Badania elementów i zespołów maszyn (MMM4035L) Ćwiczenie nr 1 Analiza rozkładu przemieszczeń i odkształceń zarejestrowanych z użyciem cyfrowej korelacji obrazu na powierzchniach wybranych elementów maszyn Opracowanie: Karolina Burzyńska, Klaudia Szkoda 1. Metoda cyfrowej korelacji obrazu (DIC) Cyfrowa korelacja obrazu (Digital Image Correlation) pozwala na pomiar deformacji powierzchni badanego obiektu. Wykrywanie przemieszczeń oraz lokalnych odkształceń możliwe jest w obszarach nieciągłości geometrycznych i niejednorodności materiałowych. Metoda cyfrowej korelacji obrazu wykorzystywana jest w optycznych, bezdotykowych i trójwymiarowych systemach do pomiaru przemieszczeń i odkształceń w czasie rzeczywistym. System DIC umożliwia zarejestrowanie obrazów plamkowych za pomocą kamer CCD, natomiast dalsza analiza i przetwarzanie danych odbywa się za pomocą cyfrowych metod komputerowych. Konstrukcja systemów DIC zapewnia szeroki zakres zastosowań oraz badanie różnego rodzaju materiałów. System DIC gwarantuje wymaganą dokładność w obszarze od mikro odkształceń do deformacji plastycznych. Automatyczna procedura kalibracji pozwala z łatwością na przygotowania systemu, co bezpośrednio skraca czas pomiaru. Integracja wielu kamer (do 8 kamer w zależności od wykorzystywanego systemu) daje możliwość zwiększenia dokładności i zebrania informacji z całej powierzchni próbki np. cylindrycznej. Zasada działania systemu cyfrowej korelacji obrazu [1] (rys. 1) polega na oświetleniu oraz analizie intensywności światła odbitego od powierzchni badanego obiektu w stanie początkowym f(x, y) (niezdeformowanym) i w stanie zdeformowanym f1(x1, y1). W taki sposób przeprowadza się pomiar odkształcenia w obszarze stref o niewielkich powierzchniach, aby następnie uzyskać deformacje rzeczywistej powierzchni obiektu. 1 S t r o n a
Rys.1. Schemat analizy niezdeformowanego i zdeformowanego obrazu powierzchni [1] Idea metody cyfrowej korelacji obrazu bazuje na zasadach mechaniki ośrodka ciągłego [3][4]. W metodzie tej rozpatrywane są zmiany zachodzące w wymiarach obiektu oraz położeniu niewielkich linowych odcinków (rys.2) określanych między dwoma punktami w stanie przed (P, Q) i po deformacji (P1, Q1). Odcinki te opisywane są odpowiednimi równaniami w trójwymiarowym układzie współrzędnych kartezjańskich. Rys.2. Charakterystyczne wielkości powierzchni przed (R) i po (R1) deformacji [1] Pomiar deformacji powierzchni próbki w danym obszarze wyznaczany jest poprzez składowe wektora przemieszczenia. Wartości odkształceń obliczane są dla każdego obszaru metodą różnic skończonych. Schematyczne przedstawienie metody cyfrowej korelacji obrazu przedstawia rys.3. 2 S t r o n a
Rys.3. Schematyczne przedstawienie metody cyfrowej korelacji obrazu [2] Przygotowanie próbek jest niezbędnym etapem do przeprowadzenia doświadczenia. Powierzchnia próbki powinna mieć naniesiony charakterystyczny i unikalny wzór, dzięki któremu program będzie w stanie porównać obrazy plamek przed oraz po obciążeniu. Nanoszenie wzoru może odbywać się różnymi technikami m.in. poprzez napylanie farby w aerozolu, jak również nanoszenie drobnych ziaren na powierzchnie próbki. Na rysunku 4 przestawiono wybrane wzory naniesione na próbki. Rys. 4. Przykładowe wzory naniesione na próbki: (a) nadrukowany wzór na płaską powierzchnie, (b) i (c) napylenie farby w aerozolu na powierzchnie próbki. 2. Zastosowanie oraz zalety i wady Metoda cyfrowej korelacji obrazy znajduje zastosowanie w analizie właściwości mechanicznych różnych rodzajów materiałów (rys.5.). Pozwala na polową analizę rozkładów przemieszczeń i odkształceń oraz wykrywanie pęknięć na powierzchniach badanych 3 S t r o n a
materiałów (rys.6.). Metoda ta wykorzystywana jest również w analizie modalnej oraz pomiarze kształtu badanych obiektów, również kompozytów (rys.7). Za pomocą cyfrowej korelacji obrazów można przeprowadzić walidację modeli metody elementów skończonych. Rys. 5. Obraz rzeczywisty próbki (po lewej), maksymalne odkształcenia liniowe (po środku), rozkład odkształceń liniowych (po prawej) [7] Rys. 6. Obraz rzeczywisty próbki (po lewej) i rozkład odkształceń liniowych (po prawej) [7] Rys. 7. Obraz rzeczywisty próbki (po lewej) i rozkład przemieszczeń na powierzchni (po prawej) [7] Zalety metody cyfrowej korelacji obrazu: bezkontaktowy pomiar; powierzchniowe obrazy (rozkłady) przemieszczeń i odkształceń; zakres pomiarowy rozpoczynający się od skali nano do większych skali; czułość pomiaru: wyznaczenie przemieszczenia aż do 1 / 100,000 pola widzenia w zależności od warunków pomiarowych (np. czułość pomiaru do 1µm w polu widzenia 100mm); wyznaczenia przemieszczeń i odkształceń w dowolnym obszarze strefy pomiarowej. Wady metody cyfrowej korelacji obrazu: 4 S t r o n a
kłopotliwe przygotowanie powierzchni próbki techniką natryskiwania; wysoka intensywność (czasochłonność) obliczeń; w przypadku małych próbek wymagane jest wykorzystanie dodatkowego oświetlenia. 3. Stanowisko pomiarowe W większości praktycznych przypadków system wyposażany jest w układ dwóch kamer cyfrowych. Schemat stanowiska pomiarowego wykorzystywanego do analizy badanego obiektu metodą korelacji obrazu przedstawia rys.8. Przed przystąpieniem do zasadniczego testu przeprowadzana jest kalibracja kamer na obiekcie nieobciążonym. Zazwyczaj do kalibracji systemu wykorzystywana jest płytka kalibracyjna. Procedura kalibracji stanowiska przedstawiona została w punkcie 4. Rys. 8. Schemat stanowiska pomiarowego [5] 4. Procedura kalibracja stanowiska Kalibracja kamer polega na zdefiniowaniu obszaru (konturu) do analizy oraz zarejestrowaniu jego kształtu. Cały proces odbywa się w oparciu o zasadę korelacji oraz metody poszukiwania punktów o jednakowych współrzędnych. Procedura kalibracji stanowiska pomiarowego przebiega w następujący sposób: 5 S t r o n a
1) Uruchom sprzęt komputerowy, podłącz kamery, podłącz klucz licencyjny, itd. 2) Uruchom program Istra4D a. Wybierz folder do zapisu danych b. Konfiguruj sprzęt komputerowy, wybierz Hardware Activate (3 x yes -> Activate) c. Otwórz obraz Live image view. Rozpocznij nową korelację new correlation setup (włączenie widoczności kamer) 3) Konfiguracja kamery a. Ustaw obie kamery tak, żeby obszar zainteresowania znajdował się na środku obu kamer (kąt pomiędzy kamerami powinien wynosić od 40 do 60 ). b. Otwórz przesłonę (zmień na najmniejszą wartość, np. 1.4) c. Ustaw ostrość używając widoku "Gray Min Max". d. Przymknij przesłonę do ustawienia pomiarowego (zmień na ~8) e. Ustaw czas ekspozycji dla każdej kamery. Znowu użyj widoku "Gray Min Max" (wybierz punkt, w którym czerwone piksele zanikają w rejonie zainteresowani). Sprawdź ilość klatek. 4) Kalibracja a. Zacznij nową kalibrację. b. Wybierz typ płytki kalibracyjnej. 6 S t r o n a
c. Ustaw cel kalibracji taki, żeby jak najbardziej wypełniał obraz. Ustaw cel w programie. Obróć kamery i ustaw cel tak, żeby wypełniał obrazy z obu kamer. d. Zielone kółka - dobrze, czerwone - nie wystarczająca liczba kątów, niebieskie - nie można znaleźć środkowego znaku. e. Wyreguluj jasność dla kalibracji (użyj automatycznego przyrostu). f. Zmień ustawienia kalibracji (ilość zdjęć kalibracyjnych itp.) g. Zacznij kalibrację, wykonaj 8-12 zdjęć pod różnym kątem, zatrzymaj kalibrację. h. Wartość kalibracji powinna wynosić 0.3-0.5, jeśli jest powyżej 1, powtórz kalibrację. i. Wybierz wyniki jako domyślne dane projekcji. 5. Rejestracja rozkładu przemieszczeń i odkształceń (ISTRA 4D) Kolejny etap jest już proces obciążania badanego obiektu, podczas którego wyznacza się składowe stanu przemieszczenia w przestrzeni dwu- bądź trójwymiarowej. Określone wartości przemieszczeń wykorzystywane są następnie do obliczania składowych stanu odkształcenia w postaci obrazu polowego. Procedura rejestracji rozkładu przemieszczeń i odkształceń przeprowadzana jest w następujący sposób: 5) Uzyskiwanie obrazów a. Otwórz widok "Live image" b. Zacznij nagrywanie, podaj nazwę. c. Zrób zdjęcie referencyjne, potem wczytaj przykłady i zrób zdjęcie dla każdego kroku. d. Przerwij nagrywanie. 6) Ocena a. Kliknij na serię danych w folderze i potem kliknij na ikonę "Start new evaluation". 7 S t r o n a
b. Wybierz "Universal Correlation Evaluation" c. Kliknij przycisk start. d. Jeśli proces zakończy się niepowodzeniem, sprawdź pozycję punktu startowego, ustawienia, wybór daty wejściowej. Opcjonalnie, stwórz maskę. 7) Wizualizacja a. Otwórz "Visualization" albo "3D Visualization". 6. Analiza wyników Analizę wyników należy rozpocząć w momencie, gdy proces ewaluacji zakończy się powodzeniem. W tym celu należy otworzyć wizualizację dla wybranej grupy danych (wybierz odpowiedni w Repository Explorer). Po wybraniu w Repository Explorer odpowiedniego pliku korelacji, wybierz prawym przyciskiem myszy Defoult Visualization. W zakładce Step selection należy wybrać odpowiedni krok oraz krok referencyjny. Dzięki temu otrzymane wyniki będą odniesione do kroku referencyjnego. Następnie w zakładne Graphics wybierz rodzaj parametru, który ma być poddany analizie. Do dyspozycji jest cała lista parametrów m.in.: Przemieszczenia (Displacement) Przemieszczenia w postci siatki deformacji (Displacement/RBMR Grid) Przemieszczenia w postaci wektorów (Displacement/RBMR Quiver) 8 S t r o n a
Po wyborze parametru możliwe jest przedstawienie wyników na modelu 3D. Prawym przyciskiem myszy najedz na nazwę korelacji a następnie wybierz 3D Model Display. Rys. 9. Przykładowy rozkład przemieszczeń na powierzchni opony samochodowej - widok z obu kamer (po lewej) oraz wizualizacja 3D rozkładu przemieszczeń ( po prawej) 7. Sprawozdanie zadania do wykonania 1) Opis przeprowadzonego doświadczenia oraz obiektu badań. 2) Analiza wyników. 3) Opis wybranego przykładu zastosowania metody cyfrowej korelacji obrazu w badaniach zespołów i elementów maszyn. 4) Wnioski. 9 S t r o n a
8. Literatura [1] Chu T.C., Ranson W.F., Sutton M.A, Peters W.H., Application of digital-image-correlation techniques to experimental mechanics, Experimental Mechanics, 25(3), 1985, 232-244. [2] Lagattu, F., Brillaud, J., Lafarie-Frenot, M. C., High strain gradient measurements by using digital image correlation technique. Materials characterization, 53(1), 2004, 17-28. [3] Fung Y.C., Foundations of solid mechanics, Prentice Hall Inc., Englewood Cliffs, NJ 1965. [4] Novozhilov V.V., Theory of elasticity, U.S. Department of commerce translation, 1861. [5] Instrukcja obsługi system ARAMIS 4M firmy GOM. [6] Instrukcja obsługi system Q-400 ISTRA 4D. [7] http://www.dantecdynamics.com/measurement-principles-of-dic [z dnia 30.09.2016]. 10 S t r o n a