改进扩展数字图像相关方法及其应用研究

摘要

数字图像相关方法是实验力学领域中最常用的测试方法之一,具有广阔的工程应用前景。扩展数字图像相关方法的形函数选取扩展有限元位移模式,一定程度上突破了传统数字图像相关方法不适用于不连续变形场测试的局限性,扩大了方法的适用范围。本文的主要研究内容就是对扩展数字图像相关方法的算法进行改进,以进一步提高方法精度,扩大其工程应用范围。
　　本文提出的改进扩展数字图像相关方法主要对方法进行了如下三点优化和改进:首先,提出了单单元的相关方案和核区的数据后处理方法,与整体相关方案相比,本文方法可有效减少子区间误差传递,一定程度上提高方法测试精度。其次,提出了环形模板的整像素位移搜索方法,及改进扩展数字图像相关方法中Newton-Raphson算法(N-R算法)迭代初值的选择方案。利用环形模板搜索得到的整像素位移为N-R算法提供迭代初值,减少了迭代不收敛现象的出现。另外,由于环形模板具有旋转不变性,而双线性位移模式又能完全描述刚体转动,因而,结合环形模板整像素位移搜索的改进扩展数字图像相关方法可以测试含任意转角的变形。再次,提出了子区优选法,利用相关系数的值来确定最优子区的尺寸和位置,使材料弹性常数、裂纹尖端变形场等力学参量的测试更精确。
　　本文利用模拟散斑图及实验对改进扩展数字图像相关方法的测试精度进行分析。对于单单元相关方案,单个子区变形场的测试精度即表明了方法的测试精度。精度分析结果表明:当子区所选形函数的位移假设能够完全描述子区真实变形时,大的子区可以减少随机误差进而提高测试精度,且具有较少节点的单元类型对应较高的测试精度;形函数选取裂纹贯穿单元位移模式来测试裂纹贯穿子区变形场时,其测试精度低于分别利用基于常规单元位移模式的改进扩展数字图像相关方法测试裂纹两侧的连续变形场;基于四节点矩形单元位移假设的改进扩展数字图像相关方法测试符合其变形假设的位移场时,最大绝对误差出现在节点处,且当给定位移接近整像素或半像素时,测试误差较小。
　　最终将本文提出的改进扩展数字图像相关方法应用到工程实际问题的测量中:测试了手机导光板的弹性常数;分析了纸浆模塑托盘跌落试验中的弹塑性变形;测试了聚氨酯试件的大挠度变形及挠曲线;测试了金属材料的裂纹区域变形场;测试了聚碳酸酯材料的平面应变断裂韧性;分析了手机液晶面板的弯曲破坏行为。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2数字图像相关方法的研究进展

1.3扩展数字图像相关与不连续变形场测试

1.4本文主要工作内容

第二章 数字图像相关方法基本原理

2.1相关算法的一般原理

2.2相关算法的一般流程

2.3本章小结

第三章 改进扩展数字图像相关方法研究

3.1测试区域的离散化及单元位移模式

3.2两种相关方案及N-R算法的迭代初值选择

3.3应变场的求解

3.4本章小结

第四章 改进扩展数字图像相关方法精度分析

4.1改进扩展数字图像相关方法的两种精度分析方案

4.2连续位移场测试的精度分析

4.3不连续变形场测试的精度分析

4.4其他结论验证

4.5本章小结

第五章 连续变形场测试应用研究

5.1改进扩展数字图像相关方法测试系统

5.2手机导光板的弹性常数测试

5.3纸浆模塑托盘的跌落试验研究

5.4聚氨酯材料的大挠度变形分析

5.5本章小结

第六章 不连续变形场测试的应用研究

6.1金属材料裂纹区域变形场测试

6.2聚碳酸酯平面应变断裂韧性测试

6.3手机液晶面板的弯曲破坏行为分析

6.4本章小结

第七章 总结与展望

7.1全文总结

7.2工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢