基于DIC柱体试样表面场变形的测量研究

摘要

近年来，数字图像处理与分析技术取得了长足的发展，并在国民经济的许多领域得到广泛的应用，如机械加工过程中的零部件尺寸检测，材料科学中金相图的分析识别，机器人视觉感知等。其中，数字图像相关方法是一种新的实验力学方法，能对全场位移和应变进行分析，并成为土木工程试验测试中一种非常重要的图像测量手段。土工三轴试验仪是实验室内一种模拟地震状态的装置，试验过程中通常将三轴试验试样制作成圆柱体便于研究应力与应变关系。长期以来，圆柱试样表面全场的变形测量一直是土工测试的难点问题，而这对于研究试样的强度和变形特性又尤为重要。针对这一问题，本文借助于数字图像相关方法实现了柱体试样表面场变形的测量。 论文研究内容和成果如下： 首先，详细查阅了国内外相关研究文献，介绍了二维数字图像相关方法的基本原理，并系统地阐述了基于双目立体视觉成像模型的三维数字图像相关方法测量系统的实现过程。 其次，利用二维数字图像相关方法测量试样外表面包裹橡皮膜的形变，实现三轴试验试样表面全场变形的测量。针对圆柱体试样试验过程中存在面内局部小扭曲变形问题，结合其在单目相机图像测量系统中的成像特点，提出了一种针对圆柱体试样图像的柱面反投影算法来修正图像成像畸变，并利用2D-DIC(Digital image correlation)得到全表面变形场信息。实验过程中以弹性体为试验对象进行精度校对，选取荷载位移曲线为参照，实际测量结果与加载位移数据吻合，验证了本文算法的准确性和可靠性。 最后，基于双目立体视觉技术，提出了圆柱试样的三维图像采集方案，并获得圆柱体三轴试验试样表面的离面位移信息。采用张正友标定方法，计算相机的内外参数。利用相机的内外参数对散斑试样表面图像进行三维形貌特征重构，获取试样物面的三维空间坐标。进一步通过对全场位移的求解最终实现了数字图像相关法的三维形变测量。

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