)特性的動(dòng)態(tài)視覺測量方法[15]。在模擬飛行環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法的運(yùn)動(dòng)軌跡姿態(tài)測量精度可達(dá)0.01 mm/0.25 m,關(guān)鍵點(diǎn)位移變形測量精度可達(dá)0.01 mm/0.25 m。

    3.1.2 風(fēng)洞試驗(yàn)變形

    風(fēng)洞試驗(yàn)是大型飛機(jī)設(shè)計(jì)的最主要依據(jù),傳統(tǒng)的風(fēng)洞模型測量方法(如貼應(yīng)變片測量應(yīng)變)既令模型加工困難,測量精度又低,且只能推算估計(jì)出飛機(jī)模型變形的大概數(shù)值,無法滿足大飛機(jī)風(fēng)洞模型的大變形測量的要求。與中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心合作,基于三維視頻動(dòng)態(tài)變形測量方法,在風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)使用多組相機(jī)(兩個(gè)相機(jī)為一組)高速拍攝模型多個(gè)部位的視頻圖像,計(jì)算飛機(jī)模型關(guān)鍵點(diǎn)各個(gè)時(shí)刻的三維坐標(biāo),從而計(jì)算出模型關(guān)鍵點(diǎn)的位移變化和變形數(shù)據(jù)。

    3.1.3 飛機(jī)整機(jī)檢測

    對于像飛機(jī)這樣尺寸大、曲面復(fù)雜物體的外形測量,目前基本上采用比較傳統(tǒng)的樣板采樣法,存在效率低下、精度不高的問題,且只能采集飛機(jī)某些截線數(shù)據(jù),不能從全局進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。與中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司、西安飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司、上海飛機(jī)制造有限公司等合作,基于近景攝影測量理論和海量點(diǎn)云建模技術(shù),成功完成了多架大型飛機(jī)(長度為20~50 m)的三維全尺寸檢測[1]。

    3.2 汽車行業(yè)

    3.2.1 汽車模具檢測

    目前,對于長度小于1 m工件的三維尺寸檢測,多采用三坐標(biāo)測量機(jī)、關(guān)節(jié)臂、激光掃描等完成。而對于1~30 m的工件,如風(fēng)力發(fā)電葉片、汽車模具、汽車覆蓋件、飛機(jī)部件等,傳統(tǒng)測量設(shè)備存在繁瑣的移站問題,且只能測量關(guān)鍵點(diǎn)尺寸,無法實(shí)現(xiàn)三維全尺寸檢測。與天津汽車模具有限公司、陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司、長城汽車股份有限公司等合作,將三維光學(xué)測量技術(shù)廣泛應(yīng)用到汽車企業(yè)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測試等環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)了汽車及模具的泡沫實(shí)型(如圖4a和4b所示)、鑄件、夾具、檢具、裝焊[16](如圖4c和4d所示)等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵尺寸的快速測量?;谠诖笮蛷?fù)雜產(chǎn)品三維快速檢測方面積累的雄厚實(shí)力,課題組被國家標(biāo)準(zhǔn)委授權(quán)主持制訂國家標(biāo)準(zhǔn)“鍛壓制件及其模具光學(xué)三維幾何量檢測規(guī)范(GB/T 25134—2010)”。

    3.2.2 覆蓋件板料成形全場應(yīng)變檢測

    覆蓋件在成形過程中經(jīng)常會(huì)由于應(yīng)力集中、材料變薄出現(xiàn)板料撕裂、起皺等現(xiàn)象。傳統(tǒng)解決方法為多次試驗(yàn)試錯(cuò)法,導(dǎo)致生產(chǎn)成本大增,同時(shí)也拖延了新模具產(chǎn)品的開發(fā)。與天津汽車模具有限公司合作,提出了采用近景工業(yè)攝影測量與坐標(biāo)網(wǎng)格分析法相結(jié)合的應(yīng)變檢測方法,并開發(fā)出相應(yīng)的板料成形三維全場應(yīng)變攝影測量快速檢測系統(tǒng)XJTUSM[17],如圖3b所示,實(shí)現(xiàn)了板料表面應(yīng)變的快速精確測量,如圖5所示。

    圖4 汽車和模具行業(yè)三維光學(xué)檢測實(shí)例Fig.4 Application examples of 3D optical measurement and inspection in auto&mold industry

    圖5 某型號(hào)汽車覆蓋件全場應(yīng)變測量實(shí)例Fig.5 The full field 3D strain measurement of an auto mobile panel

    3.3 材料分析

    3.3.1 航空材料高速?zèng)_擊和振動(dòng)

    材料及結(jié)構(gòu)件的抗沖擊性能對航空飛行器飛行安全性有至關(guān)重要的影響,傳統(tǒng)測量方法是在試件表面粘貼電阻應(yīng)變片,只能逐點(diǎn)測量,不能得到全場數(shù)據(jù),且測量范圍有限(一般只有10%),不能測量大應(yīng)變。與西安飛機(jī)強(qiáng)度研究所合作,提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于視覺傳感器的三維動(dòng)態(tài)變形全場測量方法(XJTUDA),如圖3d所示,能在瞬間測出大量測點(diǎn)的三維變形,滿足航空材料高速?zèng)_擊和振動(dòng)的需要。圖6為測量板件在敲擊時(shí)X方向的應(yīng)變,實(shí)驗(yàn)高速相機(jī)的采集頻率設(shè)定在2 000幀/s,分辨率為1 024×1 024。

    圖6 某板件敲擊后不同時(shí)刻應(yīng)變場分布Fig.6 The strain field distribution of a panelat different time after it was struck

    3.3.2 板料成形極限

    板料成形極限(FLC)曲線是板料成形的重要指標(biāo)數(shù)據(jù),傳統(tǒng)試驗(yàn)方法獲取FLC極其麻煩,如在板料腐蝕網(wǎng)格,成形后再采用工具顯微鏡進(jìn)行測量,存在定位各種應(yīng)變曲線難、數(shù)據(jù)處理過程繁雜等缺點(diǎn)。研制的杯凸和板料成形試驗(yàn)系統(tǒng)XJTUFLC[18],如圖3c所示,自動(dòng)采集杯凸試驗(yàn)時(shí)板料變形的序列視頻圖像,基于數(shù)字圖像相關(guān)法,自動(dòng)計(jì)算板料成形的三維全場應(yīng)變,從而生成成形極限曲線FLC,如圖7所示,其優(yōu)點(diǎn)是精度高、測量快速。

    圖7 使用XJTUFLC系統(tǒng)生成的某型號(hào)材料的FLC曲線Fig.7 The FLC curve generated by using the XJTUFLC system

    3.3.3 高溫變形

    發(fā)動(dòng)機(jī)噴口在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)承受著高溫高壓高速氣體的沖蝕,要求噴口材料能承受高溫高壓變形。傳統(tǒng)高溫應(yīng)變測量是在試件表面粘貼電阻應(yīng)變片,存在著使用溫度低、因視應(yīng)變而導(dǎo)致的低精度等問題。與中國航天四院四十三所合作,提出一種用于高溫物體表面全場應(yīng)變測量的高溫?cái)?shù)字圖像相關(guān)方法,并測量了2 800℃下的碳棒全場熱變形,結(jié)果顯示該方法測量原理簡單,抗干擾能力強(qiáng),測量精度高。

    3.3.4 體積DVC變形

    現(xiàn)有的2D(或3D)數(shù)字圖像相關(guān)法都是依靠1個(gè)(或2個(gè))攝像機(jī)拍攝的不同狀態(tài)下的物體表面圖像來提取物體表面的變形信息,而在通常情況下材料受載后其內(nèi)部變形信息與其表面的變形信息有很大不同。因此,獲得材料內(nèi)部的真實(shí)變形情況成為力學(xué)和材料研究領(lǐng)域中許多學(xué)者都非常關(guān)心的問題。研制的體積內(nèi)三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)XJTUDVC(如圖3e所示)通過體成像設(shè)備如顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT),激光掃描共焦顯微鏡等所獲得的同一物體內(nèi)部在變形前后的兩幅體層圖像,結(jié)合數(shù)字體圖像相關(guān)(DVC)方法,通過分析變形前后的3D體圖像獲得變形信息,實(shí)現(xiàn)變形前后物體內(nèi)部的三維坐標(biāo)、位移、應(yīng)變的測量,具有便攜,速度快,精度高,易操作等特點(diǎn)。

    4 結(jié)語

    基于工業(yè)攝影測量和數(shù)字圖像相關(guān)法的三維全場變形與應(yīng)變快速檢測方法在航空航天軍工、汽車、模具等行業(yè)的100多個(gè)單位得到推廣應(yīng)用,并出口歐美發(fā)達(dá)國家10多所大學(xué)用于復(fù)合材料、生物力學(xué)、土木工程等學(xué)科研究,為機(jī)械、材料、力學(xué)等多個(gè)行業(yè)和多個(gè)學(xué)科的發(fā)展提供了快速方便的三維全尺寸測量方法和材料力學(xué)性能評價(jià)手段,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。在檢測系統(tǒng)的系列化、專用化、可定制性等方面取得了多項(xiàng)創(chuàng)新成果,具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。研制的系列化檢測裝置填補(bǔ)國內(nèi)空白,達(dá)到國際先進(jìn)水平。在多視場三維快速重建和全場測量集成控制技術(shù)的研究取得了突破性進(jìn)展,測量幅面和測量精度等部分指標(biāo)優(yōu)于國外系統(tǒng),處于國際領(lǐng)先水平,獲得了2011年度陜西省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

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