Развитие метода корреляции цифровых изображений для изучения процессов деформации и разрушения конструкционных материалов
Автор: Любутин П.С., Панин С.В., Титков В.В., Еремин А.В., Сундер Р.
Статья в выпуске: 1, 2019 года.
Бесплатный доступ
Описан ряд задач, посвященных развитию метода корреляции цифровых изображений, как с позиции разработки и тестирования аппаратно-программных средств, так и решения проблем в области механики усталостного разрушения. Проведено тестирование разработанной компьютерной системы стереозрения на сериях стереопар, отражающих изменение положения объекта в пространстве, а также плоскостные и внеплоскостные деформации. Показано, что ошибка определения пространственных координат не превышает 0,75 единиц, а ошибка вычисления компонент тензора деформации в случае системы с одной камерой на два порядка больше, чем при использовании системы стереозрения. Предложен и протестирован алгоритм автоматического детектирования трещины на оптических изображениях и определения координат ее вершины. Показано, что при размере кадра 2000×1000 элементов он позволяет определить координаты вершины трещины со средней ошибкой порядка 56 пикселов, а средняя ошибка определения площади трещины не превышает 1,93 %. Предложен модифицированный инкрементальный алгоритм определения перемещений на серии стереопар, который позволяет оценивать перемещения большой величины при последовательной обработке изображений. Развит алгоритм измерения J -интеграла с использованием метода корреляции цифровых изображений. Показано, что отклонение рассчитываемых значений J -интеграла от модельных составляет в среднем 1,75 %. Проведена количественная характеризация процесса роста усталостной трещины в металлических сплавах с помощью методики, основанной на методе корреляции цифровых изображений (в терминах механики разрушения), включающей расчет скорости роста усталостной трещины da / dN ; максимального значения деформации (εmax) и эффективной асимметрии цикла ( R eff). При испытании алюминиевого сплава Д16АТ показано, что в режиме Пэриса при единичной перегрузке минимальная скорость роста трещины достигается при ее удлинении на 30 % от размера пластической зоны, сформированной циклом перегрузки, и вызвана закрытием трещины, увеличивающим эффективную асимметрию цикла до R eff = 0,32.
Корреляция цифровых изображений, механика разрушения, усталость, рост трещины, оценка деформации, j-интеграл, стереозрение, инкрементальный метод
Короткий адрес: https://sciup.org/146281921
IDR: 146281921 | УДК: 681.3 | DOI: 10.15593/perm.mech/2019.1.08
Development of the digital image correlation method to study deformation and fracture processes of structural materials
A number of problems related to the digital image correlation method from the standpoint of both the hardware and software development and testing, as well as solving problems in the field of fatigue fracture mechanics are described. Testing of the developed computer stereo vision system was carried out using a series of stereo pairs reflecting the change in the location of the object in space as well as plane and out-of-plane deformations. It is shown that the error in determining spatial coordinates does not exceed 0.75 units, while the error in computing the strain tensor components in case of a system with a single camera is two orders of magnitude larger than that at using the stereo machine vision system. An algorithm for automatic crack detection on optical images and calculating its tip coordinates was proposed and tested. It is shown that when the frame size is 2000×1000 pixels the coordinates of the crack tip might be determined with an average error of about 56 pixels, while the average error of the crack area determination does not exceed 1.93%. A modified incremental algorithm for calculating displacements on a series of stereo pairs is proposed, which allows one to estimate large magnitude displacements during serial processing of images. An algorithm for measuring the J-integral using the digital image correlation method has been developed. It is shown that the deviation of the calculated J-integral values from the model ones is on average 1.75 %. A quantitative characterization of the fatigue crack growth process in metal alloys was carried out using the technique based on the digital image correlation (in terms of fracture mechanics) including the calculation of the fatigue crack growth rate da / dN , maximum strain (εmax) and effective cycle asymmetry ( R eff).
Список литературы Развитие метода корреляции цифровых изображений для изучения процессов деформации и разрушения конструкционных материалов
- Методы компьютерной обработки изображений. - 2-е изд. / М.В. Гашников [и др.]; ред. В.А. Сойфер. - М.: Физматлит, 2003. - 784 с.
- Barron J.L., Fleet D.J., Beauchemin S.S. Performance of optical flow techniques // International Journal of Computer Vision. - 1994. - Vol. 12. - No. 1. - P. 43-77.
- Beauchemin S.S., Barron J.L. The computation of optical flow // ACM Computing Surveys. - 1995. - Vol. 27. - No. 3. - P. 433-466.
- Horn B.K.P., Schunck B.G. Determining optical flow // Artificial Intelligence. - 1981. - Vol. 17. - No. 1-3. - P. 185-203.
- Lucas B.D., Kanade T. An iterative image registration technique with an application to stereo vision // Proceedings of Imaging Understanding Workshop. - 1981. - P. 121-130.
