【優(yōu)秀碩士博士論文】多尺度板料成形應(yīng)變場三維檢測研究

博士學(xué)位論文多尺度板料成形應(yīng)變場三維檢測研究申請人胡浩學(xué)科專業(yè)機(jī)械工程指導(dǎo)教師梁晉教授2014年6月RESEARCHONTHREEDIMENSIONALFULLFIELDSTRAINMEASUREMENTFORSHEETMETALFORMINGADISSERTATIONSUBMITTEDTOXIANJIAOTONGUNIVERSITYINPARTIALFULFILLMENTOFTHEREQUIREMENTFORTHEDEGREEOFDOCTOROFENGINEERINGSCIENCEBYHAOHUMECHANICALENGINEERINGSUPERVISORPROFJINLIANGJUNE2014論文題目多尺度板料成形應(yīng)變場三維檢測研究學(xué)科專業(yè)機(jī)械工程申請人胡浩指導(dǎo)教師梁晉教授摘要板料成形過程中和成形后的應(yīng)變分布是對板料成形性能進(jìn)行有效評估的前提和基礎(chǔ)。為克服傳統(tǒng)手工檢測等應(yīng)變測量方法在板料成形分析中暴露出的效率低、精度差等缺陷，并滿足大變形、大尺寸、小尺度三種情況下板料成形應(yīng)變場測量的要求，提出并實(shí)現(xiàn)多尺度板料成形應(yīng)變場的三維檢測方法。圍繞數(shù)字圖像相關(guān)法、工業(yè)近景攝影測量技術(shù)以及體式顯微視覺測量技術(shù)展開研究，擬解決的主要問題包括大變形弱相關(guān)圖像匹配、多相機(jī)全局標(biāo)定、顯微立體視覺光路標(biāo)定、大尺寸變形測量整體精度控制、三維全場應(yīng)變重建以及板料成形性能分析等。研究成果對于板料成形性能的評測及分析具有重要的理論和實(shí)際意義。本文的主要研究內(nèi)容和所獲成果總結(jié)如下（1）提出板料成形三維應(yīng)變場的動態(tài)檢測方法。針對板料成形大撓度塑性變形情況下圖像相似程度低，難以進(jìn)行相關(guān)匹配的問題，根據(jù)系列變形圖像相鄰狀態(tài)變形的連續(xù)性，提出一種大變形分步匹配算法；同時為了提高圖像匹配的速度，提出一種基于種子點(diǎn)的圖像快速、穩(wěn)定匹配算法。為實(shí)現(xiàn)三維應(yīng)變的準(zhǔn)確重建，提出一種基于10參數(shù)非線性成像模型的高精度相機(jī)自標(biāo)定方法。實(shí)驗結(jié)果表明所提出的匹配算法能夠有效測量高達(dá)649的變形；所提出的標(biāo)定方法能夠?qū)崿F(xiàn)多相機(jī)內(nèi)外參數(shù)的整體一次性解算，標(biāo)定結(jié)果的重投影誤差小于005個像素；利用標(biāo)定結(jié)果測量高精度標(biāo)準(zhǔn)尺長度，相對誤差小于1/4000，能夠滿足三維應(yīng)變測量對相機(jī)標(biāo)定精度的要求。（2）提出大尺寸板料網(wǎng)格應(yīng)變的自動檢測方法。針對大尺寸板料變形分塊測量累計誤差較大的難題，提出全局關(guān)鍵點(diǎn)與局部細(xì)節(jié)變形整體解算的大尺寸多分辨率三維網(wǎng)格應(yīng)變檢測方法。為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的快速識別，提出一種閥值自適應(yīng)局部二值化算法；為保證自由拍攝的各幅圖像之間同名網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)健匹配，引入一種基于鄰域約束的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)快速匹配算法；為克服多視三維重建時多條極線不嚴(yán)格相交的問題，通過在多極線約束下尋求多簇空間射線最佳準(zhǔn)交點(diǎn)的方法進(jìn)行高精度三維重建；為建立大量網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系，提出一種快速四邊形網(wǎng)格生成方法；最后利用全局控制點(diǎn)將多個分塊區(qū)域的局部測量結(jié)果統(tǒng)一到全局坐標(biāo)系下，以消除傳統(tǒng)大尺寸分塊測量過程中產(chǎn)生的拼接累積誤差。（3）提出一種用于微小尺度變形、應(yīng)變檢測的顯微立體視覺測量方法。針對顯微立體視覺測量中光路難以準(zhǔn)確標(biāo)定的問題，將透視投影模型、非參數(shù)化的光學(xué)畸變模型以及光束平差算法相結(jié)合，提出一種高精度的顯微視覺光路標(biāo)定方法。深入分析了體式顯微視覺的光路結(jié)構(gòu)及成像模型，設(shè)計并通過光刻方法制作了顯微標(biāo)定參考物，提出并詳細(xì)說明了標(biāo)定的具體步驟。對影響測量精度的主要因素進(jìn)行分析，提出一種散斑圖像光照不均勻的校正方法和一種基于平均灰度梯度的散斑質(zhì)量評價算法。最后借助于體式顯微鏡，搭建顯微立體視覺小尺度測量裝置，并利用高精度四軸位移臺對所提出的標(biāo)定方法進(jìn)行精度驗證。實(shí)驗結(jié)果表明所提出的方法能夠有效用于顯微視覺復(fù)雜光路的標(biāo)定，標(biāo)定后位移測量的相對精度優(yōu)于1。（4）研究并實(shí)現(xiàn)板料成形性能參數(shù)的實(shí)驗測定。重點(diǎn)研究了板料成形性能評估時最為常用的成形極限圖（FLD）和塑性應(yīng)變比（R）的測定方法。針對板料成形實(shí)驗中極限狀態(tài)難以判斷的問題，引入一種利用應(yīng)變歷史曲線來判定極限狀態(tài)的方法，即利用應(yīng)變場截面線在頸縮區(qū)域內(nèi)外等間距的建立若干節(jié)點(diǎn)，通過分析這些節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變變化趨勢來判斷板料成形的極限狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，借助于自研的圖像采集裝置和板料成形試驗機(jī)，研制一套穩(wěn)定、高效的板料成形極限曲線測定系統(tǒng)。另外，基于本文提出的動態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)，研究實(shí)現(xiàn)一種較為實(shí)用的塑性應(yīng)變比測定方法，并進(jìn)行了實(shí)驗驗證和分析。在上述理論技術(shù)和算法的基礎(chǔ)上，通過系列精度實(shí)驗和實(shí)際應(yīng)用驗證了本文方法對于大變形、大尺寸以及小尺度三種情況下三維全場應(yīng)變測量的可行性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。所提出的板料成形應(yīng)變檢測方法，為不同工況下板料成形性能的研究和分析提供一種準(zhǔn)確、快速的解決方案。關(guān)鍵詞板料成形；應(yīng)變檢測；圖像相關(guān)法；攝影測量；顯微視覺論文類型應(yīng)用研究TITLERESEARCHONTHREEDIMENSIONALFULLFIELDSTRAINMEASUREMENTFORSHEETMETALFORMINGSPECIALITYMECHANICALENGINEERINGAPPLICANTHAOHUSUPERVISORPROFJINLIANGABSTRACTSTRAINDISTRIBUTIONDURINGANDAFTERTHESHEETMETALFORMINGPROCESSESPLAYSAPRINCIPALROLEINTHEESTIMATIONOFITSFORMABILITYTOOVERCOMETHEVARIOUSLIMITATIONSOFTHETRADITIONALSTRAINMEASUREMENTMETHODSANDTOMEETTHESTRAINMEASUREMENTREQUIREMENTSATTHEHARSHCONDITIONSOFSHEETMETALSTAMPING,THEORYANDAPPLICATIONRESEARCHESONTHREEDIMENSIONAL3DFULLFIELDSSTRAINMEASUREMENTBASEDONDIGITALIMAGECORRELATION,INDUSTRIALPHOTOGRAMMETRYANDSTEREOMICROSCOPEAREDEEPLYANDSYSTEMATICALLYCARRIEDOUTINTHISTHESISTHEAPPLIEDKEYISSUESWHICHINCLUDEIMAGEMATCHINGFORLARGEDEFORMATION,MULTICAMERAGLOBALCALIBRATION,STEREOMICROSCOPECALIBRATION,ESTABLISHMENTOFPRECISE3DCOORDINATECONTROLNETWORKFORLARGESPACEMEASUREMENTANDEVALUATIONOFSHEETMETALFORMABILITYAREINVESTIGATEDRESEARCHWORKANDACHIEVEMENTSHASIMPORTANTTHEORETICALANDPRACTICALSIGNIFICANCEFORSHEETMETALDEFORMATIONMEASUREMENTTHEMAINRESEARCHCONTENTSANDACHIEVEMENTSAREASBELOWS1ADYNAMIC3DFULLFIELDSOPTICALMETHODBASEDONDIGITALIMAGECORRELATIONISPROPOSEDFORDEFORMATIONANDSTRAINMEASUREMENTDURINGSHEETMETALFORMINGTOSOLVETHEPROBLEMOF“WEAKCORRELATIONMATCHING”FORTHESTRAINMEASUREMENTOFSHEETMETALATTHELARGEDEFORMATIONSITUATION,AFRACTIONIZEDMATCHINGALGORITHMBASEDONDEFORMATIONCONTINUITYOFADJACENTIMAGESEQUENCESISPROPOSEDTOPROVIDEABETTERIMAGEMATCHINGRESULTSASEEDPOINTBASEDIMAGEMATCHMETHODISDEVELOPEDFORROBUSTANDFASTIMAGEMATCHINGTOIMPROVETHEACCURACYOF3DSTRAINRECONSTRUCTION,ANACCURATECAMERACALIBRATIONALGORITHMISDEVELOPEDBASEDONTHE10PARAMETERDISTORTIONMODELEXPERIMENTALRESULTSDEMONSTRATETHATTHEPROPOSEDMATCHINGSTRATEGIESCANBEEFFECTIVELYUSEDTOMEASURETHELARGETENSILEDEFORMATIONUPTO649,THEPROPOSEDCALIBRATIONALGORITHMHASACONSIDERABLEACCURACYWITHAREPROJECTIONERRORLESSTHAN005PIXELSANDTHECALIBRATEDFOURCAMERAVIDEOGRAMMETRICSYSTEMCANACHIEVEARELATIVEACCURACYOF1/4000ONLENGTHMEASUREMENT,WHICHCANSATISFYTHEPRECISIONREQUIREMENTOFTHEVISIONMEASUREMENTWITHINLARGEFIELDOFVIEW2ACIRCULARGRIDPATTERNBASED3DSTRAINMEASUREMENTMETHODISPROPOSEDFORSTRAINDETERMINATIONOFTHELARGESCALESHEETMETALFORMINGINORDERTOIMPROVETHEOVERALLSPATIALMEASUREMENTACCURACYANDEFFICIENCY,AMULTIBLOCKSTRAINMEASUREMENTWITHTHECONCEPTIONOFMULTIRESOLUTIONGRIDISPRESENTEDTOESTABLISHAHIGHPRECISIONMEASURINGCONTROLNETWORKFORELIMINATINGTHEERRORACCUMULATIONOFTHEMULTIBLOCKSTRAINMEASUREMENTACIRCULARGRIDPATTERNTHATCANBEDETECTEDAUTOMATICALLYISDESIGNEDANDANADAPTIVELOCALBINARIZATIONALGORITHMISPROPOSEDTODETECTTHEGRIDQUICKLYANDEFFICIENTLYAFASTMATCHINGALGORITHMUNDERNEIGHBORHOODCONSTRAINTISINTRODUCEDTORELIABLYPICKOUTTHEHOMOLOGOUSIMAGEGRIDSTHENACCURACY3DRECONSTRUCTIONBASEDONMULTIVIEWCONSTRAINTISIMPLEMENTEDAFTERTHETOPOLOGYOFTHEGRIDNODESISBUILTWITHAQUADRILATERALMESHGENERATIONALGORITHM,THESTRAINCANBECACULATEDACCORDINGTOTHECHANGESOFTHEGRIDSIZESFINALLY,ALLTHELOCALMEASURINGRESULTSARETRANSFORMEDTOGLOBALCOORDINATESYSTEMANDTHEERRORACCUMULATIONCANBEELIMINATEDEFFECTIVELY3ASTEREOMICROSCOPEVISIONMETHODISDEVELOPEDFORDEFORMATIONANDSTRAINMEASUREMENTATTHEMICROSCALEANACCURATECALIBRATIONMETHODFORSTEREOMICROSCOPEMEASUREMENTISPROPOSEDBYCOMBININGTHEPROJECTIONMODEL,THENONPARAMETRICDISTORTIONMODELANDTHEBUNDLEADJUSTMENTALGORITHMACALIBRATIONTARGETISDESIGNEDANDMADEUSINGTHELITHOGRAPHYMETHODTHEDISTORTIONCORRECTIONFIELDSISOBTAINEDBASEDONTHENONPARAMETRICDISTORTIONMODEL,RESULTINGINACOMPLETEMICROIMAGINGMODELTHEN,THECALIBRATIONCALCULATIONISPERFORMEDBYUSINGTHEBUNDLEADJUSTMENTALGORITHMFINALLY,THEFACTORSTHATAFFECTTHEMEASUREMENTACCURACYAREANALYSEDANDTHETWOMETHODSFORIMAGEBRIGHTNESSCORRECTIONANDQUALITYEVALUATIONAREPRESENTEDANDVERIFIEDSEPARATELYTOVALIDATETHEPERFORMANCEOFTHEPROPOSEDMETHOD,ASTEREOMICROSCOPESETUPISDEVELOPEDBYUSINGANELECTRONICALLYCONTROLLEDDISPLACEMENTSETUP,EXPERIMENTSFORMICROSCOPICCALIBRATIONANDDISPLACEMENTMEASUREMENTARECONDUCTEDEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATTHEFOCALLENGTHANDTHERELATIVEORIENTATIONPARAMETERSOFTHEINTERNALOPTICSOFTHESETUPCANBEOBTAINED,ANDTHEDISPLACEMENTMEASUREMENTACCURACYISBETTERTHAN14DETERMINATIONOFSHEETMETALFORMINGPARAMETERSISDISCUSSEDANDIMPLEMENTEDUSINGEXPERIMENTALMETHODINCONTRASTTOTHESTANDARDIZEDEVALUATIONMETHODDESCRIBEDINTHESTANDARDISO120042,ATIMEDEPENDENTMETHODFORFORMINGLIMITDIAGRAMFLDDETERMINATIONISUSEDBYCREATINGSECTIONSINTHEMEASUREDSTRAINFIELDSANDDETECTINGTHECRITICALDEFORMATIONSTAGETHEONSETOFNECKINGACCORDINGTOTHESTRAINHISTORYWITHOURSELFDEVELOPEDIMAGEACQUISITIONINSTRUMENTANDASHEETMETALBULGINGSETUP,AFLDEXPERIMENTALDETERMINATIONSYSTEMISDEVELOPEDANDAPRACTICALMETHODTODETERMINEPLASTICSTRAINRATIOVALUEOFSHEETMETALISPROPOSEDBASEDONTHEABOVEMENTIONEDDYNAMICSTRAINMEASUREMENTANDTHETESTFORPLASTICSTRAINRATIODETERMINATIONISCONDUCTEDTOVALIDATETHEPERFORMANCEOFTHISMETHOD5ASERIESOFEXPERIMENTSARECARRIEDOUTTOCONFIRMTHEACCURACY,EFFECTIVENESSANDRELIABILITYOFTHEPROPOSEDMETHODSANDSYSTEMSEXPERIMENTALRESULTSINDICATETHATTHEALGORITHMANDSYSTEMDEVELOPEDINTHISPAPERISEFFECTIVEANDRELIABLEATLARGEDEFORMATION,LARGESCALE,MICROSCALEANDHIGHTEMPERATUREWELDINGSITUATIONS,ANDPROVIDESANACCURATEANDFASTSOLUTIONFOREVALUATIONANDANALYSISOFTHESHEETMETALFORMABILITYKEYWORDSSHEETMETALFORMINGSTRAINMEASUREMENTDICPHOTOGRAMMETRYSTEREOMICROSCOPETYPEOFDISSERTATIONAPPLIEDRESEARCH目錄1緒論111課題背景與項目來源1111課題背景1112項目來源112板料成形應(yīng)變測量方法的研究現(xiàn)狀2121常用應(yīng)變測量方法概述2122網(wǎng)格應(yīng)變分析方法3123基于數(shù)字圖像相關(guān)法的應(yīng)變測量方法513現(xiàn)有研究的主要問題及本文擬解決的關(guān)鍵問題8131現(xiàn)有研究的主要問題8132本文擬解決的關(guān)鍵問題914本文的主要研究內(nèi)容、目的意義及技術(shù)路線9141主要研究內(nèi)容9142研究目的及意義9143研究技術(shù)路線1015章節(jié)安排112大變形三維全場應(yīng)變動態(tài)檢測1221引言1222三維全場應(yīng)變動態(tài)檢測12221檢測流程12222雙目視覺技術(shù)13223數(shù)字圖像相關(guān)法14224三維全場變形應(yīng)變重建1623大變形弱相關(guān)圖像的匹配17231種子點(diǎn)快速匹配18232弱相關(guān)圖像分步匹配19233快速迭代計算1924高精度雙/多目相機(jī)標(biāo)定21241相機(jī)成像模型21242鏡頭畸變模型22243基于攝影測量的相機(jī)自標(biāo)定23244大視場多相機(jī)全局標(biāo)定2525驗證實(shí)驗27251大變形匹配實(shí)驗27252雙目相機(jī)標(biāo)定實(shí)驗30253四目相機(jī)標(biāo)定實(shí)驗3226本章小結(jié)353大尺寸板料成形三維應(yīng)變場檢測3631引言3632大尺寸三維網(wǎng)格應(yīng)變檢測36321攝影測量的基本原理36322攝影測量三維網(wǎng)格應(yīng)變檢測37323大尺寸多分辨率三維網(wǎng)格應(yīng)變檢測3833網(wǎng)格制備及編碼點(diǎn)布置39331網(wǎng)格制備39332編碼點(diǎn)布置及圖像采集4134網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的高精度三維重建42341網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和編碼標(biāo)志點(diǎn)的自動檢測42342網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的快速、穩(wěn)健匹配47343多極線高精度三維重建5035密集網(wǎng)格拓?fù)潢P(guān)系建立5436多塊局部數(shù)據(jù)拼接5537本章小結(jié)564微小尺度三維變形場動態(tài)檢測5741引言5742顯微立體視覺系統(tǒng)的成像模型57421體式顯微視覺結(jié)構(gòu)57422針孔成像模型58423畸變校正和完整成像模型5843高精度顯微立體視覺光路標(biāo)定6044DIC應(yīng)變測量的誤差分析63441主要影響因素63442散斑圖像光照不均勻校正65443散斑圖像的質(zhì)量評價6645顯微立體視覺光路標(biāo)定實(shí)驗7046本章小結(jié)765板料成形性能參數(shù)的實(shí)驗測定7751引言7752板料成形性能參數(shù)77521成形性能參數(shù)分類77522成形極限圖78523塑性應(yīng)變比7853成形極限圖的測定79531極限狀態(tài)的判定79532應(yīng)變路徑的獲取方式81533FLD實(shí)驗系統(tǒng)的開發(fā)8254塑性應(yīng)變比的計算84541計算方程推導(dǎo)84542塑性應(yīng)變比測定實(shí)驗8555本章小結(jié)876板料成形三維變形應(yīng)變測量實(shí)驗與應(yīng)用8861引言8862精度測試及驗證分析88621雙目三維動態(tài)應(yīng)變檢測實(shí)驗88622網(wǎng)格應(yīng)變測量精度對比實(shí)驗90623顯微應(yīng)變檢測試驗9263應(yīng)用實(shí)驗與分析94631板料FLD測定實(shí)驗94632汽車覆蓋件全方位應(yīng)變檢測98633微脹形實(shí)驗10064薄板焊接高溫變形測量102641實(shí)驗方案102642實(shí)驗結(jié)果10365本章小結(jié)1047結(jié)論與展望10571結(jié)論10572創(chuàng)新點(diǎn)10673展望106參考文獻(xiàn)108致謝115攻讀學(xué)位期間取得的研究成果116聲明CONTENTS1PREFACE111RESEARCHBACKGROUNDANDPROJECTSOURCE1111RESEARCHBACKGROUND1112PROJECTSOURCE112REVIEWOFRECENTDEVELOPMENTATHOMEANDABROAD2121REVIEWOFSTRAINMEASUREMENTMETHOD2122CIRCULARGRIDBASEDSTRAINMEASUREMENT3123DIGITALSPECKLEBASEDSTRAINMEASUREMENT513THEMAINPROBLEMSOFEXISTINGRESEARCHANDTHEKEYPROBLEMSTOBESOLVED8131THEMAINPROBLEMSOFEXISTINGRESEARCH8132THEKEYPROBLEMSTOBESOLVED914THEMAINRESEARCHCONTENTS,PURPOSE,SIGNIFICANCEANDTECHNOLOGYFLOW9141THEMAINRESEARCHCONTENTS9142THEPURPOSEANDSIGNIFICANCE9143THETECHNOLOGYFLOW1015THECHAPTERARRANGEMENT112DYNAMICSTRAINMEASUREMENTFORSHEETMETALLARGEDEFORMATION1221PREFACE1222DYNAMICSTRAINFIELDSMEASUREMENTSCHEME12221MEASUREMENTPROCESSESANDPRINCIPLES12222PRINCIPLEOFBINOCULARSTEREOVISION13223PRINCIPLEOFDIC14224RECONSTRUCTIONOF3DDISPLACEMENTANDSTRAIN1623WEAKCORRELATIONIMAGEMATCHINGSCHEME17231SEEDPOINTMATCHING18232FRACTIONIZEDMATCHING19233FASTITERATIVECALCULATION1924ACCURATEMUTICAMERACALIBRATION21241CAMERAIMAGINGMODEL21242LENSDISTORTIONS22243PHOTOGRAMMETRYBASEDCAMERACALIBRATION23244GLOBALCALIBRATIONFORMUTICAMERASYSTEM2525EXPERIMENTS27251LARGEDEFORMATIONTESTING27252BINOCULARVISIONSYSTEMCALIBRATIONEXPERIMENT30253THEFOURCAMERAVIDEOGRAMMETRICSYSTEMCALIBRATIONEXPERIMENT3226BRIEFSUMMARY353GRIDBASEDSTRAINMEASUREMENTFORLARGESCALESHEETMETALFORMING3631PREFACE3632THEMEASURINGPRINCIPLEANDPROCESS36321THEPRINCIPLEOFPHOTOGRAMMETRY36322CIRCULARGRIDSTRAINMEASUREMENTBASEDONPHOTOGRAMMETRY37323MULTIRESOLUTIONSTRAINMEASUREMENTFORLARGESCALESHEETMETALFORMING3833CIRCULARGRIDPREPARATIONANDCODEDTARGETARRANGEMENT39331CIRCULARGRIDPREPARATION39332CODEDTARGETARRANGEMENT4134THE3DRECONSTRUCTIONOFTHEGRIDNODES42341DETECTIONOFGRIDNODESANDTARGETS42342GRIDNODESROBUSTMATCHING47343MUTIEPIPOLARRECONSTRUCTION5035ESTABLISHMENTOFTHETOPOLOGICALRELATIONAMONGTHEGRIDNODES5436GLOBALREGISTRATIONFORMULTIBLOCKMEASURINGAREA5537BRIEFSUMMARY564SMALLSCALESTRAINMEASUREMENTBASEDONSTEREOMICROSCOPE5741PREFACE5742THEIMAGINGMODELOFTHESTEREOMICROSCOPE57421THEOPTICALSTRUCTUREOFTHESTEREOMICROSCOPE57422PROJECTIONMODEL58423DISTORTIONANDCOMPLETEIMAGINGMODEL5843MICROSCOPICIMAGINGSYSTEMCALIBRATION6044THEFACTORSAFFECTINGTHEMEASUREMENTACCURACY63441THEMAINFACTORS63442THEUNEVENILLUMINATIONCORRECTION65443THEOPTIMALSUBSETSIZESELECTION6645CALIBRATIONEXPERIMENT7046BRIEFSUMMARY765EXPERIMENTALDETERMINATIONOFTHEFORMABILITYPARAMETERSOFSHEETMETAL7751PREFACE7752THEFORMABILITYPARAMETERS77521REVIEWOFTHETESTINGMETHODS77522FORMINGLIMITDIAGRAM78523PLASTICSTRAINRATIO7853FORMINGLIMITDIAGRAMMEASUREMENT79531FORMINGLIMITDETERMINATION79532THEFORMINGMETHODS81533DEVELOPMENTOFTHEFLDEXPERIMENTALSYSTEM8254PLASTICSTRAINRATIOCALCULATION84541THECALCULATIONPROCESS84542VALIDATIONEXPERIMENT8555BRIEFSUMMARY876EXPERIMENTANDAPPLICATION8861PREFACE8862THEACCURACYVERIFICATIONEXPERIMENTS88621THESPECKLEBASEDSTRAINMEASUREMENT88622THEGRIDBASEDSTRAINMEASUREMENT90623THEMICROSCOPICSTRAINMEASUREMENT9263APPLICATIONANDANALYSIS94631THEFLDMEASUREMENTEXPERIMENT94632THEAUTOMOTIVEPANELDEFORMATIONMEASUREMENTEXPERIMENT98633THEMICROSCOPICBULGINGEXPERIMENT10064DEFORMATIONMEASUREMENTDURINGSHEETMETALWELDINGPROCESSES102641EXPERIMENTALPROCEDURE102642EXPERIMENTALRESULTS10365BRIEFSUMMARY1047CONCLUSIONSANDSUGGESTIONS10571CONCLUSIONS10572INNOVATIONPOINTS10673SUGGESTIONS106REFERENCES108ACKNOWLEDGEMENTS115ACHIEVEMENTS116DECLARATIONEQUATIONCHAPTERNEXTSECTION11緒論11課題背景與項目來源111課題背景板料成形是一種非常重要的材料加工技術(shù)，在航空、航天、汽車、船舶等國民經(jīng)濟(jì)部門被廣泛應(yīng)用。其中，汽車制造業(yè)是板料制件最大的需求行業(yè)，汽車中沖壓鈑金件占其零件總數(shù)的75以上。另外，鈑金件也是構(gòu)成航空航天產(chǎn)品外形、結(jié)構(gòu)和內(nèi)裝的主要零件，以飛機(jī)為例，鈑金零件約占其零件總數(shù)的50以上1。并伴隨著汽車、航空、航天等制造行業(yè)的快速發(fā)展，板料制件的市場需求會不斷增長。最初的板料制件形狀相對簡單，能工巧匠通過反復(fù)實(shí)踐掌握板料的成形性能，并不斷修正模具即可獲得合適的成形工藝。然而，現(xiàn)代社會對生產(chǎn)效率的要求越來越高，各種復(fù)雜的新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中，使得基于人工經(jīng)驗的沖壓成形工藝無法滿足生產(chǎn)的需要，迫切需要科學(xué)的研究方法來獲知和評估板料的成形性能，以便制定措施修正模具、優(yōu)化成形工藝、提高板料制件的生產(chǎn)效率和成功率等。成形性能是板料對各種成形工藝的適應(yīng)能力或難易程度，是板料制件從設(shè)計之初到?jīng)_壓成形，再到成形后的質(zhì)量檢測，始終要考慮的一項重要參考依據(jù)。評定板料成形性能的參數(shù)中多數(shù)都與應(yīng)變密切相關(guān)，如塑性應(yīng)變比和以極限應(yīng)變構(gòu)成的成形極限圖2,3FORMINGLIMITDIAGRAM,FLD等。然而，無論要獲得板料的塑性應(yīng)變比、FLD，還是對板料成形性能進(jìn)行準(zhǔn)確評估和有效分析，其前提和基礎(chǔ)都要準(zhǔn)確測量板料成形過程中或成形后的應(yīng)變。112項目來源應(yīng)變測量是板料成形性能分析和評估的基礎(chǔ)。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO12004122008和國標(biāo)GB/T24171中給出的板料成形極限曲線的測定方法，就是直接根據(jù)應(yīng)變結(jié)果進(jìn)行計算的。然而，目前國內(nèi)很多科研單位及企業(yè)由于缺乏新技術(shù)的支撐，現(xiàn)有的應(yīng)變測量手段和設(shè)備還不能滿足標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定和實(shí)際測量的要求。國外已出現(xiàn)了商業(yè)化的三維光學(xué)應(yīng)變測量設(shè)備，但價格昂貴且技術(shù)保密，國內(nèi)的很多高校、研究所及企業(yè)無法承擔(dān)如此高昂的費(fèi)用。而國內(nèi)在這方面的研究與國外差距較大，多數(shù)研究仍處于實(shí)驗室階段或者是面向某個具體問題的專門研究，成型的產(chǎn)品未見報道。近幾年，隨著攝影測量技術(shù)、圖像處理技術(shù)、軟件算法、計算機(jī)硬件及圖像采集設(shè)備的快速發(fā)展，新方法、新技術(shù)及新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)。在此背景下，針對板料成形三維應(yīng)變場的測量急需，十分有必要深入開展三維視覺檢測理論和方法的研究，并在關(guān)鍵技術(shù)、測量精度、測量效率以及穩(wěn)定性等方面實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改進(jìn)和發(fā)展，最終形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的板料成形應(yīng)變測量及分析系統(tǒng)，以滿足國內(nèi)日益增加的應(yīng)用需求，打破國外對先進(jìn)變形、應(yīng)變檢測技術(shù)的封鎖和壟斷。本課題來自國家自然科學(xué)基金（大型飛機(jī)風(fēng)洞試驗的三維視頻動態(tài)變形測量方法和實(shí)驗研究，50975219），國家自然科學(xué)基金（微觀尺度材料三維位移場與應(yīng)變場的快速精密測量方法的研究，51275389），并得到蘇州應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃的資助（全場三維變形光學(xué)測量系統(tǒng)開發(fā)與研制，SYG201014）。12板料成形應(yīng)變測量方法的研究現(xiàn)狀121常用應(yīng)變測量方法概述常用的應(yīng)變測量方法按照測量方式的不同可分為兩類接觸式和非接觸式。接觸式應(yīng)變測量方法主要有引伸計、電阻應(yīng)變片以及機(jī)械式網(wǎng)格法等。非接觸式應(yīng)變測量方法指各種光學(xué)測量方法，包括數(shù)字全息技術(shù)、電子散斑干涉術(shù)、云紋干涉法、數(shù)字圖像相關(guān)法和三維光學(xué)網(wǎng)格法等，根據(jù)測量原理進(jìn)行劃分，數(shù)字全息技術(shù)、電子散斑干涉術(shù)、云紋干涉法又屬于光學(xué)干涉法；而三維光學(xué)網(wǎng)格法和數(shù)字圖像相關(guān)法則屬于光學(xué)非干涉法。1引伸計和應(yīng)變片引伸計、電阻應(yīng)變片技術(shù)上比較成熟，具有測量精度高、結(jié)果穩(wěn)定、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，但是這類方法有很大的局限性，如不能用于微小試件、柔軟物件的測量以及大變形情況下的應(yīng)變測量；對于大型結(jié)構(gòu)件需要多點(diǎn)測量的情況，引伸計不能使用，而粘貼應(yīng)變片又非常的復(fù)雜費(fèi)時。另外，由于引伸計、應(yīng)變片測量時需與被測物接觸，因此不可避免的會在一定程度上影響被測件的性能。2機(jī)械式網(wǎng)格法網(wǎng)格分析法是一種在板料表面印制規(guī)則的方形網(wǎng)格或圓形陣列，通過測量對比這些圖案在變形前后形狀參數(shù)來確定板料表面的應(yīng)變的方法。機(jī)械式網(wǎng)格分析法就是使用工業(yè)軟尺或工具顯微鏡等器械以手工方式測量出變形后的網(wǎng)格尺寸，通過與變形前的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行對比來確定鈑件表面的應(yīng)變大小4。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是原理簡單、操作方便，不足之處是精度和效率均較低、測量范圍有限，被測件尺寸不能太大。3數(shù)字全息技術(shù)數(shù)字全息技術(shù)是1967年由GOODMAN5提出的，該技術(shù)利用CCD等數(shù)字光學(xué)元器件來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光學(xué)全息干板來獲取全息圖像6,7。與傳統(tǒng)的光學(xué)全息方法相比，數(shù)字全息技術(shù)不僅有傳統(tǒng)全息技術(shù)的特點(diǎn)，而且具有自動化程度高、圖像獲取迅速、測量精度高以及不受光學(xué)系統(tǒng)非線性特征的影響等優(yōu)點(diǎn)。但是由于目前數(shù)字全息技術(shù)所采用的光電元器件的尺寸為厘米級，分辨率為每毫米幾百線，與傳統(tǒng)的光學(xué)全息干板每毫米幾千線的高分辨率相比相差甚遠(yuǎn)，限制了數(shù)字全息法測量對象的尺寸大小。4電子散斑技術(shù)電子散斑技術(shù)812也是一種發(fā)展較早的光學(xué)測量方法，該方法是在全息技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它使用電視攝像管代替全息照相干板獲取散斑圖像，與全息技術(shù)相比的優(yōu)勢在于它不需要高分辨率底片，能夠直接反應(yīng)物面變形和位移信息。電子散斑技術(shù)可以采用單光束或者雙光束，其中單光束照明的電子散斑技術(shù)對離面位移比較敏感卻對面內(nèi)位移不敏感，與全息干涉類似。為了測量面內(nèi)位移，則必須采用雙平行光束照明光路。5云紋干涉法云紋干涉法是1979年由WEISSMAN等13發(fā)明的，這種方法將云紋法和全息干涉法進(jìn)行結(jié)合，在保留了云紋法優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上提高了測量靈敏度。與云紋法不同的是，云紋干涉法使用光波干涉與光柵衍射代替了低頻柵線的結(jié)合疊加。因為采用了高密度衍射光柵作為試件柵，使得這種方法的測量靈敏度與全息干涉法和散斑干涉法相同，可以達(dá)到光波波長量級。6數(shù)字圖像相關(guān)法數(shù)字圖像相關(guān)法1416（DIGITALIMAGECORRELATIONMETHOD,DIC）是一種通過對變形前后采集的兩幅物體表面的散斑圖像進(jìn)行相關(guān)計算，來求取物體表面變形場和應(yīng)變場的測量方法。與其它的光學(xué)測量方法相比，數(shù)字圖像相關(guān)法具有光路簡單、對測量環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)。所使用的光源可以是激光也可以是白光，物體表面的散斑可以是人工散亂斑點(diǎn)，也可以是被測量物的天然紋理。二維DIC使用一個相機(jī)，可以測量平面物體的面內(nèi)位移及應(yīng)變，三維DIC將立體視覺技術(shù)與DIC相結(jié)合，可以測量任意形狀物體的三維位移及表面應(yīng)變。7三維網(wǎng)格應(yīng)變分析法三維網(wǎng)格應(yīng)變分析法17以單個數(shù)碼相機(jī)或者工業(yè)CCD相機(jī)從不同方位拍攝被測物的兩幅或多幅網(wǎng)格圖像，首先利用網(wǎng)格點(diǎn)的特征進(jìn)行多幅圖像間的同名網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的匹配，然后采用攝影測量技術(shù)對被測物表面的網(wǎng)格進(jìn)行三維重建，最后根據(jù)變形前后網(wǎng)格的尺寸變化，計算得到被測物表面的應(yīng)變。由于這種方法可以實(shí)現(xiàn)三維網(wǎng)格尺寸測量，因此測量結(jié)果更加精確，并可用于大尺寸板件成形的變形和應(yīng)變檢測。綜上所述，由于板料成形是一個大撓度、大變形的復(fù)雜塑性變形過程，效率不高、量程有限的應(yīng)變片等接觸式測量方法在這種情況下顯然無法實(shí)施。而數(shù)字全息技術(shù)、電子散斑技術(shù)、云紋干涉法三種光學(xué)干涉技術(shù)對測量環(huán)境要求較高，且光路復(fù)雜，通常被用在條件良好的實(shí)驗室里。因此，本文對板料成形三維應(yīng)變場檢測的研究將重點(diǎn)圍繞數(shù)字圖像相關(guān)法和三維網(wǎng)格應(yīng)變分析法展開。122網(wǎng)格應(yīng)變分析方法網(wǎng)格應(yīng)變分析方法是研究板料成形表面應(yīng)變的常用方法，基本原理是在板料表面印制規(guī)則的方形網(wǎng)格或圓形陣列，通過測量對比這些圖案在變形前后形狀尺寸，來測定板料表面的應(yīng)變。因此，如何快速準(zhǔn)確獲得網(wǎng)格變形前后的形狀參數(shù)是網(wǎng)格應(yīng)變測量方法的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的檢測方法通常采用工業(yè)軟尺或工具顯微鏡（見圖11）直接對變形前后網(wǎng)格的參數(shù)進(jìn)行讀數(shù)和對比來獲得應(yīng)變，但這種方法由于依賴于人眼觀測，因此測量精度較低、且效率不高。隨著圖像采集技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)二維網(wǎng)格應(yīng)變測量方法被提出，其原理是采用一個數(shù)碼相機(jī)（CCD相機(jī)）進(jìn)行圖像的捕捉，通過機(jī)械平臺或手持操作的方式找到最清晰的網(wǎng)格圖像，再利用數(shù)字圖像識別技術(shù)自動處理計算單個圓形的變形參數(shù)從而獲取應(yīng)變數(shù)據(jù)。如美國ASAME公司研制的GPA網(wǎng)格應(yīng)變測量系統(tǒng)18（圖12）。這種方法克服了人工讀數(shù)的操作，減輕了勞動強(qiáng)度，但每次只能檢測一個網(wǎng)格，因此效率不高，并且不能表達(dá)三維空間和全場應(yīng)變分布信息。1989年，JHVOGEL和DLEE19首先將三維視覺測量技術(shù)引入到板料成形應(yīng)變測量中，初步實(shí)現(xiàn)了板料成形應(yīng)變檢測的三維化和全場化技術(shù)，即三維網(wǎng)格應(yīng)變分析法。國外在這方面的研究起步較早，各種三維網(wǎng)格應(yīng)變分析技術(shù)被提出并迅速發(fā)展2025，概括起來可分為基于三維標(biāo)定塊的網(wǎng)格應(yīng)變測量技術(shù)和基于攝影測量的網(wǎng)格應(yīng)變測量技術(shù)，并且已經(jīng)研制出商業(yè)化的網(wǎng)格應(yīng)變測量分析系統(tǒng)，如美國ASAME公司的TARGET系統(tǒng)（圖13），德國GOM公司ARGUS系統(tǒng)（圖14）等。這種系統(tǒng)將網(wǎng)格分析法和視覺測量方法相結(jié)合，利用數(shù)碼相機(jī)獲取板料變形后的多幅網(wǎng)格圖像，輸入計算機(jī)內(nèi)以后經(jīng)過圖像檢測、匹配、三維重建、應(yīng)變計算等處理后，即可計算得到鈑金件表面各種應(yīng)變數(shù)據(jù)。目前已被廣泛用于通用、福特、波音、豐田等知名企業(yè)的生產(chǎn)、制造、模具開發(fā)以及塑性成形等領(lǐng)域。A工業(yè)軟尺B工具顯微鏡圖11機(jī)械式網(wǎng)格應(yīng)變檢測國內(nèi)在80年代中期開始網(wǎng)格應(yīng)變自動測量技術(shù)的研究并取得了一定的成果26,27。如上海交通大學(xué)的魏紅芹等28,29應(yīng)用圓形坐標(biāo)網(wǎng)格對板料拉延件進(jìn)行應(yīng)變測量，并取得了良好的效果。2005年，北京航空航天大學(xué)板料成形研究中心開發(fā)出了網(wǎng)格應(yīng)變測量和分析系統(tǒng)GMAS30。后來，徐亮31等通過在被測試件表面印制王字標(biāo)記，針對金屬材料進(jìn)行拉伸試驗來測量材料的應(yīng)變。2007年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的郭斌等32發(fā)明了基于視覺分辨的非接觸式應(yīng)變測量方法并申請了專利，這一發(fā)明能夠在微型器件或微成形材料的單向拉伸試驗中精確地測量材料表面的應(yīng)變。2010年，北方工業(yè)大學(xué)的張福生和景作軍等33開發(fā)了基于雙目立體視覺的板料應(yīng)變測量系統(tǒng)，用于輥彎成形過程中金屬板料表面應(yīng)變的測量。2011年，上海交通大學(xué)鐘敏等34利用二維網(wǎng)格應(yīng)變測量方法研究了鎂合金在不同溫度下的成形極限。圖12美國ASME公司生產(chǎn)的GPA系統(tǒng)圖13美國ASME公司生產(chǎn)的TARGET系統(tǒng)圖14德國GOM公司ARGUS系統(tǒng)123基于數(shù)字圖像相關(guān)法的應(yīng)變測量方法數(shù)字圖像相關(guān)法自上世紀(jì)80年代由日本的YAMAGUCHI35和美國的PETERS等36同時獨(dú)立提出后，國內(nèi)外科研工作者圍繞該方法進(jìn)行了大量研究，在理論算法及應(yīng)用方面均取得了顯著的進(jìn)步。目前，DIC方法已成為實(shí)驗力學(xué)領(lǐng)域最重要的變形和應(yīng)變測量手段。MASUTTON等37利用DIC方法測量了鋁合金板在裂紋擴(kuò)展過程中的變形場。VIKRANT等38將DIC方法與高速相機(jī)結(jié)合，研究了爆炸過程中板料的變形和應(yīng)變。GRANT等39利用DIC方法測量了1100高溫物體表面的應(yīng)變場。MEGANEBLAND等40將DIC方法用于測量生物材料的力學(xué)性能，測量得到不同雞脛骨的變形和應(yīng)變場。HELFRICK等41將DIC方法用于振動結(jié)構(gòu)變形及三維形貌的測量。WANG等42將DIC方法與多相機(jī)結(jié)合，測量了板料在整個杯突試驗過程中的表面應(yīng)變場。GIANCAN等43利用DIC方法研究了泡沫鋁的剪切性能。國內(nèi)，高建新等44最早對DIC方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究和最初應(yīng)用。后來，清華大學(xué)金觀昌課題組進(jìn)一步將DIC方法用于陶瓷材料的無損檢測45、巖石變形檢測46以及生物軟組織力學(xué)行為的實(shí)驗研究47等。北京航空航天大學(xué)潘兵等將DIC方法用于測量薄膜的熱膨脹系數(shù)48以及高溫?zé)嶙冃螜z測實(shí)驗49。天津大學(xué)亢一瀾、李鴻琦課題組將DIC方法成功用于單纖維細(xì)絲力學(xué)性能實(shí)驗50、高分子材料蠕變測試51以及壓痕尺寸效應(yīng)的研究52等。東南大學(xué)何小元課題組將DIC方法有效用于土木工程53,54、機(jī)械結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性測試55、板載芯片在熱載荷下的表面熱變形測量分析實(shí)驗56等領(lǐng)域。華南理工大學(xué)張蕊等57利用DIC方法測量了鋼絞線的拉伸彈性模量。南京航空航天大學(xué)葉南等58將DIC方法與雙目立體視覺相結(jié)合，研制了一種板料成型極限應(yīng)變測量系統(tǒng)BOSAS，用于薄板成形性能的研究和分析。在理論方面，如何提高DIC方法的計算精度和速度一直是國內(nèi)外研究者關(guān)注的問題5961。1988年，MASUTTON等62從理論上深入分析了散斑圖像采集、亞像素插值等影響DIC測量精度的主要因素，為后續(xù)提高計算精度的研究奠定了理論基礎(chǔ)。2006年，潘兵等63,64利用模擬散斑圖像分別研究了亞像素灰度插值及相關(guān)系數(shù)對DIC圖像匹配精度的影響。后來，LECOMPTE等65研究了圖像中散斑特征大小及分布對DIC測量結(jié)果的影響，并提出一種圖像形態(tài)學(xué)方法來評估散斑圖像質(zhì)量。2009年，BORNERT等66定量分析了圖像子區(qū)尺寸、亞像素插值以及變形映射函數(shù)等參數(shù)對圖像匹配計算誤差的影響，并給出了實(shí)際測量時如何提高DIC計算精度的建議。另外，為了提高DIC的計算速度，有學(xué)者將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法67、模擬退火算法68、遺傳算法69等新型智能算法應(yīng)用到DIC相關(guān)計算中，一定程度上提高了DIC的計算速度。2006年，ZHANG等70在DIC計算過程中引入一種粗細(xì)搜索的策略，在保證計算精度的同時提高計算的速度。2010年，HUANG等71提出一種快速遞推算法來減小DIC相關(guān)搜索的計算量。2011年潘兵等72提出一種基于可靠初值估計的變形跟蹤算法和一種基于查表法的亞像素灰度插值策略，進(jìn)一步提高了DIC的計算速度。由于板料成形是一個大撓度的塑性變形過程，待匹配變形圖像與參考圖像間的相似程度很低，出現(xiàn)所謂“弱相關(guān)”的現(xiàn)象73，十分不利于DIC的快速準(zhǔn)確計算，而傳統(tǒng)的DIC方法只能測量彈性變形或近似均勻的變形，對于大變形或包含裂紋的非連續(xù)區(qū)域則無法準(zhǔn)確測量。針對這一問題，2002年HILD等74提出一種多尺度大變形測量方法，基本原理是首先通過低分辨率估算變形量，然后逐步采用更精細(xì)的分辨率進(jìn)行變形計算；盡管該方法可跟蹤計算高達(dá)20的相對變形量，但仍不能測量板料大撓度的變形。2008年，RETHORE等75結(jié)合有限元的思想提出了一種擴(kuò)展的DIC方法，可用于測量非連續(xù)的變形場。2010年，CHEN等人76在此基礎(chǔ)上提出了一種兩步擴(kuò)展的DIC方法，可用于測量存在較大剛體位移的變形場。另外，相機(jī)鏡頭畸變也會對DIC方法的測量精度產(chǎn)生影響，特別是對于板料變形應(yīng)變的測量。因此，必須通過高精度的相機(jī)標(biāo)定方法來校正鏡頭的成像畸變，提高測量的精度。MASUTTON團(tuán)隊61詳細(xì)介紹了相機(jī)標(biāo)定的數(shù)學(xué)模型。2009年，潘兵等人77分析了鏡頭畸變對測量結(jié)果的影響，并提出了一種簡單的相機(jī)鏡頭畸變估計和校正模型。2013年，PLREU78采用統(tǒng)計分析的方法研究了相機(jī)標(biāo)定誤差對DIC測量結(jié)果的影響，討論了標(biāo)定誤差的主要影響因素，并給出了高精度DIC相機(jī)標(biāo)定的建議。另外，將DIC方法與各種顯微成像設(shè)備相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)微納米尺度的變形測量，也是近年來國內(nèi)外研究者所關(guān)注的焦點(diǎn)。SCHREIER等人79,80將DIC方法與體式顯微鏡結(jié)合實(shí)現(xiàn)了三維微米級變形測量，并與微應(yīng)變片測量進(jìn)行了精度對比驗證。后來，CORNILLE等人81在SCHREIER的研究基礎(chǔ)上，將DIC