Применение метода корреляции цифровых изображений для изучения процессов деформации и разрушения материалов

Введение
Измерение смещения/деформации в любой точке элемента конструкции/материала, подвергающегося внешним нагрузкам, активно применяется во многих инженерных приложениях. Полученные значения деформации используются для визуализации проблем с прочностью элемента конструкции.
Обычные приборы для измерения деформаций (например, тензометрические датчики, экстензометры) не могут создавать карты деформаций. Измерение деформации в полном поле возможно с помощью цифровой корреляции изображений (digital image correlation (DIC)). Этот метод относится к группе оптических, неинтерферометрических методов, которые определяют деформацию путем сравнения изменений в изображении поверхности исследуемого объекта до и после деформации [1]. Метод DIC позволяет проводить новые и более сложные исследования. Метод DIC был внедрен в 1980-х годах [2-5]. С тех пор качество цифровых изображений значительно улучшилось, и было внесено множество существенных изменений в алгоритмы.
В настоящее время метод DIC с высокой чувствительностью и точностью используется для тестирования образцов, а в последнее время и целых конструкций. Его можно использовать как в лабораторных условиях, так и на открытом воздухе. DIC -фактор методики применяются не только в области машиностроения, но и в медицине, горном деле, охране культурного наследия и т.д. [6-11].
В данной исследовательской работе представлены примеры применения метода DIC для тестирования дорожных материалов. В начале описаны теоретические основы, преимущества и ограничения метода DIC. Затем представлена реализация этого метода для лабораторных испытаний отдельных материалов, используемых в дорожном строительстве. Широкий спектр изученных материалов позволил выявить области, в которых метод ДВС и используемые в нем алгоритмы дают значительное преимущество перед традиционными и тензометрическими методами измерений.
 
1. Система цифровой корреляции изображений (DIC) для регистрации и анализа полей перемещений/деформаций
Цифровая корреляция изображений (DIC) - это точный, бесконтактный и неинтерферометрический оптический метод, используемый для измерения смещения/деформации конструктивного элемента / материала, подвергающегося внешней нагрузке. Идея метода DIC основана на принципах механики сплошной среды (механики твердого тела) [12]. Система состоит в основном из цифровой камеры/фотоаппаратов и специализированного компьютерного программного обеспечения (например, программы Istra 4D [8]). Камера/камеры используются для захвата последовательных изображений (фотографии/рисунки) поверхности испытуемого объекта/материала до и во время периода деформации.
Полученные цифровые данные изображения (серия фотографий) анализируются с помощью программного обеспечения DIC (компьютерных программ). Применяется математический корреляционный анализ. Наконец, создается набор карт перемещений/деформаций для всей поверхности образца [4,6,13]. Поля напряжений могут быть оценены по полям деформаций.
Измерение перемещений/деформаций с использованием системы DIC требует выполнения следующих последовательных этапов [8,12]:
• Подготовка поверхности анализируемого образца (нанесение рисунка);
• Калибровка прибора в соответствии с требуемой процедурой (с использованием системы калибровки DIC);
• Запись изображений поверхности исследуемого объекта/материала до и во время его перемещения/деформации;
• Анализ изображения (оценка) с использованием специализированной компьютерной программы (софта);
• Визуализация результатов.
Вначале необходимо подготовить исследуемый образец, нанеся на его поверхность уникальный рисунок из случайных крапинок/точек (рисунки 1-3). Крапчатый узор может быть естественной текстурой ткани, поверхность образца или, во многих случаях, искусственно нанесенная путем распыления черной краски на белый фон поверхности образца (рис. 1-3). Могут быть применены и другие методы [1].

Рисунок 1. DIC- метод [17]. (The Creative Commons Attribution (CC BY 4.0) license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)).

Рисунок 2. Метод DIC — эталонное изображение: грани (также называемые подмножествами), отмеченные синими квадратами, и центральные точки граней/подмножеств, расположенные на пересечении желтой виртуальной сетки [17,18] (The Creative Commons Attribution (CC BY 4.0) license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/))

Рисунок 3. Графическая иллюстрация деформации выбранной области отсканированной поверхности (квадратной грани/подмножества/ подизображения) в двумерной системе координат [17,18] (The Creative Commons Attribution (CC BY 4.0) license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)).

Перед загрузкой исследуемого объекта/поверхности материала и перед съемкой фотографий во время его деформации требуется выполнить калибровку/позиционирование устройства (камеры/фотоаппаратов) в соответствии с соответствующей процедурой, например, с использованием специальной калибровочной пластины (мишени) (рис. 4) [8,16].

Рисунок 4. Система 3D-DIC- калибровка: (а) Пример калибровочной мишени; (б) Калибровочное

Далее, фотография/рисунок/изображение перед загрузкой (“эталонное изображение”), а затем серия фотографий в течение периода деформации (рис. 1) исследуемый образец подвергается надлежащему освещению. Как правило, используется система DIC, оснащенная одной или двумя цифровыми камерами (рис. 5 и 6) [8,9,17].