СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ
STRAIN GAGING METHOD

Изобретение относится к контрольно-измерительным методам исследования механических напряжений и деформаций в деталях машин и элементах конструкций и может быть использовано для определения пластических деформаций изделий в машиностроении, авиастроении и других отраслях промышленности.
Известен способ измерения деформаций, заключающийся в том, что на поверхность контролируемого объекта наносят фоточувствительный слой, фотографируют на нем изображение эталонной сетки, нанесенной на прозрачную пластину, а после нагружения объекта фотографируют деформированную фотосетку, сравнивают изображение эталонной и копию деформированной сетки и определяют величины деформаций на поверхности объекта [а.с. СССР 439695, МПК G01B 11/16. Способ измерения Деформации / Бахтадзе Д.А., Джавахидзе Л.Н., Какушадзе А.М., заявитель Грузинский политехнический институт им. В.И. Ленина, заявл. 22.05.1972. опубл. 15.08.1974. Бюл. №30].
Недостатком известного технического решения является необходимость применения при нанесении эталонной сетки на прозрачную пластину образцовой сетки, при изготовлении которой требуется использование сложной специальной техники и аппаратуры, в частности прецизионных делительных и линовальных машин или высокоточных координатографов. При этом нанесенная на прозрачную пластину эталонная сетка представляет собой семейство параллельных линий.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ измерения деформаций [патент Российской Федерации 2537105, МПК G01B 11/16. Способ измерения деформаций / Томилов Ф.X., Томилов М.Ф., заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет". - №2013102795/28, заявл. 22.01.2013, опубл. 27.12.2014]. В данном способе на поверхность контролируемого объекта наносят фоточувствительный слой в виде системы пересекающихся окружностей различного диаметра, фотографируют на нем изображение эталонной сетки, нанесенной на прозрачный материал, а после нагружения объекта фотографируют деформированную фотосетку, сравнивают изображение эталонной и копию деформированной сеток и определяют величины деформаций на поверхности объекта.
Недостатками данного способа является ручное определение разности диаметров нанесенных на объект окружностей, для чего требуется использование специального измерительного оборудования, деформация определяется только после нагружения объекта, а подготовка объекта и определение деформации является довольно трудоемким.
Задача изобретения - создание автоматизированного способа измерения деформаций в процессе испытаний.
Указанный результат достигается способом измерения деформаций, включающим нанесение на испытуемый образец двух цветных меток на расстоянии начальной расчетной длины образца исходя из его размеров, получение при помощи цветной видеокамеры цифрового изображения испытуемого образца и меток в стандартной палитре красного R, зеленого G и синего В цветов (sRGB), на основе статистического распределения интенсивности цветовых составляющих пикселей всего изображения устанавливают значения критериев для обнаружения подходящих пикселей, принадлежащих цвету меток, нахождение для выделения цветных меток максимального скопления пикселей одного цвета и выделение ближайших друг к другу границ, между которыми вычисляется числовое значение пикселей (расстояние) по координатам нахождения их в цифровом изображении как разность меньшего и большего значения, таким образом рассчитывают расстояния между метками, нанесенными на испытуемый образец, а также производят обработку каждого кадра, полученного с цифровой видеокамеры, деформацию рассчитывают после получения второго и последующих кадров изображения как разность расстояний между метками первого кадра и расстояния между метками каждого последующего кадра, значения рассчитанной деформации в пикселях сопоставляют с единицей измерения деформации, которые записывают в массив для последующего анализа.
В качестве меток используют кусочки самоклеющейся пленки или нанесенные перпендикулярно образцу полоски краски.
Указанный результат достигается потому, что вместо сложного фотолитографического метода нанесения меток используются простые в применении цветные метки в виде кусочков самоклеющейся пленки или нанесенные перпендикулярно образцу полоски краски, применение цветной цифровой видеокамеры, обеспечило постоянное получение изображений процесса нагружения объекта до его разрушения, при этом каждый полученный кадр обрабатывают и выводят изменение деформации, расчет которой происходит исходя из разности количества точек (пикселей) между ближайшими друг к другу границами меток, а пиксели предварительно сопоставляют с единицей измерения деформации.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано исходное изображение программы, а на фиг. 2 - график зависимости деформации от нагрузки, построенный в ходе проведения испытания, на фиг. 3 - графическое отображение анализа начальной области зависимости деформации от нагрузки.
Пример практического осуществления способа
Предложенный способ проверялся при проведении испытаний металлических плоских образцов и цилиндрических по ГОСТ 1497-84. Предварительно подготавливают образец и наносят на него две метки которые выполняют в виде наклеенных на него прямоугольных кусочков цветной однотонной самоклеющейся пленки (или нанесенных поперек образца двух полосок краской одного цвета). Далее по цвету меток производят их поиск и расчет расстояния между ними. Для того чтобы не настраивать цветовую интенсивность для каждой метки в отдельности, их выполняют одного цвета. Метки наносят на расстоянии начальной расчетной длины образца исходя из его размеров, определенных ГОСТ 1497-84 на испытание. После подготовительных операций, образец зажимают в захватах силоизмерительной машины. Через управляющую программу производят настройку алгоритма поиска цветных меток, для этого настраивают интенсивности в стандартной палитре красного R, зеленого G и синего В цветов (sRGB) таким образом, чтобы на изображении остались видны четкие габариты меток. Далее запускают процесс нагружения вместе с алгоритмом поиска цветных меток и измерения деформации по цифровому изображению, получаемому с цветной цифровой видеокамеры. При получении первого кадра цифрового изображения, производят его анализ посредством поиска меток на изображении по настроенным ранее интенсивностям. На найденных метках обрисовывают их габариты, а цветной линией выделяют часть метки, которая находится ближе к другой метке. Между этими линиями вычисляют числовое значение пикселей (расстояние) по координатам нахождения их в цифровом изображении как разность меньшего и большего значений, таким образом рассчитывают расстояния между метками, нанесенными на испытуемый образец. Вычисленное расстояние записывают в массив. Описанный алгоритм применяют к каждому полученному кадру, а деформацию начинают вычислять после нахождения расстояния между метками второго и каждого последующего полученного кадра как разность нового полученного расстояния и расстояния из первого кадра (фиг. 1). Измерение продолжают до выполнения силоизмерительной машиной условия критерия останова, после чего производят анализ массива значений деформаций, показывающий зависимость изменения величины деформации образца с ростом прикладываемой к нему нагрузки в виде построенного графика (фиг. 2). Исходя из полученных данных рассчитывают предел пропорциональности, модуль упругости, предел текучести и т.д.
пц
пц
пц
пц
0
0
2
При анализе полученной диаграммы (фиг. 2), предел пропорциональности графическим способом определяют по начальному участку (фиг. 3). Из начала координат проводят прямую, совпадающую с начальным линейным участком диаграммы растяжения. Затем на произвольном уровне проводят прямую линию АВ, параллельную оси абсцисс, и на этой прямой откладывают отрезок kn, равный половине отрезка mk. Через точку n и начало координат проводят прямую On и параллельно ей проводят касательную CD к диаграмме растяжения. Точка касания определяет искомое усилие Р. После чего вычисляют предел пропорциональности σ (Н/мм) по формуле: σ=Р/F, где F начальная поперечная площадь образца.
Способ прост в применении за счет использования доступных (простых) материалов в качестве меток, а также сокращение технологических операций для их нанесения, применение алгоритма обработки цифрового изображения для автоматического поиска меток и вычисление между ними расстояния позволило обрабатывать каждый полученный кадр непосредственно в ходе проведения испытания без участия в определении деформации человека, вследствие чего производится накопление массива значений деформации, применение предложенного типа меток способствует определению деформации не только на плоских, но и на цилиндрических образцах.
Предлагаемый способ является автоматизированным и позволяет измерять деформации в процессе испытаний - пластические деформации изделий, изготовленных из листовых, цилиндрических и объемных заготовок, и может быть использован для изучения технологических операций обработки металлов давлением путем проведения испытаний в механических лабораториях предприятий и НИИ.