專利名稱：基于影像的板料變形測量處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光力學(xué)圖像分析領(lǐng)域中工程結(jié)構(gòu)與材料變形的測量技術(shù)。

背景技術(shù)：
板料的網(wǎng)格應(yīng)變測量是研究板料成形性能的重要方法，早在上個(gè)世紀(jì)60年代美國等國研究板料成形的科學(xué)家就開始將其應(yīng)用到實(shí)踐中。對于普通的單向拉伸試驗(yàn)可以用位移傳感器測量、計(jì)算板料的變形和應(yīng)變。但是對于局部的應(yīng)變，以及大型板料發(fā)生塑性變形后各個(gè)部分的應(yīng)變測量，普通的方法則無能為力。
對于此類方法進(jìn)行測量只能用坐標(biāo)網(wǎng)格法，即預(yù)先在沒有發(fā)生塑性變形的板料上面印制長度已知的網(wǎng)格，在板料變形后通過測量網(wǎng)格的變形來分析板料各處的應(yīng)變大小。最初的研究主要是采用軟尺或者普通尺子進(jìn)行測量，由于變形后表面的網(wǎng)格尺寸只有2-5毫米，測量精度要求較高，這些方法測量得到的誤差較大，后來又發(fā)展出工具顯微鏡，一直沿用至今。工具顯微鏡將測量區(qū)域放大，可以相對精確地測量，但是對于曲面地測量，難以非常精確，并且每次只能測量一個(gè)網(wǎng)格，測量效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大。
最近幾年基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的全自動(dòng)網(wǎng)格測量系統(tǒng)先后在一些發(fā)達(dá)國家被開發(fā)出來，比如美國的ASAME軟件。這些測量系統(tǒng)測量精確，效率較高。但是價(jià)格非常昂貴，并且沒有針對我國國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化，對于普通的學(xué)校和一般的科研單位來說尚缺乏購買能力，所以無法得到普遍應(yīng)用。國內(nèi)也開發(fā)出一些工程結(jié)構(gòu)與材料變形測量技術(shù)(中國專利，申請?zhí)?3128736.0，公開號CN1458528A)，而這類影像測量裝置并不適用于實(shí)驗(yàn)室條件下的板料成形性能試驗(yàn)的應(yīng)變測量，不能滿足時(shí)間序列測量的要求，后期處理也不能套用相應(yīng)的國內(nèi)、國際標(biāo)準(zhǔn)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是利用較低成本提供一套集成化的板料成形實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、保存并輸出的方法，使實(shí)驗(yàn)者可以連續(xù)標(biāo)準(zhǔn)化地進(jìn)行板料成形方面的實(shí)驗(yàn)工作，得出具有說服力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，方便地進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)的比較分析，并生成可被有限元分析或其它軟件調(diào)用的文件。
本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案 本發(fā)明基于影像的板料變形測量處理方法，采用多軸旋轉(zhuǎn)與升降結(jié)構(gòu)、CCD攝像及光學(xué)鏡頭和圖像與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)，其中CCD攝像及光學(xué)鏡頭設(shè)置于多軸旋轉(zhuǎn)與升降結(jié)構(gòu)上，CCD攝像及光學(xué)鏡頭的數(shù)據(jù)輸出端接圖像與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)輸入端，其特征在于所述測量處理方法包括以下步驟 第一步在板料表面印制符合國標(biāo)GB/T 15825.8——1995或ISO12004標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格； 第二步由CCD攝像及光學(xué)鏡頭拍攝板料在變形前、后的圖像并存入圖像與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)； 第三步采用圖像與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)(3)比對板料在變形前、后表面網(wǎng)格形貌即第二步所述數(shù)據(jù)文件并進(jìn)行標(biāo)定后，還原板料表面的真實(shí)尺寸信息并形成數(shù)據(jù)文件 a)脹形試驗(yàn) 將第三步所述數(shù)據(jù)文件按照國標(biāo)GB/T 15825.8——1995或ISO12004標(biāo)準(zhǔn)對變形后板料表面真實(shí)尺寸信息進(jìn)行擬合處理得到符合標(biāo)準(zhǔn)的成形極限圖； b)拉伸實(shí)驗(yàn) 采用圖像與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)(3)將第三步所述數(shù)據(jù)文件經(jīng)過回歸計(jì)算處理得到圖像數(shù)據(jù)的參數(shù)信息； 第四步將第三步a)、b)所述的成形極限圖和圖像數(shù)據(jù)的參數(shù)信息存入數(shù)據(jù)庫中，保存為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件。
本發(fā)明的有益效果 1、相對于工程結(jié)構(gòu)與材料變形測量技術(shù)，本專利可以進(jìn)行更全面的數(shù)據(jù)處理，應(yīng)變測量更為科學(xué)。
2、本發(fā)明可以在拉伸實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)非接觸式測量，從而得到板料變形的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，繪制板料各點(diǎn)的變形路徑，了解各實(shí)驗(yàn)參數(shù)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。
3、本發(fā)明在很大程度上實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，自動(dòng)化作業(yè)，減少了人為、主觀因素的影響，提高了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可比性。
4、本發(fā)明可以對材料多方面的性能進(jìn)行儲存，分析，便于從各方面對備選板料進(jìn)行篩選，從而對選材具有很高的指導(dǎo)意義。



圖1是本發(fā)明的計(jì)算程序流程圖； 圖2是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3三角形變形示意圖。(變形前三角形(a)、變形后三角形(b))； 圖4應(yīng)變摩爾圓算法示意圖(Emin為最小主應(yīng)變，Emax為最大主應(yīng)變，Eaverage為主應(yīng)變平均值，E11x向應(yīng)變，E22y向應(yīng)變，E12xy向應(yīng)變)； 圖5加權(quán)平均與局部平均算法示意圖((a)加權(quán)平均，(b)局部平均。圖中數(shù)字為各區(qū)域加權(quán)值)。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明 如圖1、圖2所示，基于影像的板料變形測量處理方法，采用多軸旋轉(zhuǎn)與升降結(jié)構(gòu)1、CCD攝像及光學(xué)鏡頭2和圖像與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)3，其中CCD攝像及光學(xué)鏡頭2設(shè)置于多軸旋轉(zhuǎn)與升降結(jié)構(gòu)1上，CCD攝像及光學(xué)鏡頭2的數(shù)據(jù)輸出端接圖像與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)3的數(shù)據(jù)輸入端，其特征在于所述測量處理方法包括以下步驟 第一步在板料表面印制符合國標(biāo)GB/T 15825.8——1995或ISO12004標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格； 第二步由CCD攝像及光學(xué)鏡頭拍攝板料在變形前、后的圖像并存入圖像與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)3； 第三步采用圖像與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)(3)比對板料在變形前、后表面網(wǎng)格形貌即第二步所述數(shù)據(jù)文件并進(jìn)行標(biāo)定后，還原板料表面的真實(shí)尺寸信息并形成數(shù)據(jù)文件 a)脹形試驗(yàn) 將第三步所述數(shù)據(jù)文件按照國標(biāo)GB/T 15825.8——1995或ISO12004標(biāo)準(zhǔn)對變形后板料表面真實(shí)尺寸信息進(jìn)行擬合處理得到符合標(biāo)準(zhǔn)的成形極限圖； b)拉伸實(shí)驗(yàn) 采用圖像與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)(3)將第三步所述數(shù)據(jù)文件經(jīng)過回歸計(jì)算處理得到圖像數(shù)據(jù)的參數(shù)信息應(yīng)變強(qiáng)化系數(shù)K，應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)n，，屈強(qiáng)比即屈服強(qiáng)度比屈服極限σ0/σ，厚向異性指數(shù)r值等內(nèi)容； 第四步將第三步a)、b)所述的成形極限圖和圖像數(shù)據(jù)的參數(shù)信息存入數(shù)據(jù)庫中，保存為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件。
上述圖像采集處理計(jì)算機(jī)3具備 數(shù)據(jù)采集功能讀入拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)生成的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件，或拉伸、脹形前后板料表面的網(wǎng)格圖像； 數(shù)據(jù)處理功能按國標(biāo)對拉伸試驗(yàn)機(jī)生成的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行分析、處理，得到材料的應(yīng)變強(qiáng)化系數(shù)K，應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)n。按國標(biāo)GB/T 15825.8—1995或ISO12004之中對應(yīng)變數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合的算法對拉伸、脹形前后板料圖像進(jìn)行處理，分析板料厚向異性指數(shù)r值，成形性能極限等數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)顯示、保存功能顯示數(shù)據(jù)處理單元所得到的結(jié)果，并將其保存到數(shù)據(jù)庫中； 數(shù)據(jù)輸出功能將處理結(jié)果生成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件以備其它分析軟件調(diào)用或打印輸出。
如果要通過圖像測量板料的變形信息，在實(shí)驗(yàn)前，就需要在板料表面印制符合標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格。對于拉伸實(shí)驗(yàn)，需要拍攝記錄板料整個(gè)變形過程中的一系列圖像。而脹形實(shí)驗(yàn)，只需在實(shí)驗(yàn)后利用本次發(fā)明所設(shè)計(jì)的多軸旋轉(zhuǎn)與升降結(jié)構(gòu)1(圖2)，其中多軸旋轉(zhuǎn)與升降結(jié)構(gòu)的兩個(gè)鉸鏈分別實(shí)現(xiàn)CCD攝像及光學(xué)鏡頭2繞兩個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)CCD攝像及光學(xué)鏡頭沿軸向上下移動(dòng)，這樣在板料成形后，經(jīng)過調(diào)節(jié)CCD攝像及光學(xué)鏡頭，就可以盡量沿變形工件表面法向進(jìn)行拍攝，保證拍攝精度。圖像經(jīng)標(biāo)定后，即可進(jìn)行處理。具體的應(yīng)變求解過程如下 按照國標(biāo)GB/T 15825.8——1995所述的方法印制網(wǎng)格，之后可以直接測量板料的極限應(yīng)變圓從而繪制極限應(yīng)變曲線。
如果選擇另一種方式，不論預(yù)先印制圓網(wǎng)格或方網(wǎng)格，應(yīng)變計(jì)算都是基于方網(wǎng)格。對于單圓和交錯(cuò)圓網(wǎng)格，方形網(wǎng)格是通過連接每個(gè)圓圓心而形成的，每個(gè)圓心成為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。初始網(wǎng)格尺寸按照ISO12004標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行印制。
對于節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變計(jì)算，每個(gè)節(jié)點(diǎn)附近的方形被分成兩個(gè)三角形。對每個(gè)三角形計(jì)算拉格朗日應(yīng)變，從而得到每個(gè)三角形的真實(shí)應(yīng)變和應(yīng)變方向。節(jié)點(diǎn)應(yīng)變就是這些應(yīng)變通過加權(quán)平均或局部平均方法(由用戶選擇)得到。
圖3顯示了未變形的三角形(a)和變形后的三角形(b)。未變形的三角形與笛卡爾坐標(biāo)系對齊，而變形后的三角形在三維空間中隨意定位。設(shè)10等于初始網(wǎng)格長度，a是未變形三角形直角邊變形后的新長度，b是另一直角邊的新長度，c是斜邊新長度。則變形后三角形的各邊可由下式求得 由v1，v2和v3可以計(jì)算柯西-格林變形張量C的各個(gè)分量 由此可以計(jì)算得到拉格朗日應(yīng)變E C＝I+2E 其中I為單位矩陣x向應(yīng)變y向應(yīng)變xy向應(yīng)變 此時(shí)，如圖4真實(shí)主應(yīng)變可以通過摩爾圓求得。其中A點(diǎn)和B點(diǎn)分別是最大主應(yīng)變、最小主應(yīng)變。
主應(yīng)變方向角是 圖5顯示了一個(gè)2×2的方形網(wǎng)格。每個(gè)方格被分成兩個(gè)三角形，數(shù)字顯示了對于中心節(jié)點(diǎn)，每個(gè)周邊三角形的權(quán)重。中心節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變是通過對這些三角形的拉格朗日應(yīng)變進(jìn)行加權(quán)平均得到。而加權(quán)或局部平均方法的實(shí)質(zhì)區(qū)別就在于選取三角形的權(quán)重不同。
在求得節(jié)點(diǎn)應(yīng)變后，即可按照ISO12004標(biāo)準(zhǔn)所述的方法，對材料表面的應(yīng)變進(jìn)行擬合，從而求得材料的極限應(yīng)變。
權(quán)利要求
1、一種基于影像的板料變形測量處理方法，采用多軸旋轉(zhuǎn)與升降結(jié)構(gòu)(1)、CCD攝像及光學(xué)鏡頭(2)和圖像與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)(3)，其中CCD攝像及光學(xué)鏡頭(2)設(shè)置于多軸旋轉(zhuǎn)與升降結(jié)構(gòu)(1)上，CCD攝像及光學(xué)鏡頭(2)的數(shù)據(jù)輸出端接圖像接數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)(3)的數(shù)據(jù)輸入端，其特征在于所述測量處理方法包括以下步驟
第一步在板料表面印制符合國標(biāo)GB/T 15825.8——1995或IS012004標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格；
第二步由CCD攝像及光學(xué)鏡頭拍攝板料在變形前、后的圖像并存入圖像與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)(3)；
第三步采用圖像與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)(3)比對板料在變形前、后表面網(wǎng)格形貌即第二步所述數(shù)據(jù)文件并進(jìn)行標(biāo)定后，還原板料表面的真實(shí)尺寸信息并形成數(shù)據(jù)文件
a)脹形試驗(yàn)
將第三步所述數(shù)據(jù)文件按照國標(biāo)GB/T15825.8——1995或ISO12004標(biāo)準(zhǔn)對變形后板料表面真實(shí)尺寸信息進(jìn)行擬合處理得到符合標(biāo)準(zhǔn)的成形極限b)拉伸實(shí)驗(yàn)
采用圖像與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)(3)將第三步所述數(shù)據(jù)文件經(jīng)過回歸計(jì)算處理得到圖像數(shù)據(jù)的參數(shù)信息；
第四步將第三步a)、b)所述的成形極限圖和圖像數(shù)據(jù)的參數(shù)信息存入數(shù)據(jù)庫中，保存為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種基于影像的板料變形測量處理方法，本發(fā)明所述方法采用多軸旋轉(zhuǎn)與升降結(jié)構(gòu)、CCD攝像及光學(xué)鏡頭和圖像與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)，拍攝板料在變形前、后的圖像并存入圖像與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)形成數(shù)據(jù)文件，通過脹形試驗(yàn)和拉伸實(shí)驗(yàn)分別得到成形極限圖和參數(shù)信息，進(jìn)而得到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件。本發(fā)明可以對材料多方面的性能進(jìn)行儲存，分析，便于從各方面對備選板料進(jìn)行篩選。
文檔編號G01B11/16GK101520318SQ20091003025
公開日2009年9月2日 申請日期2009年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月24日
發(fā)明者巖 徐, 然 顧 申請人:南京航空航天大學(xué)