技術紹介

デジタル画像相関法を用いたひずみ分布計測
朝倉悠太 *1

Asakura Yuta

及川秀行 *2

Oikawa Hideyuki

近 年、 非 接 触 で 変 位 や ひ ず み の 分 布 が 計 測 可 能 な 手 法 と し て、 デ ジ タ ル 画 像 相 関 法（Digital ImageCorrelation）が注目されている。本稿では、デジタル画像相関法の概要について紹介する。また、鉄鋼材の引張試験を実施し、デジタル画像相関法により算出した引張方向のひずみ、ポアソン比および応力について、ひずみゲージや計算値と比較した結果について報告する。
キーワード：デジタル画像相関法（DIC）、ひずみ分布計測、非接触、画像解析で設置できる、③ゲージの接着不良などによる計

1. はじめに測への影響がない、④ 700℃以上の高温環境でも（4）ひずみ計測では、センシング部にひずみゲージ計測可能である 。

を使用するのが一般的である。しかしながら、ひ

本稿では、DIC の概要および鉄鋼材を用いた引ずみゲージは局所的なひずみの計測となるため、張試験を実施し、引張方向のひずみ、ポアソン比、ひずみゲージの位置、点数、間隔などの事前検討

応力について、DIC とひずみゲージや計算値とをは極めて重要である。また、ひずみゲージを多点比較した結果について紹介する。

貼り付ける場合、配線作業が複雑になるため、設2. DIC の概要（1）

置に時間を要する問題点がある 。
なお、ガスタービンやジェットエンジンなど高図 1 に DIC の計測原理の概略図を示す。はじめ

温でのひずみ計測の需要は多いが、約 700℃以上にに、試験体表面にスペックルパターンと呼ばれるラ（2）おけるひずみゲージを用いた計測は困難である 。

ンダムな斑点模様をスプレー塗料で塗布する（図 1

そこで、近年、ひずみゲージに替わる手法とし（a））。次に、CCD や CMOS カメラを用いて、変形て、デジタル画像相関法（Digital Image Correlation、前後のスペックルパターンを撮影する（図 1（b））。

以下 DIC）が注目されている。DIC は、試験体表面最後に、撮影した画像をサブセットと呼ばれる微に塗装されたスペックルパターンをカメラで撮影小領域（例えば 13 × 13pixel、23 × 23pixel など）に分し、変形前後の画像の相関から変位分布やひずみ割し、変形後の画像について、変形前のサブセッ（3）分布を計測する手法である 。DIC は、ひずみゲー

ト内のパターン分布と同じ分布のサブセットを画ジと比較して、以下の特長を有している。①非接像解析により探査する（図 1（c））。これにより、変触で広範囲のひずみ分布を計測できる、②短時間形前後のサブセットの移動量から、その点におけ*1：研究開発センター 研究開発グループ 一般計量士*2：計測事業部 計測技術部 福浦グループ 次長—

環境計量士（騒音・振動関係）

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試験体荷重光源

試験体

スプレー塗料PC

カメラ

スペックルパターン

三脚（a）スペックルパターンの作成

（b）パターンの撮影
サブセット

変形前

変形後（c）サブセット分割および解析図1

DIC の計測原理概略

る変位を算出する。それを撮影した画像全体に行（3）（5）うことで、変位やひずみ分布を算出する。カ

メラを 1 台使用した場合には、面内変形を計測することができる。また、カメラを 2 台使用した場
合、視差を利用することで面内変形に加え、奥行き方向、つまり、面外変形も計測することができ（6）

るが 、校正プレートを用いて、2 台のカメラの位置関係を校正する必要がある。図 2 に校正プレー
トの写真を示す。
図23. 実験方法

校正プレート

引張試験では、JIS 1B 号試験片（材質 SCM440、ペックルパターンを塗装した。図 3 に塗装前の引標点距離 200mm、幅 25mm、厚さ 3mm）を使用し張 試 験 片 の 写 真 を 示 す。DIC に は、Correlatedた。試験片中央には、ゲージ長 1mm の 2 軸ひずみ

Solutions 社製の VIC-3D コリレーションシステム

ゲージを貼り付け、ひずみゲージ貼付け面と同じを使用した。図 4 に DIC 装置設置時の写真を示す。

面にスプレー塗料を用いて、図 1（a）と同様のス

VIC-3D は、カメラを 2 台使用することで、面外方—47—

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図3

図4引張試験片

DIC 装置設置写真

向のひずみ分布も計測可能なものである。DIC シは、サブセットサイズを 17 × 17pixel に設定して解ステムは、カメラ、レンズ、光源、アナログ電圧析を行い、ひずみ分布を算出した。

入力ボックスおよび制御 PC から構成される。カ

4. 試験結果

メラの解像度は 2448 × 2048pixel の 5M ピクセルであり、使用したレンズは、焦点距離 35mm の単焦

図 5 は、引張試験時における破断直前の引張方点レンズである。アナログ電圧入力ボックスは、向のひずみ分布である。この図より、ひずみゲー

引張試験時の荷重や変位などの電圧データを A/D

ジ下部にネッキングが発生し、ほぼ 45°方向のすコンバータおよび DIC の制御 PC を介して、カメべりやネッキング部中央でひずみが高くなっていラと同期して計測可能にしている。本試験では、ることが確認できる。また、図 6 に 10000me まで荷重、変位、ひずみ 2ch の合計 4ch の電圧データの引張方向のひずみの時間変化を示す。ここで、を計測した。

赤線部の DIC のひずみは、図 5 で示している試験

試験条件としては、視野範囲を約 84 × 70mm（分片全体の引張方向の平均ひずみを示している。

解能 0.034mm/pixel）、試験速度を 2mm/min、およ

図 7 に DIC とひずみゲージにおける引張方向のひびサンプリングレートを 10Hz とした。本試験でずみの関係を示す。これらの図より、弾性域であ—48—

る約 4000me 以下では、ひずみゲージと DIC は精度良く追従できているが、ひずみが 6000me を超えると差異が生じた。また、図 8 に応力ひずみ線図を示す。ここで、応力は、DIC およびひずみゲージともに試験機荷重を試験片の初期断面積（幅25mm × 厚 さ 3mm = 75mm2）で 除 し た 値 を 使 用 した。この図に示したとおり、DIC およびひずみゲージの応力ひずみ線図は、非常に良く一致して図5いる。

破断直前の引張方向ひずみ分布

次に、DIC は引張方向のひずみだけでなく、圧縮方向のひずみも算出することが可能である。そこで、DIC およびひずみゲージそれぞれについて縦ひずみと横ひずみの比であるポアソン比を算出し、その結果を比較した。図 9 に、弾性域における DIC およびひずみゲージで計測した縦ひずみと横ひずみの関係を示す。この図に示したとおり、
DIC、ひずみゲージともに縦ひずみと横ひずみの関係が線形であった。線形近似した場合の傾きがポアソン比であるが、その値はそれぞれ約 0.283および 0.275 であり、相対誤差は約 3％であった。
このことから、DIC は、ポアソン比も精度良く計引張方向ひずみの時間変化測可能であることがわかる。

DIC とひずみゲージにおける引張方向の  ひずみの関係

図8

図6

図7—49—

応力ひずみ線図

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（a）DIC（b）ひずみゲージ

図9

縦ひずみと横ひずみの関係

最後に、DIC から算出した引張方向および圧縮方向のひずみを使用して、弾性域における応力を算出した。図 10 に DIC と計算により求めた引張方向の応力の関係を示し、図 11 に計算値の応力と絶対誤差（DIC で算出した応力と計算値の差分）の関係を示す。ここで、DIC で算出した引張方向の応力 seyy および計算値 sth は以下の式を用いて算（7）出した 。
s eyyEey n e x1 n2（1）s th =PA（2）

図 10DIC と計算値における応力の関係

図 11

計算値の応力と絶対誤差の関係

ここで、E はヤング率 [GPa]、n はポアソン比 [-]、
ey は引張方向のひずみ [-]、ex は圧縮方向のひずみ[-]、P は 試 験 機 荷 重 [N] お よ び A は 初 期 断 面 積[mm2] である。ヤング率 E は、SCM440 材のヤン
グ率 210[GPa]、ポアソン比 n は、前述でひずみゲージから求めた値 0.275、断面積 A も前述同様、荷重負荷前の 75mm2 を使用した。また、引張方向のひずみおよび圧縮方向のひずみは、図 5 に示した 解 析 領 域 全 体 の 平 均 値 を 用 い た。 そ の た め、DIC で算出した引張方向の応力は、解析領域全体の平均応力を示している。これらの図から、荷重—50—

増加後の誤差は、最大約 13MPa であり、DIC から参考文献算出した応力は、計算値と良く一致している。
ただし、式（1）より、DIC を用いた応力の算出（1） 出水亨、松田浩、戸次翔、森崎雅俊、内野正は、既知の試験体のヤング率およびポアソン比が和、伊藤幸広、森田千尋：デジタル画像相関必要なため、弾性域のみに限定される。

法のひずみ計測向上に関する基礎的研究、土木学会論文集 A2（応用力学）、Vol.68、No.2、5. まとめ2012、pp.I_683-I_690

DIC の 計 測 原 理 の 概 要 に つ い て 紹 介 し、JIS（2） 菅原敏博：溶射ゲージによる静ひずみ測定技

1B 号試験片を用いた引張試験結果から DIC とひ術、IIC REVIEW、No.58、2017/10、pp.12-17

ずみゲージでの計測を比較した。その結果、解析（3） 李志遠、王慶華、有川秀一、米山聡：面内変領域全体における引張方向の平均ひずみは、塑性

位分布計測におけるデジタル画像相関法とサ域では差異が生じたが、弾性域では 50me 以内の誤ンプリングモアレ法の比較研究、実験力学、差で計測可能であった。また、ポアソン比およびVol.15、No.4、2015、pp.303-308

応力についてもひずみゲージや計算値と良く一致（4） 禹明勳：デジタル画像相関法による高温環境した。このことから、ひずみゲージに替わるひず下の変位・ひずみ分布計測、第 51 回応力・ひみ分布計測技術として、DIC の有効性を確認するずみ測定と強度評価シンポジウム講演論文ことができた。本稿では、カメラの視野範囲など

集、2020、pp.1-4

1 条件のみについて紹介したが、DIC の計測精度は、（5） 鈴木尚之、小柳潤、有川秀一、米山聡：画像視野の大きさ、スペックルパターン、サブセット相関法を用いた一方向 CFRP の機械的特性逆サイズ、試験体の形状および環境温度などの条件解析における試験条件の検討、日本複合材料によって大きく変化する。今後は、高温環境下で学会誌、Vol.40、No.4、2014、pp.160-169の計測を含めたさまざまな条件下でも高精度な計（6） 川久保政洋、釜谷昌幸：3 次元デジタル画像相測結果を提供できるよう、DIC の計測精度向上に関法による溶接部における不均一強度分布の向けた研究開発を進めていく予定である。

同 定、 日 本 機 械 学 会 論 文 集（A 編 ）、Vol.79、No.806、2013、pp.107-119（7） 樋口盛一、斎藤秀雄：弾性および材料力学、養賢堂、第 29 版、1987、pp.14-19

研究開発センター
研究開発グループ
一般計量士 環境計量士（騒音・振動関係）

計測事業部 計測技術部
福浦グループ
次長

朝倉 悠太

及川 秀行

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