CN101520318A - 基于影像的板料变形测量处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于影像的板料变形测量处理方法，本发明所述方法采用多轴旋转与升降结构、CCD摄像及光学镜头和图像与数据处理计算机，拍摄板料在变形前、后的图像并存入图像与数据处理计算机形成数据文件，通过胀形试验和拉伸实验分别得到成形极限图和参数信息，进而得到标准数据文件。本发明可以对材料多方面的性能进行储存，分析，便于从各方面对备选板料进行筛选。

Description

基于影像的板料变形测量处理方法

技术领域

本发明涉及一种光力学图像分析领域中工程结构与材料变形的测量技术。

背景技术

板料的网格应变测量是研究板料成形性能的重要方法，早在上个世纪60年代美国等国研究板料成形的科学家就开始将其应用到实践中。对于普通的单向拉伸试验可以用位移传感器测量、计算板料的变形和应变。但是对于局部的应变，以及大型板料发生塑性变形后各个部分的应变测量，普通的方法则无能为力。

对于此类方法进行测量只能用坐标网格法，即预先在没有发生塑性变形的板料上面印制长度已知的网格，在板料变形后通过测量网格的变形来分析板料各处的应变大小。最初的研究主要是采用软尺或者普通尺子进行测量，由于变形后表面的网格尺寸只有2-5毫米，测量精度要求较高，这些方法测量得到的误差较大，后来又发展出工具显微镜，一直沿用至今。工具显微镜将测量区域放大，可以相对精确地测量，但是对于曲面地测量，难以非常精确，并且每次只能测量一个网格，测量效率低，劳动强度大。

最近几年基于计算机视觉技术的全自动网格测量系统先后在一些发达国家被开发出来，比如美国的ASAME软件。这些测量系统测量精确，效率较高。但是价格非常昂贵，并且没有针对我国国家标准进行优化，对于普通的学校和一般的科研单位来说尚缺乏购买能力，所以无法得到普遍应用。国内也开发出一些工程结构与材料变形测量技术(中国专利，申请号03128736.0，公开号CN1458528A)，而这类影像测量装置并不适用于实验室条件下的板料成形性能试验的应变测量，不能满足时间序列测量的要求，后期处理也不能套用相应的国内、国际标准。

发明内容

本发明目的是利用较低成本提供一套集成化的板料成形实验数据采集、处理、显示、保存并输出的方法，使实验者可以连续标准化地进行板料成形方面的实验工作，得出具有说服力的实验结果，方便地进行一系列实验的比较分析，并生成可被有限元分析或其它软件调用的文件。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明基于影像的板料变形测量处理方法，采用多轴旋转与升降结构、CCD摄像及光学镜头和图像与数据处理计算机，其中CCD摄像及光学镜头设置于多轴旋转与升降结构上，CCD摄像及光学镜头的数据输出端接图像与数据处理计算机的数据输入端，其特征在于所述测量处理方法包括以下步骤：

第一步：在板料表面印制符合国标GB/T 15825.8——1995或ISO12004标准的网格；

第二步：由CCD摄像及光学镜头拍摄板料在变形前、后的图像并存入图像与数据处理计算机；

第三步：采用图像与数据处理计算机(3)比对板料在变形前、后表面网格形貌即第二步所述数据文件并进行标定后，还原板料表面的真实尺寸信息并形成数据文件：

a)胀形试验

将第三步所述数据文件按照国标GB/T 15825.8——1995或ISO12004标准对变形后板料表面真实尺寸信息进行拟合处理得到符合标准的成形极限图；

b)拉伸实验

采用图像与数据处理计算机(3)将第三步所述数据文件经过回归计算处理得到图像数据的参数信息；

第四步：将第三步a)、b)所述的成形极限图和图像数据的参数信息存入数据库中，保存为标准数据文件。

本发明的有益效果：

1、相对于工程结构与材料变形测量技术，本专利可以进行更全面的数据处理，应变测量更为科学。

2、本发明可以在拉伸实验过程中，实现动态非接触式测量，从而得到板料变形的时间序列数据，绘制板料各点的变形路径，了解各实验参数对实验结果的影响。

3、本发明在很大程度上实现了标准化，自动化作业，减少了人为、主观因素的影响，提高了实验结果的可比性。

4、本发明可以对材料多方面的性能进行储存，分析，便于从各方面对备选板料进行筛选，从而对选材具有很高的指导意义。

附图说明

图1是本发明的计算程序流程图；

图2是本发明结构示意图；

图3三角形变形示意图。(变形前三角形(a)、变形后三角形(b))；

图4应变摩尔圆算法示意图(E_min为最小主应变，E_max为最大主应变，E_average为主应变平均值，E₁₁x向应变，E₂₂y向应变，E₁₂xy向应变)；

图5加权平均与局部平均算法示意图((a)加权平均，(b)局部平均。图中数字为各区域加权值)。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1、图2所示，基于影像的板料变形测量处理方法，采用多轴旋转与升降结构1、CCD摄像及光学镜头2和图像与数据处理计算机3，其中CCD摄像及光学镜头2设置于多轴旋转与升降结构1上，CCD摄像及光学镜头2的数据输出端接图像与数据处理计算机3的数据输入端，其特征在于所述测量处理方法包括以下步骤：

第一步：在板料表面印制符合国标GB/T 15825.8——1995或ISO12004标准的网格；

第二步：由CCD摄像及光学镜头拍摄板料在变形前、后的图像并存入图像与数据处理计算机3；

第三步：采用图像与数据处理计算机(3)比对板料在变形前、后表面网格形貌即第二步所述数据文件并进行标定后，还原板料表面的真实尺寸信息并形成数据文件：

a)胀形试验

将第三步所述数据文件按照国标GB/T 15825.8——1995或ISO12004标准对变形后板料表面真实尺寸信息进行拟合处理得到符合标准的成形极限图；

b)拉伸实验

采用图像与数据处理计算机(3)将第三步所述数据文件经过回归计算处理得到图像数据的参数信息：应变强化系数K，应变强化指数n，，屈强比即屈服强度比屈服极限：σ₀/σ，厚向异性指数r值等内容；

第四步：将第三步a)、b)所述的成形极限图和图像数据的参数信息存入数据库中，保存为标准数据文件。

上述图像采集处理计算机3具备：

数据采集功能：读入拉伸实验机生成的标准数据文件，或拉伸、胀形前后板料表面的网格图像；

数据处理功能：按国标对拉伸试验机生成的标准数据文件进行分析、处理，得到材料的应变强化系数K，应变强化指数n。按国标GB/T 15825.8—1995或ISO12004之中对应变数据点进行拟合的算法对拉伸、胀形前后板料图像进行处理，分析板料厚向异性指数r值，成形性能极限等数据；

数据显示、保存功能：显示数据处理单元所得到的结果，并将其保存到数据库中；

数据输出功能：将处理结果生成标准数据文件以备其它分析软件调用或打印输出。

如果要通过图像测量板料的变形信息，在实验前，就需要在板料表面印制符合标准的网格。对于拉伸实验，需要拍摄记录板料整个变形过程中的一系列图像。而胀形实验，只需在实验后利用本次发明所设计的多轴旋转与升降结构1(图2)，其中多轴旋转与升降结构的两个铰链分别实现CCD摄像及光学镜头2绕两个轴的转动，齿轮齿条机构实现CCD摄像及光学镜头沿轴向上下移动，这样在板料成形后，经过调节CCD摄像及光学镜头，就可以尽量沿变形工件表面法向进行拍摄，保证拍摄精度。图像经标定后，即可进行处理。具体的应变求解过程如下：

按照国标GB/T 15825.8——1995所述的方法印制网格，之后可以直接测量板料的极限应变圆从而绘制极限应变曲线。

如果选择另一种方式，不论预先印制圆网格或方网格，应变计算都是基于方网格。对于单圆和交错圆网格，方形网格是通过连接每个圆圆心而形成的，每个圆心成为一个节点。初始网格尺寸按照ISO12004标准进行印制。

对于节点的应变计算，每个节点附近的方形被分成两个三角形。对每个三角形计算拉格朗日应变，从而得到每个三角形的真实应变和应变方向。节点应变就是这些应变通过加权平均或局部平均方法(由用户选择)得到。

图3显示了未变形的三角形(a)和变形后的三角形(b)。未变形的三角形与笛卡尔坐标系对齐，而变形后的三角形在三维空间中随意定位。设1₀等于初始网格长度，a是未变形三角形直角边变形后的新长度，b是另一直角边的新长度，c是斜边新长度。则变形后三角形的各边可由下式求得：

${\stackrel{\→}{v}}_1=(x_2-x_1,y_2-y_1,z_2-z_1)$        $a=\left|{\stackrel{\→}{v}}_1\right|$

${\stackrel{\→}{v}}_2=(x_3-x_1,y_3-y_1,z_3-z_1)$        $b=\left|{\stackrel{\→}{v}}_2\right|$

${\stackrel{\→}{v}}_3={\stackrel{\→}{v}}_2-{\stackrel{\→}{v}}_1=(x_2-x_1,y_2-y_1,z_2-z_1)$   $c=\left|{\stackrel{\→}{v}}_3\right|$

由v₁，v₂和v₃可以计算柯西-格林变形张量C的各个分量：

$C_{11}=\frac{{\left|{\stackrel{\→}{v}}_1\right|}^2}{l_0^2}=\frac{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2+{(z_2-z_1)}^2}{l_0^2}=\frac{a^2}{l_0^2}$

$C_{22}=\frac{{\left|{\stackrel{\→}{v}}_2\right|}^2}{l_0^2}=\frac{{(x_3-x_1)}^2+{(y_3-y_1)}^2+{(z_3-z_1)}^2}{l_0^2}=\frac{b^2}{l_0^2}$

$C_{12}=\frac{{\stackrel{\→}{v}}_1\·{\stackrel{\→}{v}}_2}{l_0^2}=\frac{(x_2-x_1)(x_3-x_1)+(y_2-y_1)(y_3-y_1)+(z_2-z_1)(z_3-z_1)}{l_0^2}=\frac{a^2+b^2-c^2}{2l_0^2}$

由此可以计算得到拉格朗日应变E

C＝I+2E

其中I为单位矩阵

$E_{11}=\frac{C_{11}-1}{2}=\frac{a^2}{2l_0^2}-\frac{1}{2}$  x向应变

$E_{22}=\frac{C_{22}-1}{2}=\frac{b^2}{2l_0^2}-\frac{1}{2}$  y向应变

$E_{12}=\frac{C_{12}}{2}=\frac{a^2+b^2-c^2}{4l_0^2}$  xy向应变

此时，如图4真实主应变可以通过摩尔圆求得。其中A点和B点分别是最大主应变、最小主应变。

主应变方向角是：

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left(\frac{{2E}_{12}}{E_{11}-E_{22}}\right)$

图5显示了一个2×2的方形网格。每个方格被分成两个三角形，数字显示了对于中心节点，每个周边三角形的权重。中心节点的应变是通过对这些三角形的拉格朗日应变进行加权平均得到。而加权或局部平均方法的实质区别就在于选取三角形的权重不同。

在求得节点应变后，即可按照ISO12004标准所述的方法，对材料表面的应变进行拟合，从而求得材料的极限应变。

Claims (1)

1、一种基于影像的板料变形测量处理方法，采用多轴旋转与升降结构(1)、CCD摄像及光学镜头(2)和图像与数据处理计算机(3)，其中CCD摄像及光学镜头(2)设置于多轴旋转与升降结构(1)上，CCD摄像及光学镜头(2)的数据输出端接图像接数据处理计算机(3)的数据输入端，其特征在于所述测量处理方法包括以下步骤：

第一步：在板料表面印制符合国标GB/T 15825.8——1995或IS012004标准的网格；

第二步：由CCD摄像及光学镜头拍摄板料在变形前、后的图像并存入图像与数据处理计算机(3)；

第三步：采用图像与数据处理计算机(3)比对板料在变形前、后表面网格形貌即第二步所述数据文件并进行标定后，还原板料表面的真实尺寸信息并形成数据文件：

a)胀形试验

将第三步所述数据文件按照国标GB/T15825.8——1995或ISO12004标准对变形后板料表面真实尺寸信息进行拟合处理得到符合标准的成形极限图；

b)拉伸实验

采用图像与数据处理计算机(3)将第三步所述数据文件经过回归计算处理得到图像数据的参数信息；

第四步：将第三步a)、b)所述的成形极限图和图像数据的参数信息存入数据库中，保存为标准数据文件。

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