数字图像相关法焊接热影响区高温应变原位测量及残余应力表征
发布时间：2021-09-22 03:59
焊接过程是一个局部不均匀加热的过程,不均匀温度场会导致热应力产生,造成残余塑性变形和残余应力,以及引起结构变形,由此会影响到结构的刚度、强度及稳定性,从而导致结构承载能力降低。焊接残余应力和残余变形在某种程度上会影响焊接结构的承载能力和服役寿命,残余变形及残余应力测量对控制焊接残余应力、改善工艺具有重要指导作用。精确测量和表征焊接过程产生的应变及残余应力分布,并提供有效、充足的焊接构件应力状态信息是亟待解决的难题,具有非常重要的工程实践意义。数字图像相关法是一种成熟的变形测量技术,依赖于相机、计算机等设备,具有非接触式、无损伤、全场测量和精度高等优点,测量准备工作简单。本文基于二维数字图像相关法、计算固体力学相关理论,将线性化的逐步增量变刚度法运用于焊接高温应变-应力分析与计算,提出了适用于焊接全场高温的应变-应力算法,开展了304不锈钢钨极氩弧焊（Gas Tungsten Arc Welding,GTAW）焊接热影响区全场焊接残余应力分布研究,并对全场应力测量精度影响因素进行分析验证。首先,基于二维数字图像相关法的应变测量方法、计算固体力学、弹塑性力学等理论,提出了适用于焊接高温热弹...
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
高斯热源加热半无限体示意图[1]
第一章绪论6方法的发展，从单点应变测量发展为全场应变测量。图1-2云纹干涉法的波前干涉原理[21]Fig.1-2Theoryofmoiréinterferometry[21]焊接残余应力机械释放测量方法还包括切割法，轮廓法，以及在此进一步改进的复合轮廓法等。切割法首先在待测构件表面贴应变片，然后对构件进行多次切割以释放残余应力，由测量得到的应变可对构件残余应力情况进行分析，在切割过程中须尽量减小引入塑性变形与热，该方法已广泛用在碳钢、铝、不锈钢焊接构件残余应力的测量分析中[28,29]。轮廓法最早于2000年提出，可用于测量构件指定截面上的残余应力，较切割法有更广区域的应力信息以及更好的测量精度。轮廓法主要利用切割面的变形信息进行有限元计算得到残余应力分布信息，其主要步骤如下：首先使用线切割方法对构件切割，其次使用激光扫描方式得到垂直于切割面的变形信息，接着对数据进行降噪，最后使用有限元对其进行分析。轮廓法仅能获得垂直于切割面的残余应力，而复合切割法则对构件进行多个垂直面切割，可获得二维的残余应力信息，复合轮廓法已得到广泛的实际应用[30,31]。机械释放测量残余应力的方法可根据对构件的破坏程度分为微损测量与破坏测量两类，钻孔法及与其相关的方法属于微损测量，应变片的选取与粘贴，针对不同材料钻头种类、钻速及下沉速度选择等都对残余应力测量结果有较大影响，而轮廓法等属于破坏性测量，测量后原构件无法使用，只能测量模拟件中的残余应力。1.2.3焊接残余应力无损测量焊接残余应力的无损测量方法主要有X射线衍射法及中子衍射等方法，衍射类测量方法基本原理基本一致。焊接后构件存在内应力，材料中晶体晶面间距由无应力状态的变为d，材料中晶体的晶面间距可由布拉格定律测量：与晶体晶面间距一
第一章绪论8图1-3典型二维数字图像相关法测量系统Fig.1-3Typicalopticalimageacquisitionsystemforthe2DDICmethod.数字图像相关法最早在1980年代于美国南卡罗来纳大学进行研究，Peter与Ranson提出了数字图像相关法的基本思想与理论模型[36]，随后Sutton等对该种方法进行了实现[37]。数字图像相关法原理主要包括用以描述区域变形状态的型函数、用以评定区域相关程度的相关系数计算函数、图像亚像素差值方法、搜索算法等重要方面，直至20世纪90年代，不同学者一直在对数字图像相关法的各个方面进行改进。形函数方面，H.Lu的研究表明二阶型函数较一阶型函数有更高的计算精度[38]。相关系数用以评判不同图像中不同区域的相似度，是数字图像相关法中最重要的部分之一，其不同的计算方式具有不同的计算准确度、计算效率与抗干扰能力，不同学者对相关函数的性能作出了归纳总结，可在不同实验环境中选取不同形式的相关函数，在一定程度上避免光照等不确定因素带来的误差，增强算法的抗干扰能力[39-43]。多种图像亚像素插值方法可在不同程度上提高计算结果的精度，但会极大增加搜索量，由此许多学者提出了许多有效的搜索策略：Sutton等在匹配算法中加入梯度下降搜索，在实现亚像素级搜索的基础上提高算法的运算速度[44]，Vendroux等针对传统的高斯-牛顿迭代算法提出改进，用整像素搜索结果作为亚像素搜索迭代初值，加快了算法迭代收敛速度，潘兵等对迭代过程进行优化，为减少重复计算对插值系数进行预计算，提高了计算速度[45,46]。二维数字数字图像相关法（2D-DIC）技术测量无法应用于物体三维变形的测量，近年来学者们又提出了基于立体视觉匹配的三维图像相关法（3D-DIC）。随着图像相关法原理的各方面的研究不断深入，测量精度不断提?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于原位测量的钨极惰性气体保护焊焊接过程高温应变表征与计算[J]. 周凯荣,陈建,陈玉喜,陈华斌,陈善本. 上海交通大学学报. 2016(10)
[2]316L不锈钢板TIG对接焊温度场及应力场数值模拟[J]. 林波,周尚荣. 焊接技术. 2009(04)
[3]激光全息小孔法验证超声波法残余应力无损测量[J]. 路浩,刘雪松,杨建国,方洪渊. 焊接学报. 2008(08)
[4]基于差分进化的数字图像相关方法[J]. 潘兵,谢惠民. 光电子.激光. 2007(01)
[5]云纹干涉与钻孔法测量残余应力的实验方法与系统[J]. 戴福隆,亚敏,谢惠民,吕坚. 实验力学. 2003(03)
[6]数字图像相关技术的综合算法及其在断裂力学中的应用[J]. 唐晨,闫海青,云大真,邢昌玉,张皞. 光学技术. 2003(01)
[7]焊接热源计算模式的研究进展[J]. 莫春立,钱百年,国旭明,于少飞. 焊接学报. 2001(03)
[8]盲孔法测量精度的研究─—边界及孔间距的影响[J]. 裴怡,包亚峰,唐慕尧,黄兰林. 焊接学报. 1994(03)
[9]用激光散斑剪切干涉法及钻孔释放法测定残余应力[J]. 张鸿庆,柯敬唐. 实验力学. 1986(03)
博士论文
[1]三维数字图像相关法的关键技术及应用研究[D]. 高越.中国科学技术大学 2014
硕士论文
[1]基于数字图像相关法的焊接高温应变在线测量及熔池图像分析[D]. 周雪.上海交通大学 2018
本文编号：3403096
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
高斯热源加热半无限体示意图[1]
第一章绪论6方法的发展，从单点应变测量发展为全场应变测量。图1-2云纹干涉法的波前干涉原理[21]Fig.1-2Theoryofmoiréinterferometry[21]焊接残余应力机械释放测量方法还包括切割法，轮廓法，以及在此进一步改进的复合轮廓法等。切割法首先在待测构件表面贴应变片，然后对构件进行多次切割以释放残余应力，由测量得到的应变可对构件残余应力情况进行分析，在切割过程中须尽量减小引入塑性变形与热，该方法已广泛用在碳钢、铝、不锈钢焊接构件残余应力的测量分析中[28,29]。轮廓法最早于2000年提出，可用于测量构件指定截面上的残余应力，较切割法有更广区域的应力信息以及更好的测量精度。轮廓法主要利用切割面的变形信息进行有限元计算得到残余应力分布信息，其主要步骤如下：首先使用线切割方法对构件切割，其次使用激光扫描方式得到垂直于切割面的变形信息，接着对数据进行降噪，最后使用有限元对其进行分析。轮廓法仅能获得垂直于切割面的残余应力，而复合切割法则对构件进行多个垂直面切割，可获得二维的残余应力信息，复合轮廓法已得到广泛的实际应用[30,31]。机械释放测量残余应力的方法可根据对构件的破坏程度分为微损测量与破坏测量两类，钻孔法及与其相关的方法属于微损测量，应变片的选取与粘贴，针对不同材料钻头种类、钻速及下沉速度选择等都对残余应力测量结果有较大影响，而轮廓法等属于破坏性测量，测量后原构件无法使用，只能测量模拟件中的残余应力。1.2.3焊接残余应力无损测量焊接残余应力的无损测量方法主要有X射线衍射法及中子衍射等方法，衍射类测量方法基本原理基本一致。焊接后构件存在内应力，材料中晶体晶面间距由无应力状态的变为d，材料中晶体的晶面间距可由布拉格定律测量：与晶体晶面间距一
第一章绪论8图1-3典型二维数字图像相关法测量系统Fig.1-3Typicalopticalimageacquisitionsystemforthe2DDICmethod.数字图像相关法最早在1980年代于美国南卡罗来纳大学进行研究，Peter与Ranson提出了数字图像相关法的基本思想与理论模型[36]，随后Sutton等对该种方法进行了实现[37]。数字图像相关法原理主要包括用以描述区域变形状态的型函数、用以评定区域相关程度的相关系数计算函数、图像亚像素差值方法、搜索算法等重要方面，直至20世纪90年代，不同学者一直在对数字图像相关法的各个方面进行改进。形函数方面，H.Lu的研究表明二阶型函数较一阶型函数有更高的计算精度[38]。相关系数用以评判不同图像中不同区域的相似度，是数字图像相关法中最重要的部分之一，其不同的计算方式具有不同的计算准确度、计算效率与抗干扰能力，不同学者对相关函数的性能作出了归纳总结，可在不同实验环境中选取不同形式的相关函数，在一定程度上避免光照等不确定因素带来的误差，增强算法的抗干扰能力[39-43]。多种图像亚像素插值方法可在不同程度上提高计算结果的精度，但会极大增加搜索量，由此许多学者提出了许多有效的搜索策略：Sutton等在匹配算法中加入梯度下降搜索，在实现亚像素级搜索的基础上提高算法的运算速度[44]，Vendroux等针对传统的高斯-牛顿迭代算法提出改进，用整像素搜索结果作为亚像素搜索迭代初值，加快了算法迭代收敛速度，潘兵等对迭代过程进行优化，为减少重复计算对插值系数进行预计算，提高了计算速度[45,46]。二维数字数字图像相关法（2D-DIC）技术测量无法应用于物体三维变形的测量，近年来学者们又提出了基于立体视觉匹配的三维图像相关法（3D-DIC）。随着图像相关法原理的各方面的研究不断深入，测量精度不断提?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于原位测量的钨极惰性气体保护焊焊接过程高温应变表征与计算[J]. 周凯荣,陈建,陈玉喜,陈华斌,陈善本. 上海交通大学学报. 2016(10)
[2]316L不锈钢板TIG对接焊温度场及应力场数值模拟[J]. 林波,周尚荣. 焊接技术. 2009(04)
[3]激光全息小孔法验证超声波法残余应力无损测量[J]. 路浩,刘雪松,杨建国,方洪渊. 焊接学报. 2008(08)
[4]基于差分进化的数字图像相关方法[J]. 潘兵,谢惠民. 光电子.激光. 2007(01)
[5]云纹干涉与钻孔法测量残余应力的实验方法与系统[J]. 戴福隆,亚敏,谢惠民,吕坚. 实验力学. 2003(03)
[6]数字图像相关技术的综合算法及其在断裂力学中的应用[J]. 唐晨,闫海青,云大真,邢昌玉,张皞. 光学技术. 2003(01)
[7]焊接热源计算模式的研究进展[J]. 莫春立,钱百年,国旭明,于少飞. 焊接学报. 2001(03)
[8]盲孔法测量精度的研究─—边界及孔间距的影响[J]. 裴怡,包亚峰,唐慕尧,黄兰林. 焊接学报. 1994(03)
[9]用激光散斑剪切干涉法及钻孔释放法测定残余应力[J]. 张鸿庆,柯敬唐. 实验力学. 1986(03)
博士论文
[1]三维数字图像相关法的关键技术及应用研究[D]. 高越.中国科学技术大学 2014
硕士论文
[1]基于数字图像相关法的焊接高温应变在线测量及熔池图像分析[D]. 周雪.上海交通大学 2018
本文编号：3403096
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