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  工程案例

山東科技大學購買數字散斑三維全場應變測量分析系統

山東科技大學購買數字散斑三維全場應變測量分析系統,通過追蹤物體表面的散斑圖像,實現變形過程中物體表面的三維坐標、位移及應變的測量。






一、系統介紹

 

 

                圖:系統硬件組成                          


 

                           圖:系統軟件界面



     XTDIC 系統結合數字圖像相關技術(DIC)、雙目立體視覺技術(StereoVision)以及近景攝影測量技術(Photogrammetry),通過追蹤物體表面的散斑圖像,實現變形過程中物體表面的三維坐標、位移及應變的測量,具有便攜,速度快,精度高,易操作等特點。

 

 系統主要由測量頭、采集控制箱、移動支撐架、計算機、檢測分析軟件等組成。

XTDIC 三維數字散斑動態變形測量分析系統是實驗力學領域中一種重要的測試方法,其主要應用有:

    在材料力學性能測量方面:DIC已成功應用于各種復雜材料的力學性能測試中。如火箭發動劑固體燃料、橡膠、光纖、壓電薄膜、復合材料以及木材、巖石、土方等天然材料的力學性能的檢測中。值得注意的是,DIC被廣泛應用于破壞力學研究中,包括裂紋尖端應變場測量、裂紋尖端張開位移測量以及高溫下裂紋尖端應變場測量等。

    在細觀力學測量方面:借助于掃描電子顯微鏡(SEM)、掃描隧道電子顯微鏡(STEM)以及原子力顯微鏡(AFM),DIC被越來越多地應用于細觀力學測量。最近,數字散斑相關方法還被應用于物體表面粗糙度的測量中。

在損傷與破壞檢測方面:DIC被應用于多種復雜材料,如巖石、炸藥材料的破壞檢測中。DIC還被應用于一些特殊器件,如陶瓷電容器、電子器件,電子封裝的無損檢測研究中。

在生物力學測量方面:DIC被應用于測量手術復位后肱骨頭在內旋轉及前屈運動下大小結節的相對位移量,以及頸椎內固定器對人體頸椎運動生物力學性能的影響等。

 

典型應用范圍

1.  應變計算、強度評估、組件尺寸測量、非線性變化的檢測

2.  先進材料(CFRP、木材、 內含PE的纖維、金屬泡沫、橡膠等)

3.  零部件試驗(測量位移、應變)

4.  材料試驗( 楊氏模量、泊松比、彈塑性的參數性能)

5.  斷裂力學性能

6.  有限元分析(FEA)驗證

7.  動力學測量(動態測量、瞬態測量)

8.  三維全場振動分析

9.  高速變形測量

10. 動態應變測量,如疲勞試驗

11. 諧振、沖擊和噪聲激勵

12. 蠕變和老化過程的特性分析

13. 各種各向同性和各向異性材料變形特性

 

二、系統特色

1. 系統技術先進:國內首個自主研發的數字圖像相關法三維變形測量系統;自主知識產權的核心算法,技術指標達到國外先進水平。

2. 系統應用范圍廣:可用于機械、材料、力學、建筑、土木等多個學科的科學研究與工程測量中,適用于大部分材料,實時獲得被測物全場三維坐標、位移、應變數據。

3. 系統配置靈活:支持幾毫米到幾米的測量幅面;支持百萬至千萬像素相機,支持低速到高速相機,支持千兆網和Camera Link等多種相機接口;支持任意數目相機的同時標定,支持外部圖像標定,。

4. 系統兼容性強:同時兼容單相機二維測量和多相機三維測量;兼容32位、64位系統

5. 輔助功能強大:具備圓形標志點動態變形測量功能;具備剛體物體運動軌跡姿態測量功能。

6. 擴展接口豐富:具備萬能試驗機接口,實時采集試驗機的力、位移等信號;具備杯突實驗機接口,可以測量材料的FLC曲線;具備體式顯微鏡接口,可以實現微小型物體的三維全場變形應變檢測;支持多相機組同步測量,可以同步測量多個區域的變形應變;系統具備多路A/D輸入、多路D/A輸出、多路開關量輸入和輸出,并可靈活進行擴展。



  三、系統功能

系統基于數字圖像相關法、雙目立體視覺及近景攝影測量技術,通過相機拍攝的被測物變形過程中的散斑圖像,快速檢測被測物的全場三維坐標、位移、應變數據,測量結果三維彩色顯示。系統的主要功能包括基本測量功能、分析報告功能、采集控制功能、系統輔助功能以及系統擴展接口等,具體如下:

1)基本測量功能

1. 測量幅面:支持幾毫米到幾米的測量幅面,根據需求可定制更多測量幅面。

2. 測量相機:支持百萬至千萬像素相機,支持低速到高速相機,支持千兆網和Camera Link等多種相機接口。

3. 相機標定:支持1-8個相機的同時標定,支持外部圖像標定。

4. 測量模式:同時兼容單相機二維測量和多相機三維測量。

5. 實時測量:采集圖像的同時,可以實時進行全場應變計算,而不是事后處理。

6. 計算模式:具備自動計算和自定義計算兩種模式。

7. 測量結果:全場三維坐標、位移、應變數據等動態變形數據,應變模式有工程應變、格林應變、真實應變等三種。

8. 多工程:系統軟件支持多工程計算、顯示及分析。

9. 支持系統:同時支持32位、64位系統,具備多線程加速計算功能。


2)分析報告功能

1. 18種變形應變計算功能:X、Y、Z、E三維位移;Z值投影;徑向距離、徑向距離差;徑向角、徑向角差;應變X、應變Y和應變XY;最大主應變;最小主應變;厚度減薄量;Mises應變;Tresca應變;剪切角。

2. 坐標轉換功能:321轉換、參考點擬合、全局點轉換、矩陣轉換等多種坐標轉換功能。

3. 元素創建功能:可以創建三維點、線、面、圓、槽孔、矩形孔、球、圓柱、圓錐等多種三維元素。

4. 分析創建功能:可以創建點點距離、點線距離、點面距離、線線夾角、線面夾角、面面夾角等多種分析。

5. 數據平滑功能:均值,中值,高斯濾波等多種平滑功能。

6. 數據插值功能:自動和手動兩種數據插值模式。

7. 材料性能分析:自動計算材料的彈性模量和泊松比等參數。

8. 三維截線功能:可對三維測量結果進行直線或圓形截線分析。

9. 曲線繪制功能:所有測量結果均可以繪制成曲線圖。

10.FLD分析功能:可繪制和編輯FLD成形極限曲線。

11.視頻創建功能:可將測量過程二維圖像或者三維測量結果制作成視頻并輸出保存。

12.數據輸出功能:測量結果及分析結果輸出成報表,支持TXT,XLS,DOC文件的輸出。


3)采集控制功能

系統控制觸發和數據采集

1. A/D采集:三路模擬量輸入采集,A/D采集的量程由軟件控制,可選量程:±10V、±5V、±2.5V、010V。

2. 多種外部觸發信號類型選擇:模擬信號、TTL電平、光電隔離、差分輸入。模擬信號電平可選擇:+10V、+5V、0V、-5V、-10V。

3. 相機同步控制:多相機外同步觸發信號。

4. LED燈控制:控制LED光源。


4)擴展接口:

1. 試驗機接口:實時采集試驗機的力、位移、溫度等信號,并與三維全場應變測量數據實現同步。

2. FLC曲線測量:配合杯突試驗機,參考ISO 12004-2: 2008標準進行Nakazima試驗可以測得材料的FLC成形極限曲線。

3. 多測頭同步檢測:支持多相機組同步測量,相機數目任意擴展,可以同步測量多個區域的變形應變,適用于大型物體或者回轉型物體的變形應變測量。

4. 顯微應變測量:配合雙目體式顯微鏡,系統可以實現微小型物體的三維全場變形應變檢測。

5. 標志點動態變形檢測:具備圓形標志點動態變形測量功能。

6. 運動軌跡姿態檢測:具備剛體物體運動軌跡姿態測量功能。

 




四、 系統測試流程

XTDIC數字散斑三維全場應變測量分析系統的測量流程主要包含工程分析、散斑制備、系統標定、實驗采集、數據處理、數據分析六個大步驟,每個步驟都有一些需要注意的問題?珊饬康臏y量注意點,可重復的操作步驟,是系統測量精度的一大保證。



五、 系統應用案例

1)混凝土材料受壓變形

                       圖:現場XTDIC設備擺放



                         圖:XTDIC軟件計算界面


2)樓房模擬地震振動臺試驗

建筑模型結構平面尺寸為9.84m×3.2m,高度超10m,由四座塔樓組成,分布在兩個剛性底座上,上部設置連橋,進行超高層建筑模擬地震振動臺實驗研究,研究不同水準作用下結構的動力熱性和動力響性。

                        圖:樓房模型表面貼上標志點


                      圖:XTDIC軟件計算各標志點位移



3)一體化改造結構抗震比對實驗

驗證一體化改造設計理念的可行性進行整體模型的振動臺對比試驗。試驗選取上世紀80年代左右建成的典型砌體結構老公房住宅樓中的一個單元,按照幾何縮放比例1比4建造3個整體模型。其中模型A為原模型,用于對比分析;模型B和C將增設電梯與抗震加固、加層一體化設計。通過對比原模型與一體化改造后的模型在遭受不同水準地震工況下的結構位移、加速度相應、破壞情況以及動力特性,從而深入、直觀的了解采用一體化改造設計后結構的抗震性能。


                 圖:建筑結構振動測試


4)混凝土材料受壓實驗


                         圖:XTDCI系統現場擺放情況


                   圖:XTDIC軟件計算全場應變情況




5)墻體實驗


                       圖:XTDIC系統現場擺放





                        圖:XTDIC軟件計算示意




(6)邊坡振動實驗

                        圖:XTDIC設備現場測試


                       圖:XTDIC軟件計算示意



                       圖:某點X方向位移曲線




七、主要用戶群體

非接觸式光學測量系統產品為已為眾多中大型企業、大學及科研機構,如清華大學、同濟大學、東南大學、南京航空航天大學、中國礦業大學、三一重工股份有限公司、蘇州海陸重工股份有限公司、中國飛行試驗研究院、中國飛機強度所、成都飛機設計研究所、中船重工708所、中科院力學所、中國水科院、山西太鋼集團、英國Newcastle大學、美國Purdue大學、英國Glasgow大學等高校及企業提供產品與服務。











 
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