一種基于位移梯度分解的異位數(shù)字體積相關(guān)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于位移梯度分解的異位數(shù)字體積相關(guān)方法，包括以下步驟：將樣品進(jìn)行第一次三維成像，得到樣品變形前的三維圖像數(shù)據(jù)G1(x，y，z)；將樣品進(jìn)行異位變形，對(duì)變形后的樣品進(jìn)行第二次三維成像，得到樣品變形后的三維圖像數(shù)據(jù)G2(x，y，z)；利用DVC計(jì)算樣品變形前后三維圖像數(shù)據(jù)G1(x，y，z)和G2(x，y，z)之間位移場(chǎng)u(x，y，z)，位移場(chǎng)u(x，y，z)包括剛性運(yùn)動(dòng)位移場(chǎng)uR(x，y，z)與變形位移場(chǎng)uD(x，y，z)；利用位移場(chǎng)u(x，y，z)計(jì)算出位移梯度T(x，y，z)；利用位移梯度分解方法計(jì)算出變形位移梯度D(x，y，z)與轉(zhuǎn)動(dòng)位移梯度R(x，y，z)；利用轉(zhuǎn)動(dòng)位移梯度R(x，y，z)與邊界條件計(jì)算出剛性運(yùn)動(dòng)位移場(chǎng)uR(x，y，z)；利用u(x，y，z)與uR(x，y，z)計(jì)算出變形位移場(chǎng)uD(x，y，z)，樣品的變形位移場(chǎng)uD(x，y，z)即為樣品原位變形后的三維位移場(chǎng)。本發(fā)明方法不僅克服了原位數(shù)字體積相關(guān)方法中原位在線實(shí)驗(yàn)的困難，并且還具有高的準(zhǔn)確度和精確度。
【專利說明】一種基于位移梯度分解的異位數(shù)字體積相關(guān)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于位移梯度分解的異位數(shù)字體積相關(guān)方法，屬于材料結(jié)構(gòu)變形測(cè)量領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)字體積相關(guān)方法(英文全稱:Digital Volume Correlation,縮寫:DVC)是在數(shù)字圖像相關(guān)法(英文全稱:Digital Image Correlation,縮寫:DIC)的基礎(chǔ)上，由B.K.Bay等在 1999 年美國(guó)加州大學(xué)提出的，(Bay B K, Smith T S, Fyherie D P, et al.Digitalvolume correlation: Three-dimensional strain mapping using X-ray tomography[J].Experimental Mechanics, 1999, 39 (3):217?226),可利用樣品變形前后的兩組三維圖像進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算來得到樣品變形的三維位移場(chǎng)，進(jìn)而計(jì)算變形三維位移場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)方法。
[0003]由于DVC是目前唯一能直接測(cè)量材料內(nèi)部三維變形的實(shí)驗(yàn)方法，它已經(jīng)成為光測(cè)實(shí)驗(yàn)力學(xué)中的熱門研究領(lǐng)域，并且在材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、生物力學(xué)等方面已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用。
[0004]DVC原理要求樣品在變形前后的測(cè)試必須原位，若前期存在剛體運(yùn)動(dòng)，則無法區(qū)分前期剛體運(yùn)動(dòng)位移與后期變形位移。有研究通過設(shè)計(jì)特定的原位加載工具，比如中國(guó)發(fā)明專利ZL201110163456.6 (基于X射線斷層照相的原位加載裝置)來保證原位，但存在操作的困難性和應(yīng)用的局限性。先前研究提出了一種基于圖像配準(zhǔn)的異位DVC(中國(guó)發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)?201410003602.2，名稱:一種基于圖像配準(zhǔn)的異位數(shù)字體積相關(guān)方法)，該方案中進(jìn)行異位DVC需要額外的標(biāo)記物進(jìn)行配準(zhǔn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于位移梯度分解的異位數(shù)字體積相關(guān)方法，該方法解決了原位數(shù)字體積相關(guān)方法操作中的困難性及其應(yīng)用局限性問題。并且本方法具有原位數(shù)字體積相關(guān)方法的正確度和精確度。
[0006]
【發(fā)明內(nèi)容】
:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
[0007]—種基于位移梯度分解的異位數(shù)字體積相關(guān)方法，包括如下步驟:
[0008]步驟1，對(duì)樣品進(jìn)行第一次三維成像，得到樣品變形前的三維圖像數(shù)據(jù)G1 (x, y, z)；
[0009]步驟2，將樣品進(jìn)行異位變形，對(duì)變形后的樣品進(jìn)行第二次三維成像，得到樣品變形后的三維圖像數(shù)據(jù)G2(x，y，z)；
[0010]步驟3，通過數(shù)字體積相關(guān)方法計(jì)算樣品變形前后三維圖像數(shù)據(jù)G1 (X，y, z)和G2 (χ, y, z)之間的位移場(chǎng)u (χ, y, z),其中，所述位移場(chǎng)u (x, y, z)包括剛性運(yùn)動(dòng)位移場(chǎng)uE (x, y, z)與變形位移場(chǎng) uD(x, y, z)；
[0011]步驟4，結(jié)合步驟3得到的位移場(chǎng)u (x, y, z)，采用位移梯度計(jì)算方法計(jì)算出位移梯度 T(x, y, z)；[0012]步驟5，結(jié)合步驟4得到的位移梯度T (x，y, z)，采用位移梯度分解方法計(jì)算出變形位移梯度D(x，y，z)與轉(zhuǎn)動(dòng)位移梯度R(x, y, z)；
[0013]步驟6，結(jié)合轉(zhuǎn)動(dòng)位移梯度R(x，y, z)與邊界條件計(jì)算出樣品的剛性運(yùn)動(dòng)位移場(chǎng)uK(χ, y, z)；
[0014]步驟7,通過已得到的位移場(chǎng)u(x, y, z)與剛性運(yùn)動(dòng)位移場(chǎng)uK(x, y, z)計(jì)算出變形位移場(chǎng)uD (X，y, z)，即樣品原位變形后的三維位移場(chǎng)。
[0015]其中，步驟I或步驟2中，所述三維成像是指采用X射線斷層照相、伽馬射線斷層照相、中子斷層照相或共聚焦顯微鏡進(jìn)行三維成像。
[0016]其中，所述X射線斷層照相是指醫(yī)用X射線斷層照相、工業(yè)X射線斷層照相、顯微X射線斷層照相或納米X射線斷層照相中的任意一種。
[0017]作為優(yōu)選，步驟2中，所述異位變形是指通過力學(xué)、溫度或化學(xué)方式進(jìn)行的異位變形，其中，所述力學(xué)方式包括拉、壓、彎、扭、沖擊中的任意一種或者幾種的耦合。
[0018]作為優(yōu)選,步驟3中，所述數(shù)字體積相關(guān)方法是指基于Gauss-Newton法的數(shù)字體積相關(guān)方法、梯度法的數(shù)字體積相關(guān)方法或最小二乘法的數(shù)字體積相關(guān)方法中的任意一種。
[0019]作為優(yōu)選，步驟4中，所述位移梯度計(jì)算方法是指基于平面擬合的計(jì)算方法、移動(dòng)平均取代法的計(jì)算方法或最小二乘方多項(xiàng)式擬合的計(jì)算方法中的任意一種。
[0020]作為優(yōu)選，步驟5中，所述位移梯度分解方法是指加性分解方法或極性分解方法。
[0021]有益效果:本發(fā)明的異位數(shù)字體積相關(guān)方法基于位移梯度分解，其不僅克服了原位數(shù)字體積相關(guān)方法中原位在線實(shí)驗(yàn)的困難，并且還具有高的準(zhǔn)確度和精確度；相對(duì)于原位加載實(shí)驗(yàn)，本發(fā)明方法沒有增加額外的實(shí)驗(yàn)操作和計(jì)算量，相對(duì)于基于圖像配準(zhǔn)的異位數(shù)字體積相關(guān)方法，本發(fā)明方法不需要額外的標(biāo)記物和圖像配準(zhǔn)步驟，因此其更容易實(shí)現(xiàn)；本發(fā)明的異位數(shù)字體積相關(guān)方法極大的拓展了數(shù)字體積相關(guān)方法的應(yīng)用空間，為數(shù)字體積相關(guān)方法在實(shí)驗(yàn)力學(xué)中的廣泛應(yīng)用起到了重要的推動(dòng)作用，可將數(shù)字體積相關(guān)方法推廣到各種復(fù)雜的加載變形研究中進(jìn)行應(yīng)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明基于位移梯度分解的異位數(shù)字體積相關(guān)方法的原理示意圖；
[0023]其中，(I)是通過數(shù)字體積相關(guān)方法計(jì)算樣品變形前后三維圖像數(shù)據(jù)G1U, y, z)和62(1，y, z)之間的位移場(chǎng)u(x，y, z)，其包括剛性運(yùn)動(dòng)位移場(chǎng)與變形位移場(chǎng)；(2)是由位移場(chǎng)計(jì)算得到的位移梯度張量場(chǎng)；(3)和(4)分別表示由(2)分解得到的兩個(gè)梯度張量分量，
(3)代表轉(zhuǎn)動(dòng)張量，(4)代表變形張量；
[0024]圖2為本發(fā)明實(shí)施例中樣品通過X射線斷層照相法獲得的第一次三維圖像數(shù)據(jù)G1(χ, y, z)；
[0025]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中樣品軸壓變形后通過X射線斷層照相法獲得的第二次三維圖像數(shù)據(jù)G2 (x, y, z)；
[0026]圖4為本發(fā)明實(shí)施例中采用數(shù)字體積相關(guān)方法計(jì)算得到的樣品變形后沿X方向的位移場(chǎng)；
[0027]圖5為本發(fā)明實(shí)施例中采用數(shù)字體積相關(guān)方法計(jì)算得到的樣品變形后沿Y方向的位移場(chǎng)；
[0028]圖6為本發(fā)明實(shí)施例中采用數(shù)字體積相關(guān)方法計(jì)算得到的樣品變形后沿Z方向的位移場(chǎng)；
[0029]圖7為本發(fā)明實(shí)施例中變形位移場(chǎng)沿X方向的位移場(chǎng)；
[0030]圖8為本發(fā)明實(shí)施例中變形位移場(chǎng)沿Y方向的位移場(chǎng)；
[0031]圖9為本發(fā)明實(shí)施例中變形位移場(chǎng)沿Z方向的位移場(chǎng)。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明，本發(fā)明實(shí)施例采用泡沫鐵鎳樣品在X射線斷層掃描下的軸壓變形來說明本發(fā)明。但本發(fā)明要求保護(hù)的范圍不局限于實(shí)施例表示的范圍，故凡依本發(fā)明專利申請(qǐng)范圍所述的構(gòu)造、特征及原理所做的等效變化或修飾，均包括于本發(fā)明專利申請(qǐng)范圍內(nèi)。
[0033]一種基于位移梯度分解的異位數(shù)字體積相關(guān)方法，包括如下步驟:
[0034]步驟I,將泡沫鐵鎳切割成30mmX IOmmX IOmm小塊,放在工業(yè)X射線斷層照相設(shè)備的旋轉(zhuǎn)臺(tái)上對(duì)樣品進(jìn)行第一次X射線斷層照相成像，獲得樣品第一次三維圖像數(shù)據(jù)G1(X，Y, z)，即樣品未變形的三維圖像數(shù)據(jù)G1 (X，y，z)，如圖2所示；
[0035]步驟2，對(duì)樣品進(jìn)行異位軸壓變形，對(duì)變形后的樣品在同樣的測(cè)試條件下進(jìn)行第二次三維成像，獲得樣品變形后的三維圖像數(shù)據(jù)G2(X，y, z)，如圖3所示；
[0036]步驟3，通過數(shù)字體積相關(guān)方法計(jì)算樣品變形前后三維圖像數(shù)據(jù)G1 (x, y, z)和G2 (χ, y, z)之間的位移場(chǎng)u (χ, y, z),如圖4~6所示，圖4為樣品變形后沿X方向的位移場(chǎng)，圖5為樣品變形后沿Y方向的位移場(chǎng)，圖6為樣品變形后沿Z方向的位移場(chǎng)；其中，所述位移場(chǎng)u (χ, y, z)包括剛性運(yùn)動(dòng)位移場(chǎng)uK (χ, y, z)與變形位移場(chǎng)uD (x, y, z)；
[0037]步驟4，結(jié)合步驟3得到的位移場(chǎng)u (x, y, z)，采用位移梯度計(jì)算方法計(jì)算出位移梯度T(x，y，z);其中位移梯度T(x, y, z)的表達(dá)式如下:
【權(quán)利要求】
1.一種基于位移梯度分解的異位數(shù)字體積相關(guān)方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟1，對(duì)樣品進(jìn)行第一次三維成像，得到樣品變形前的三維圖像數(shù)據(jù)G1Oc, y, z)； 步驟2，將樣品進(jìn)行異位變形，對(duì)變形后的樣品進(jìn)行第二次三維成像，得到樣品變形后的三維圖像數(shù)據(jù)62(^2)； 步驟3，通過數(shù)字體積相關(guān)方法計(jì)算樣品變形前后三維圖像數(shù)據(jù)G1Uy^)和G2 (χ, y, z)之間的位移場(chǎng)u (χ, y, z),其中，所述位移場(chǎng)u (x, y, z)包括剛性運(yùn)動(dòng)位移場(chǎng)uE (x, y, z)與變形位移場(chǎng) uD(x, y, z)； 步驟4，結(jié)合步驟3得到的位移場(chǎng)u (X，y, z)，采用位移梯度計(jì)算方法計(jì)算出位移梯度T(x, y, z)； 步驟5，結(jié)合步驟4得到的位移梯度T (X，y, z)，采用位移梯度分解方法計(jì)算出變形位移梯度D(x，y，z)與轉(zhuǎn)動(dòng)位移梯度R(x, y, z)； 步驟6,結(jié)合轉(zhuǎn)動(dòng)位移梯度R(x, y, z)與邊界條件，計(jì)算出樣品的剛性運(yùn)動(dòng)位移場(chǎng)uK(χ, y, z)； 步驟7,通過已得到的位移場(chǎng)u(x, y, z)與剛性運(yùn)動(dòng)位移場(chǎng)uK(χ, y, z)計(jì)算出變形位移場(chǎng)uD (X，y, z)，即樣品原位變形后的三維位移場(chǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于位移梯度分解的異位數(shù)字體積相關(guān)方法，其特征在于:步驟I或步驟2中，所述三 維成像是指采用X射線斷層照相、伽馬射線斷層照相、中子斷層照相或共聚焦顯微鏡進(jìn)行三維成像。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于位移梯度分解的異位數(shù)字體積相關(guān)方法，其特征在于:所述X射線斷層照相是指醫(yī)用X射線斷層照相、工業(yè)X射線斷層照相、顯微X射線斷層照相或納米X射線斷層照相中的任意一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于位移梯度分解的異位數(shù)字體積相關(guān)方法，其特征在于:步驟2中，所述異位變形是指通過力學(xué)、溫度或化學(xué)方式進(jìn)行的異位變形，其中，所述力學(xué)方式包括拉、壓、彎、扭、沖擊中的任意一種或者幾種的耦合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于位移梯度分解的異位數(shù)字體積相關(guān)方法，其特征在于:步驟3中，所述數(shù)字體積相關(guān)方法是指基于Gauss-Newton法的數(shù)字體積相關(guān)方法、梯度法的數(shù)字體積相關(guān)方法或最小二乘法的數(shù)字體積相關(guān)方法中的任意一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于位移梯度分解的異位數(shù)字體積相關(guān)方法，其特征在于:步驟4中，所述位移梯度計(jì)算方法是指基于平面擬合的計(jì)算方法、移動(dòng)平均取代法的計(jì)算方法或最小二乘方多項(xiàng)式擬合的計(jì)算方法中的任意一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于位移梯度分解的異位數(shù)字體積相關(guān)方法，其特征在于:步驟5中，所述位移梯度分解方法是指加性分解方法或極性分解方法。
【文檔編號(hào)】G01B15/06GK103900506SQ201410124388
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】萬克樹, 楊鵬 申請(qǐng)人:東南大學(xué)