Разработка автоматической системы анализа спекл-фотографий и электронных спекл-изображений для исследования закономерностей пластической деформации

Традиционно одной из интереснейших тем в теоретической и прикладной физике является проблема деформации твердого тела. И это не случайно, так как она связана с насущными потребностями современного производства: различного рода деформации материалов в конструкциях и объектах способны не только вывести из строя отдельные механизмы, но и привести к катастрофическим последствиям (разрушению мостов, зданий и т. д.).

Развитие современного производства тесно связано с решением задач прочности. Первым и важнейшим этапом в решении этих задач при проектировании конструкций (машин, объектов) является определение деформаций, напряжений и перемещений в их элементах, воспринимающих нагрузки. Сложность этих задач в настоящее время требует применения экспериментальных и численных методов, получивших в последние годы существенное развитие.

Высокая эффективность современных численных методов теории упругости и пластичности, использующих ЭВМ, не устраняет необходимость применения экспериментальных методов при решении различного рода теоретических и практических задач.

Существуют задачи определения полей деформаций и напряжений и задачи определения деформаций и напряжений в известных заранее точках или сечениях детали. Когда необходимо установить в элементе конструкции наиболее напряженные точки и сечения или получить для расчета значения градиентов деформаций и напряжений, решают задачу определения полей деформаций и напряжений. Кроме того, эту задачу необходимо решать и при обеспечении прочности, жесткости и снижения материалоемкости конструкций, а также в тех случаях, когда распределение деформаций и напряжений в процессе работы конструкции изменяется. Поэтому так важно использование эффективных методов определения точности и достоверности полученных экспериментальных данных.

В настоящее время при измерении деформаций твердого тела применяются различные методы, прошедшие достаточно длительный путь развития. Их описание и анализ практического применения для исследования деформаций, напряжений и перемещений в элементах конструкций при их испытаниях в лаборатории, на стендах и в эксплуатационных условиях содержится в многочисленных публикация отечественных и зарубежных авторов [1 — 5 и др.].

Ряд экспериментальных методов (сетки, муар, фотоупругость и др.) можно назвать традиционными методами, которые различаются уровнем сложности подготовки и проведения исследований, применяемой аппаратурой, особенностями взаимодействия с образцами, а также материалом, из которого эти образцы изготовлены, чувствительностью, точностью результатов и др.

Один из самых распространенных экспериментальных методов — измерение с помощью механических и оптических тензометров. Несмотря на разнообразие конструктивных исполнений, в основе их работы лежит один принцип — определение изменения базы, ограниченной считывающими элементами тензометра [8]. Различные типы тензометров применяются для решения ряда задач изучения деформаций: измерения деформаций в отдельных точках (датчики механические, оптические, струнные, емкостные, пьезоэлектрические, индуктивные и др.) и для получения обобщенной картины деформированного состояния (электротензометры). К достоинствам последних относятся возможность измерения в труднодоступных местах и большое отдалении от регистрирующей аппаратуры, обработка результатов в реальном времени, низкая инерционность и др. Но у этого метода есть и свои недостатки: тензорезисторы являются датчиками однократного действия, результаты измерений зависят от условий окружающей среды, например температуры, и качества монтажа датчика и др. [9].

Наиболее простым из оптических методов в плане используемой аппаратуры является метод делительных сеток, который по изменению расположения и конфигурации нанесенных на исследуемую поверхность систему точек и линий позволяет определить перемещения, деформации, скорости и другие исследуемые величины.

Фиксируемую оптическую картину перемещений при деформациях можно получить методом муаровых полос (логическим продолжением метода сеток), который основан на явлении образования квазиинтерференционных полос (оптическая картина перемещений получается при наложении друг на друга деформированного образца с нанесенной на него измерительной решетки и эталонной решетки).

Поляризационно-оптический метод (метод фотоупругости) используют при определении напряженного состояния модели деталей и конструкций, выполненных из прозрачных оптически чувствительных материалов. Он основан на поляризации света и свойстве большинства прозрачных изотропных материалов приобретать под действием нагрузки способность двойного лучепреломления.

Поляризационно-оптический метод можно применять и для изучения непрозрачных объектов, на поверхность которых наносят тонкий слой оптически чувствительного материала. При этом отпадает необходимость в изготовлении модели из дорогого оптически чувствительного материала. Данный метод называют методом оптически чувствительных покрытий. Используемая аппаратура сравнительно проста, но сложность метода связана с выбором толщины покрытия, от которой зависит точность измерения.

Аналогичным методу оптически чувствительных покрытий является метод хрупких тензочувствительных покрытий и отличается от него типом используемых материалов и, соответственно, последующей интерпретацией экспериментальных данных.

Среди других методов стоит также упомянуть ультразвуковой метод определения напряжений, который требует специального оборудования.

Принципиально новые возможности в экспериментальной физике открыло использование голографических интерференционных методов измерения, связанных с бесконтактным определением полей перемещений и деформаций поверхности образца или элемента конструкции. Кроме того, гологра-фическая интерферометрия позволила по-новому подойти к использованию традиционных методов и существенно расширить их возможности [1]. Сюда относятся получение и исследование контурных карт объектов неправильной формы, исследование фотоупругости с помощью голографии, а также спекл-интерферометрия и др.

Физические основы голографии и голографической интерферометрии диффузно-отражающих объектов, необходимые для практического применения в экспериментальной механике, изложены в ряде изданий отечественных авторов [4 — 7, 10 — 12 и др.]. Среди них наибольший интерес представляет книга Ю. И. Островского, В. П. Щепинова, В. В. Яковлева [1].

Голографическая интерферометрия — это способ получения и интерпретации интерференционных картин, образованных волновыми фронтами, если, по крайней мере, один из них восстановлен при помощи голограммы. Этот способ позволяет измерить оптическую разность хода интерферирующих волн, которая может быть обусловлена изменением формы и положения исследуемого объекта в пространстве, оптических характеристик среды или объекта, а также длин интерферирующих волн и др. У этого метода есть свои достоинства и недостатки. К последним можно отнести громоздкость и высокая цена экспериментальных установок, а также относительная сложность интерпретации полученных данных. Привлекателен этот метод возможностью использования широкого диапазона волн, наличием нескольких схем записи голограмм, широким диапазоном решаемых задач и др. [10].

Логическим продолжением голографической интерферометрии стала спекл-интерферометрия. Описание методов спекл-интерферометрии и спекл-фотографии изложено в работах Ч. Веста [3] и И. С. Клименко [4]. Этот метод основан на спекл-эффекте, наблюдаемом оптическими приборами с ограниченной апертурой при отражении когерентной волны от диффузно-отражающей поверхности. При этом чувствительность интерференционных полос к величине и направлению смещения поверхности варьируется в значительно более широких пределах, чем в методах голографической интерферометрии. Кроме того, здесь не требуется очень высокой разрешающей способности регистрирующей среды, понижены требования к механической стабильности элементов и значительно упрощена автоматизированная оценка интерферограмм [4].

Целесообразность выбора экспериментального метода исследования деформаций зависит от характера решаемых задач: необходимость измерить деформации в отдельных точках (измерение величин деформаций и напряжений локально в наиболее нагруженных местах конструкций) или получить обобщенную картину деформированного состояния. Перечисленные методы решают широкий круг задач: исследование упруго пластических деформаций, изучение процессов разрушения или ползучести, деформация анизотропных тел, деформация в микрообластях, оценка температурных деформаций и напряжений, изучение динамических процессов, определение остаточных напряжений и др.

Каждый из перечисленных методов имеет свои достоинства и недостатки. Поэтому при выборе наиболее эффективного метода для решения конкретных задач исследования деформаций необходимо учитывать следующие параметры: сложность проведения эксперимента, условия взаимодействия с исследуемым образцом (контактные или бесконтактные измерения), требования к исследуемому образцу (материал и форма конструкции), чувствительность метода, точность, пределы измерений, границы погрешностей, объем получаемой информации.

Итак, как отмечалось выше, экспериментальные методы физических измерений сегодня достаточно разнообразны, быстро изменяются, многие вопросы их применения отражены в публикациях отечественных и зарубежных исследователей. Это связано с тем, что экспериментальные методы играют существенную роль при решении задач механики деформируемого твердого тела. В одних случаях они используются для проверки результатов теоретических расчетов или уточнения принятых математических моделей, в других — как единственно возможный способ решения определенных задач. Поэтому публикации о применении методов измерения деформаций требуют практического переосмысления в связи с различием подходов отдельных авторов, противоречивыми экспериментальными данными, отсутствием в некоторых случаях сведений о методах их обработкимногие работы носят иллюстративный характер и не доведены до практического применения [1].

Вследствие этого в настоящее время особенно актуальна разработка новых методов измерения деформаций твердого тела, их сравнение, выявление наиболее эффективных и их оптимизация.

Предмет исследований — локализованная пластическая деформация металлов и сплавав и ее количественные исследования с помощью различных вариантов спекл-фотографии и программно-аппаратные решения её применения.

Цель работы — разработка автоматической системы анализа спекл-фотографий и автоматизированного оптико-телевизионного комплекса применительно к исследованиям закономерностей локализованной пластической деформации.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1) разработка технических решений по созданию аппаратной части автоматической системы анализа спекл-фотографий с улучшенными относительно аналогов параметрами;

2) разработка аппаратной части автоматизированного оптико-телевизионного комплекса;

3) разработка алгоритмов обработки электронных спекл-изображений для получения информативных данных о локализованном пластическом течении;

4) экспериментальная проверка возможностей разработанного оптико-телевизионного комплекса и сравнение их совместно с методом классической спекл-фотографии.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Обоснована возможность разделения во времени процессов оптической обработки спекл-фотографий для получения поля векторов смещений точек поверхности деформируемого объекта и анализа получаемых из него расчетным путем пространственно-временных картин распределений компонент тензора пластической дисторсии. Предложенные решения, реализованные в автоматической системе анализа спекл-фотографий, повысили быстродействие и разрешающую способность относительно аналогов.

2. Разработаны конструкция и программное обеспечение автоматизированного оптико-телевизионного комплекса, предназначенного для анализа локализованной пластической деформации металлов, сплавов и неметаллических материалов, с возможностью исследования объектов размерами от 1 до 100 мм. Комплекс позволяет регистрировать цифровые спекл-изображения с частотой до 27 кадров в секунду при пространственном разрешении по смещениям не хуже, чем 1−10 мкм.

3. Использование разработанного комплекса в исследованиях развития локализованной пластической деформации позволило установить не наблюдавшиеся ранее закономерности развития таких процессов. Так, в частности, впервые удалось обнаружить существование малоамплитудных очагов, рождающихся и эволюционирующих в зонах, расположенных между основными высокоамплитудными очагами. На ряде промышленных сплавов (низкоуглеродистая сталь, дуралюминий) зафиксированы фронты локализованной пластической деформации, перемещающиеся в процессе всей деформации, и показано, что скорость их перемещения линейно убывает с ростом деформирующего напряжения.

Практическая значимость.

1. Автоматическая система анализа спекл-фотографий с улучшенными параметрами относительно аналогов позволяет регистрировать зоны локализованной пластической деформации при обработке металлов давлением (прокатка труб из сплавов циркония для ядерных реакторов).

2. Предложена конструкция автоматизированного оптико-телевизионного комплекса с возможностью десятикратного увеличенияполучен патент на полезную модель.

3. Лабораторный автоматизированный оптико-телевизионного комплекс используется в ИФПМ СО РАН для исследования закономерностей пластической деформации.

4. В 2010 году установки ALMEC-tv, разработанные с участием автора работы, изготавливаются по программе «Импортозамещение» СО РАН для Института горного дела СО РАН (Новосибирск) и Института физико-технических проблем Севера СО РАН (Якутск).

Личный вклад автора состоит в совместной с научным руководителем постановке задач диссертации, разработке концепции и конструктивных элементов приборов. Автором осуществлена сборка и юстировка приборов, написан один из вариантов программы обработки видеофайлов алгоритмом «вычитания кадров», предложен способ извлечения численной информации. Работы по созданию рабочего программного обеспечения, испытание, организация, проведение экспериментальных исследований, обработка и анализ полученных данных выполнены коллективом исследователей и инженеров при непосредственном участии автора.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на различных конференциях: Международной школе-конференции молодых ученых «Физика и химия наноматериалов» Россия, Томск, 13 — 16 декабря 2005 гXII Международной конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, 2006 г- «Mathematics and Computation to support Measurement Quality» Proceedings of the International Seminar, 28 — 30 июня 2006 г. — Saint-PetersburgIV Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук», Томск, 15−18 мая 2007 гThe 9th international symposium on measurement technology and intelligent instrument, 29 June — 2 July, 2009 Saint-Petersburg.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 7 научных работах, в том числе 1 статье в журнале из перечня ВАК, 1 в иностранном журнале. Получен патент на полезную модель.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка использованных источников. Основной текст диссертации изложен на 118 страницах, в 1 таблице и иллюстрирован 38 рисунками, список цитируемой литературы содержит 90 источников.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Создан автоматический малогабаритный прибор, предназначенный для расшифровки спекл-фотографий, получаемых при регистрации полей смещений в режимах активного нагружения и ползучести, по схемам растяжения, сжатия и изгиба плоских образцов. Производительность прибора при сканировании спекл-фотографий увеличена до 2 точек в секунду, что в 6. 10 раз выше по сравнению с ранее использованными для этих целей приборами.

2. Разработан автоматизированный оптико-телевизионный комплекс для компьютерного анализа поля векторов смещения при деформации по оптическим изображениям микрорельефа поверхности деформируемого материала. Комплекс позволяет визуализировать процесс пластической деформации в реальном времени и с достаточной информативностью исследовать объекты размерами 1. 100 мм.

3. С помощью автоматизированного оптико-телевизионного комплекса исследованы особенности развития зон локализации пластического течения в металлах, сплавах и неметаллических кристаллах и установлено, что.

— при пластической деформации сплава Д1, зарегистрированы области локализованной деформации, перемещающиеся по образцу в процессе всей деформации, определены скорости движения областей, построены графики зависимостей кинетики движения;

— скорость движения областей, зарегистрированных на сплаве Д1, прямо пропорциональна напряжению при деформации;

— скорость движения областей, зарегистрированных на сплаве Д1, прямо пропорциональна скорости деформации.