Новый алгоритм обработки данных метода фотоупругости
Метод фотоупругости является надежным способом исследования плоского напряженного состояния материалов. Регистрируемые данные представляют собой иртерферограммы. Ставится цель автоматизировать процесс их расшифровки. Настоящая работа в основном посвящена формированию набора задач, которые предстоит решить для ее достижения. Некоторые из них авторами уже решены, и здесь представлены полученные результаты. Наибольшее внимание уделено описанию алгоритма трассировки интерференционных полос, основанного на анализе градиента изображения яркости.
A new processing algorithm for photoelasticity method data.pdf Введение Метод фотоупругости - один из экспериментальных методов исследования напряжений, отличающийся высокой наглядностью результатов. В настоящее время он используется как нашими соотечественниками, так и зарубежными учеными в различных областях науки, а также в медицине. В частности, в стоматологии фотоупругий анализ позволяет выполнять качественную и количественную оценку распределения напряжений в моделях зубных протезов [1, 2], в офтальмологии его применяют для исследования роговицы глаза [3], в сосудистой хирургии с его помощью определяют напряжения в моделях кровеносной сети сосудов [4, 5]. Этим же методом изучают напряжения в массивах горных пород [6]. Его используют в машиностроении, для измерения деформаций в схемах пьезооптических датчиков [7], а также для исследования напряженного состояния деталей [8]; в авиационной промышленности - при расчете и проектировании элементов летательных аппаратов [9]. Особенно широко представлены исследования с применением метода фотоупругости в строительстве: при изучении напряженнодеформированного состояния строительных сооружений и их элементов как с помощью моделей из пьезооптических материалов [10-13], так и путем нанесения на участки натурных конструкций фотоупругих покрытий [14, 15]. Основой метода фотоупругости является эффект двойного лучепреломления, возникающий в прозрачных материалах, приобретающих под действием деформаций оптическую анизотропию [16]. Методика решения плоских линейно-упругих задач хорошо развита и детально проработана [16-18]. Поляризационно-оптические методы в двумерной постановке разработаны еще более века назад, а в наши дни обработка экспериментальных данных метода фотоупругости развита настолько хорошо, что этот метод можно применять не только при проведении научных исследований, но и в строительной практике. Высока эффективность численных методов разделения напряжений за счет использования компьютеров [18]. В последнее время ученые предпринимают шаги по автоматизации обработки и расшифровки данных метода фотоупругости [19]. Было бы удобно, располагая цифровым изображением изохром и изоклин, автоматически получать поля нормальных и касательных напряжений. Авторы настоящей работы занимаются исследованиями в этом направлении. 101 Механика / Mechanics Плоская задача Теория. Значения пьезооптических величин, связанных с тензором диэлектрической проницаемости, можно определить посредством использования поляризационно-проекционной установки (рис. 1). При просвечивании нагруженной прозрачной модели поляризованным светом на экране отображается иетерферо-грамма, имеющая связь с напряженно-деформированным состоянием образца. Просвечивание вдоль нормали к плоскости модели позволяет узнать оптическую разность хода, а также определить направления главных осей тензора диэлектрической проницаемости. Л Л S X/4 V L V L Л V L D M Рис. 1. Схема установки ППУ-7: S - источник света, F - светофильтр, P - поляризатор, A - анализатор, M - исследуемая модель, X/4 - четвертьволновая пластинка, L - линзы, D - экран Fig. 1. Scheme of the PPU-7 installation: S is the light source, F is the light filter, P is the polarizer, A is the analyzer, M is the model under study, X/4 is the quarter-wave plate, L is the lens, and D is the screen Зондирование образца под нагрузкой белым плоско поляризованным светом приводит к появлению темных полос, хорошо видных на цветной интерферограмме (они соответствуют тем областям, где направление одной из главных осей диэлектрического тензора совпадает с направлением плоскости поляризации). Их принято называть оптическими изоклинами. Поскольку в случае упругого деформирования изначально изотропного материала углы наклона главных осей диэлектрического тензора совпадают с углами наклона главных напряжений, то и оптические и механические изоклины совпадают. Механическая изоклина - это линия, соединяющая точки с одинаковым направлением главных напряжений. Интерферограмма, занимающая все поле образца, как правило, снимается в монохроматическом свете, обычно зеленом, имеющем длину волны X = 541 нм [18]. Полоса интерференции - это геометрическое место точек, в которых оптическая разность хода одинакова и может быть записана как 5 = mX, здесь m - порядок полосы. В классической теории фотоупругости оптическая разность хода имеет линейную связь с разностью главных в плоскости напряжений ст1 и ст2. Эту зависимость называют законом Вертгейма: 5 = Cad(
Ключевые слова
метод фотоупругости,
обработка изображений,
трассировка интерференционных полосАвторы
Лихачев Алексей Валерьевич | Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН | доктор технических наук, старший научный сотрудник | ipml@iae.nsk.su |
Табанюхова Марина Владимировна | Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин) | кандидат технических наук, заведующая кафедрой строительной механики | m.tabanyukhova@sibstrin.ru |
Всего: 2
Ссылки
Демидова И.И. Фотоупругость и стоматология // Российский журнал биомеханики. 1999. № 2. С. 26-27.
Котенко М.В., Раздорский В.В., Лелявин А.Б. Поляризационно-оптический метод в ис следовании напряженно-деформированного состояния моделей с дентальными имплантатами из нитинола // Сибирский медицинский журнал. 2018. № 8. С. 34-38.
Кочина М.Л., Демин Ю.А., Каплин И.В., Ковтун Н.М. Модель напряженно-деформи рованного состояния роговицы глаза // Восточно-европейский научный журнал. 2017. № 2-2. С. 62-67.
Matsushima M., Tercero C., Ikeda S., Fukuda T., Negoro M. Three-dimensional visualization of photoelastic stress analysis for catheter insertion robot // Proceedings of 23rd IEEE/RSJ 2010 International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). Taipei, 2010. Р. 879-884. doi: 10.1109/IROS.2010.5650275
Matsushima M., Tercero C., Ikeda S., Fukuda T., Arai F., Negoro M., Takahashi I. Photoelastic stress analysis in blood vessel phantoms: three-dimensional visualization and saccular aneurysm with bleb // International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery. 2011. V. 7 (1). P. 33-41. doi: 10.1002/rcs.365
Feng W., Laishou L., Junhua Z., Chun Y., Yue W. Research on the effect of bedrock upon the stress of a gravity dam bulk by the photoelastic method // Journal of Materials Processing Technology. 2002. V. 123 (2). P. 236-240. doi: 10.1016/S0924-0136(01)01185-2
Паулиш А.Г., Сидоров В.И., Федоринин В.Н., Шатов В.А. Пьезооптический датчик де формации и метод контроля параметров движения подъемных механизмов // Известия высших учебных заведений // Приборостроение. 2018. № 6. С. 530-538.
Xi X., Wong G.K.L., Weiss T., Russell P.S.J. Measuring mechanical strain and twist using helical photonic crystal fiber // Optics Letters. 2013. V. 38 (24). P. 5401-5404. doi: 10.1364/OL.38.005401
Волков И.В. Внестендовая спекл-голография. Использование голографической и спеклинтерферометрии при измерении деформаций натурных конструкций // Компьютерная оптика. 2010. № 1. С. 82-89.
Морозова Д.В., Серова Е.А. Исследование влияния конструктивного решения узлов металлических конструкций при вариантном проектировании // Экология и строительство. 2015. № 2. С. 4-8.
Попова М.В., Шохин П.Б., Глебова Т.О., Шабардина Н.Д. Особенности инженерного расчета деревокомпозитных конструкций // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2018. № 8. С. 36-43.
Zerkal S.M., Kharinova N.V., Tabanyukhova M.V. Investigation of stress state in plane truss nodes // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. XIII International Scientific Conference Architecture and Construction 2020. Bristol : IOP Publishing Ltd., 2020. Art. 012008. doi: 10.1088/1757-899X/953/1/012008.
Албаут Г.Н., Матус Е.П., Табанюхова М.В. Исследование напряженного состояния дисперсно-армированных балок с привлечением метода фотоупругости // Деформация и разрушение материалов. 2009. № 4. С. 46-48.
Ахметзянов Ф.Х. Влияние поверхности бетонных и железобетонных элементов на повреждаемость (часть 2) // Известия Казанского государственного архитектурностроительного университета. 2010. № 1. С. 96-101.
Маковецкая-Абрамова О.В., Хлопова А.В., Маковецкий В.А. Исследование концентрации напряжений при сварке трубопроводов // Технико-технологические проблемы сервиса. 2014. № 2. С. 25-27.
Дюрелли А., Райли У. Введение в фотомеханику (поляризационно-оптический метод) : пер. с англ. М. : Мир, 1970. 576 с.
Метод фотоупругости : в 3 т. / ред. Г.Л. Хесин. М. : Стройиздат, 1975. Т. 1: Решение задач статики сооружений. Метод оптически чувствительных покрытий. Оптически чувствительные материалы. 460 с.
Александров А.Я., Ахметзянов М.Х. Поляризационно-оптические методы механики деформируемого тела. М. : Наука, 1973. 576 с.
Степанова Л.В., Долгих В.С. Цифровая обработка результатов оптоэлектронных измерений. Метод фотоупругости и его применение для определения коэффициентов многопараметрического асимптотического разложения М. Уильямса поля напряжений // Вестник Самарского государственного технического университета. Сер. Физикоматематические науки. 2017. № 4. С. 717-735.
Baek T.H., Kim M.S., Hong D.P. Fringe analysis for photoelasticity using image processing techniques // International Journal of Software Engineering and its Applications. 2014. V. 8 (4). P. 91-102. doi: 10.14257/ijseia.2014.8.4.11
Косыгин А.Н., Косыгина Л.Н. Цифровая обработка экспериментальных интерферограмм, полученных методом фотоупругости // Вестник Самарского университета. Естественнонаучная серия. 2019. № 2. С. 75-91.
Surendra K.V.N., Simha K.R.Y. Digital image analysis around isotropic points for photoelastic pattern recognition // Optic Engineering. 2015. V. 54 (8). Art. 081209. doi: 10.1117/1.OE.54.8.081209
Лихачев А.В., Табанюхова М.В. Оценка расстояния от заданной точки до максимума интерференционной полосы // Автометрия. 2021. № 3. С. 30-38. doi: 10.15372/AUT20210304
Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. 2-е изд. СПб. : Питер, 2007. 751 с.
Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений : пер. с англ. 3-е изд. М. : Техносфера, 2012. 1072 с.
Лихачев А.В. Новый алгоритм повышения контраста мелкомасштабных деталей изображения на основе разложения по вейвлетам // Цифровая обработка сигналов. 2018. № 3. С. 44-48.
Лихачев А.В. Модифицированный метод обнаружения мелких структур на зашумленных изображениях // Автометрия. 2019. № 6. С. 55-63. doi: 10.15372/AUT20190607