真应力-真应变计算模型及测试系统的利记博彩app

专利名称：真应力-真应变计算模型及测试系统的利记博彩app
技术领域：
本发明属于实验力学，具体地说是根据力学原理创建理论模型，并利用视觉技术和 图像分析技术构成非接触测量方法应用于材料力学性能测试。
(二)
背景技术：
材料在各种不同条件下的应力一应变响应特性是反映材料性能的主要力学性能指 标，对这些特性的研究以及各种力学性能指标的确认都是建立在实验基础上的，因此在 材料力学性能的研究中，测试实验至关重要。
材料应力一应变关系的测试，通常是利用材料试验机进行拉伸实验实现的，最终 结果是基于试样的原始尺寸(截面面积A，标距Z。)，通过计算导出得到的。称这种应力一 应变为工程应力—应变。
工程应力一应变曲线并不能表示出材料本质的行为特性。因为在拉伸任意时刻，试 样的横截面积^和标距长度/是不断变化的，因此任一瞬时的真实应力…和真实应变 。与相应的工程应力。和工程应变e之间是有差异的，当材料进入塑性变形阶段后 这种差异尤为明显。特别是当试样出现局部变形(颈縮)后，在其工程应力一应变曲线 曲线)上出现了随着应变的增加而应力却随之大幅度下降的趋势。这是由于颈縮 出现时试样颈縮处的横截面迅速縮小，因而，使试样继续变形所需的载荷下降，而相应
的工程应力却仍以原始面积A进行计算，导致应力一应变的运算偏差加剧。实际上，颈
縮后外加载荷,虽然下降了，但材料在整个颈縮过程中却还在不断的硬化，因此进一歩 产生变形所需的应力仍然在不断增加。这种测试参数与真实参量间的误差需要用更精准 可靠的理论模型和适用测试方法来解决。
至今没有根本解决真应力、真应变测试问题的根本在于没有在相关的测量理论分析 模型上有所突破。其次，传统测量方式主要是采用接触式传感器进行直径与标距的动态 测量，或直接将活动夹头的位移当作试件标距的变形，这种方法不能准确的测出材料的
真应力一真应变的主要原因是颈縮点位置的不确定，断裂面位置的随机性，断裂时刻 的不可预见性及断裂瞬间的崩断现象给接触式测量带来许多难于克服的困难。因此，探 索全新的理论模型，并寻求一种非接触式的测量方法是解决问题的根本出路。
(三)

发明内容
本发明针对真应力一真应变测量的实际问题，研究了材料变形的本质特征，公开一 种真应力一真应变计算模型及测试系统。本发明在对拉伸试件变形分析的基础上，将特殊部位具有特征的单元体作为应力应变分析的对象，创建了独特的全变形单元模型，首 先确立了真应力、真应变的理论基础。建立了相应的变形评价与计算理论，首先解决了 真应力真应变理论分析问题，然后采用机器视觉技术与图像处理方法创建了与非接触测
量相适应的适用软、硬件系统，实现了真正意义上的真应力一真应变测量。
真应力一真应变测量方法和计算模型，在对拉伸试件变形分析的基础上，将特殊部 位具有特征的单元体作为应力应变分析的对象，创建全变形单元模型；当对试样进行拉 伸时，最终断裂的最小直径处的微小单元经历整个变形过程的各个阶段直至断裂，微小 单元的力学行为真正完整地反映材料真实的本构关系；微小单元上测得的应力和应变是 真应力、真应变；这个单元变形几何特征是，在拉伸试验过程中，无论是均匀的弹性、 塑性变形，还是局部变形(颈縮)阶段，试件的变形是轴对称的，颈縮图形平面投影的 特征是，颈縮部位的外轮廓线始终是对称与轴线向内凹曲的曲线，如果在试件平面投影 图形外廓曲线的内侧设置两条分别与两外廓曲线相切的直线，在整个试验过程中，随着 颈縮的发展，都使得这种相切关系得到保持，同时动态实时测量两直线距离，测得任意 时刻试件标距范围内的最小直径。
当材料发生颈縮后，处于最小直径附近的材料基本为几何对称体，在该处取长度为 1。的微小长度作为分析单元，在长度趋于零的极限情况下，可忽略母线曲率变化，视为 一个饼状单元体，任意时刻的真应力、真应变可分别表示为
<formula>formula see original document page 6</formula>其中Fi-任意时刻拉伸载荷，di-任意时刻最小直径，d。-原始直径，(T,-任意时刻 真应力，e,-任意时刻真应变；
只要测出任意瞬时的Fi，di，就可以得到任意时刻准确的真应力、真应变。如同时测 得L则可同时得到延伸率，弹性模量等基本力学参数。
2.真应力、真应变测量系统，包括有试件(1)、光源(2)、 CCD摄像机(3)、材料 试验机(4)、和图像和载荷捕捉单元(5)、图像和载荷分析处理单元；
一方面，用摄像方法适时采集试样变形过程的图象，利用视觉技术的丰富功能随时 跟踪截面尺寸的变化，寻找最小截面位置，计算最小直径，同时同步记录载荷变化过程， 利用最小截面和载荷数据计算每一瞬时的真应力、真应变；另一方面，在确定的位置设 置标记点，实时摄制标记点位移图像，用于延伸率计算，也可同时计算工程应力一应变， 最后编制处理软件输出各项检测数据并绘出真应力一真应变关系曲线和工程应力一应 变曲线；信息捕捉包括图像的获得和载荷的获得两部分。 一部分是通过视觉系统实时监测拉伸试样的整个拉伸过程采集到图像，为最小直径的测量做准备。图像测量的硬件主 要包括摄像头、CCD、图像采集卡、照明系统。而载荷信号通过数据采集卡直接由材 料拉伸试验机的载荷输出端获取；图像和载荷的获得是两个并行的主线，进入计算机进 行处理；完成对模型对象的图像捕捉和图像分析处理，得到真实的材料力学参数及真应 力-真应变曲线。
真应力、真应变测量系统的软件流程为用CCD传感器采集试样变形过程中的图像， 通过图像采集卡把原始图像转化为数字图像信息并传入计算机，用图像处理软件对数字 图像进行处理并得到颈縮处的横截面积及试样轴向位移；通过设备上的压力传感器将拉 伸过程中的载荷变化信号转化为电压变化信号，由一张数据采集卡采集此电压信号并传 入计算机。为了确保图像采集卡和数据采集卡同时采集，采用总线触发模式两路信号同 歩运行。整个过程只由LabVIEW编制的软件系统进行控制和操作。
真应力、真应变测量系统图像采集部分包括设备有初始化、采集通道的设置、图像 采集及图像读取四部分；图像采集的整个过程首先是由初始化开始的，采用IMAQ Init.vi模块，模块的功能是配置IMAQ文件，并对图像采集外部设备进行初始化；接下 来对通道的设置，采集通道的设置通过一个性质节点来实现，通道是图像采集卡安装时 已经预先设置，二者的通道名称是对应一致，采集图像利用IMAQ Grab Setup, vi模块 来实现，这个函数的功能是连续获取从图像采集卡采集到的图像；与IMAQ Init.vi模 块配合使用的；对要选择应用的图像进行读取，由頂AQ Acquire, vi模块实现；全变形 单元最小直径捕捉及标距测量程序包括下列功能子模块图象采集，中值滤波，阈值分 割，二值图像的闭运算，边界提取和尺寸测量；图中二值化子VI前部分为图象采集模 块，图像获取后，由二值化子VI进行中值滤波和阈值分割，使图像更加清晰便于边界 检测；边界提取之前，根据要检测的边缘形状，分别用区域划定子VI先在图像中设定 出测直径和测长度的搜索区域；在设定的搜索区域内执行Clamp Horizontal Min命令， 测量水平方向边界上的最小距离，即实时跟踪颈縮处横截面积的变化，同时在垂直方向 的搜索区域内执行Clamp Vertical Min命令，实时扫描标距的变化，得出最小直径和 实时标距。
真应力、真应变测量系统的载荷数据处理程序为
拉伸过程中载荷信号取自拉伸试验机端口的直流电压输出，向内存中写入载荷的频 率与图像采集频率相同。数据采集的程序使用DAQmx函数编写；将函数DAQmx Creat Channel设置为创建电压模拟输入通道；在函数DAQmx Read中则选择Anolog DBL 1 Chan lSamp，即l个通道进行l个采样的读取，读取到的电压值与电压当量相乘就得到载荷值。电压当量指每伏电压所代表的载荷值。各函数的功能及设置为
(1) DAQmx Creat Channel:这个函数用来创建一个DAQmx数据采集通道，这里选 择电压模拟输入通道，它的主要参数有Physical channels—设定物理通道；Minium value—最小输入电压值，这里设为-10V; Maxim咖value—最大电压输入值，这里设为 +10V;
(2) DAQmx Timming DAQmx:这里选择sample clock子VI。它可以设置采样数、 采样率，并在必要时设置缓冲区。它的主要参数有Rate—设置每通道采样率；Source— 设置采样时时钟信号源，可选择默认设置；Active edge—在时钟的上升缘下降缘采样； Sample mode—采样模式，选择连续采样；Samples per channel—有限采样时每通道的 采样数量；
(3) DAQmx Start Task:启动DAQmx任务函数；
(4) DAQmx Trigger:通过配置这个函数，定义接受到触发信号时的动作。在这里 选择start digital edge,即接收到数字触发信号时，开始采集数据；
(5) DAQmx Read: DAQmx读数据函数，这里选择Anolog Wfm IChan Nsamp，它返 回模拟输入的一维波形数据，包括1个通道，每个通道N个采样。它的主要参数有 Task/Channel in—输入任务名或虚拟通道名，这里我们设定输入通道为Channel8; Number of samples per channel—执行一次从每个通道采回的数据量；Timeout—超时， 设置等待采样的时间，如果到时没采够数据就有多少返回多少并报告出错，如果设置为 -1，就无限等待，根据采样频率和采样数设置等待时间为io秒。
本发明在采用图像处理技术进行测量的系统中，计算的中间结果是用像素数表示 的，只有求出物面上单位长度(mm)与像面上像素数的对应关系才能将测量结果的单位转
化为毫米长度。
标定的过程与全变形单元测试程序基本一致，也是对试样图像进行采集，选择一个 标定目标范围，通过对范围内原始直径图象进行滤波、二值化等处理，最后用垂直和水 平距离测量子VI测得试样直径所占有的像素个数，用测量结果除试样的直径值(mm)， 得到每个像素所代表的实际长度，即为像素当量。在标定的过程中需要这个直径位置共 有多少个像素，原始直径值与对应的像素数之比即为像素当量。 一旦得到像素当量就将 其作为规范值，在后续的计算程序中既为计算基准量靠它准确计算出任一时刻的直径 和标距长度。

图1全变形单元模型及变形特征图；图2最小直径捕捉测量原理图； 图3系统结构原理简图； 图4为系统软件框图5图像采集及全变形单元最小直径捕捉程序； 图6真应力-真应变计算程序； 图7载荷数据处理程序； 图8标定程序流图。 具体实施例方式
本发明全变性单元分析法的基本思路认为，当对试样进行拉伸时，实际只有最终断 裂的最小直径处的微小单元经历了整个变形过程的各个阶段直至断裂，所以只有这个微 小单元的力学行为才能够真正完整地反映材料真实的本构关系。因而，也只有这个单元 上测得的的应力和应变才是真正的应力、应变。从变形几何特征上看，当材料发生颈縮 后，处于最小直径附近的材料基本为几何对称体，在该处取长度为1。的微小长度作为分 析单元，在长度趋于零的极限情况下，可忽略母线曲率变化，视为一个饼状单元体，则 其模型和变形特征如图1所示。
在整个拉伸试验过程中，无论是均匀的弹性、塑性变形，还是局部变形(颈縮)阶 段，试件的变形始终是轴对称的，而从颈縮图形平面投影的特征上看，颈縮部位的外轮 廓线是对称与轴线向内凹曲的曲线，只要在试件平面投影图形外廓曲线的内侧设置两条 分别与两外廓曲线相切的直线，在整个试验过程中，都使得这种相切关系得到保持，同 时动态实时测量两直线距离，就可有效的保证测得任意时刻试件标距范围内的最小直 径，图2为最小直径捕捉的基本原理图。
现代视觉和图像处理技术的结合为实现这种测量方法提供了有效的保证，本项目采 用视觉技术和图像分析方法建立了适用于全变形单元分析法的测试系统，完成对模型对 象的图像捕捉和图像分析处理，得到真实的材料力学参数及真应力-真应变曲线。
测试系统的硬件设计主要包括图像的获得和载荷的获得两部分， 一部分是通过视觉 系统实时监测拉伸试样的整个拉伸过程采集到图像，为最小直径的测量做准备。图像测 量的硬件主要包括摄像头、CCD、图像采集卡、照明系统。而载荷信号通过数据采集 卡直接由材料拉伸试验机的载荷输出端获取。图像和载荷的获得是两个并行的主线，最 后都要进入计算机进行处理，图3为系统结构简图。
本系统软件开发采用了美国NI公司的LabVIEW作为开发平台，系统硬件中的图像 采集卡和数据采集卡，以及IMAQ Vision软件包均为NI的产品，硬件间有较好的兼容性。另外，因LabVIEW开发平台没有现成的亚像素处理模块，而MATLAB又具有强大的 数据处理能力，因此在进行亚像素处理的过程用，将图像转化为数组，利用MATLAB进 行处理实现，最后通过两个软件很好的结合，使经过MATLAB处理后的数据反馈到 LabVIEW开发平台，图4为系统软件流程关系图。 本发明优点
(1) 本项目中提到的求真应力一真应变的全变形单元分析法，能够真实的描述材料 的变形过程，利用该模型可有效的测取真应力和真应变，比传统的真应力一真应变和工 程应力一应变能更准确的表现出材料的力学行为特征。
(2) 基于机器视觉技术的非接触式的测试方法，可以实现对拉伸全过程的实时监测。
彻底解决了无法对变形进行全程准确检测的难题，从而获得正确的、精度较高的真应 力一真应变曲线。
(3) 本系统以LabVIEW为开发平台、采用模块化的设计思想进行软件设计，二者的 结合使系统具有开发周期短、精度高、应用灵活、结构清晰及易于维护和扩展等特点， 弥补了传统测试方法的不足。
(4) 由于测试过程完全是非接触的，本系统可用于材料的高、低温性能测试。
(5) 可以通过镜头拼接等技术，建立适当的硬件系统满足特殊的材料性能测试的需 求，如超塑性材料的真应力一真应变测试等。
权利要求
1.真应力-真应变测量方法和计算模型在对拉伸试件变形分析的基础上，将特殊部位具有特征的单元体作为应力应变分析的对象，创建了全变形单元模型；当对试样进行拉伸时，只有最终断裂的最小直径处的微小单元经历整个变形过程的各个阶段，直至断裂，它的力学行为真正完整地反映材料真实的本构关系，因而微小单元上测得的应力和应变是真应力、真应变；这个单元变形几何特征是，在拉伸试验过程中，无论是均匀的弹性、塑性变形，还是局部变形(颈缩)阶段，试件的变形始终是轴对称的，颈缩图形平面投影的特征是，颈缩部位的外轮廓线始终是对称与轴线向内凹曲的曲线，如果在试件平面投影图形外廓曲线的内侧设置两条分别与两外廓曲线相切的直线，在整个试验过程中，随着颈缩的发展，都使得这种相切关系得到保持，只要动态实时测量两直线距离，即可准确测得任意时刻试件标距范围内的最小直径。理论模型及计算公式当材料发生颈缩后，处于最小直径附近的材料基本为几何对称体，在该处取长度为l0的微小长度作为分析单元，在长度趋于零的极限情况下，可忽略母线曲率变化，视为一个饼状单元体，任意时刻的真应力、真应变可分别表示为<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>&sigma;</mi> <mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <msub><mrow> <mn>4</mn> <mi>F</mi></mrow><mi>i</mi> </msub> <msubsup><mi>&pi;d</mi><mi>i</mi><mn>2</mn> </msubsup></mfrac> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2008100649550002C1.tif" wi="15" he="10" top= "152" left = "57" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths><maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>&epsiv;</mi> <mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <msubsup><mi>d</mi><mn>0</mn><mn>2</mn> </msubsup> <msubsup><mi>d</mi><mi>i</mi><mn>2</mn> </msubsup></mfrac><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow>]]></math> id="icf0002" file="A2008100649550002C2.tif" wi="18" he="11" top= "151" left = "91" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>其中Fi-任意时刻拉伸载荷，di-任意时刻最小直径，d0-原始直径，σi-任意时刻真应力，εi-任意时刻真应变；只要测出任意瞬时的Fi，di，就可以得到任意时刻准确的真应力、真应变。如同时测得li则可同时得到延伸率，弹性模量等基本力学参数。
2.真应力、真应变测量系统，包括有试件(1)、光源(2)、 CCD摄像机(3)、 材料试验机(4)、和图像和载荷捕捉单元(5)、图像和载荷分析处理单元；一方面，用摄像方法适时采集试样变形过程的图象，利用视觉技术的丰富功能 随时跟踪截面尺寸的变化，寻找最小截面位置，计算最小直径，同时同步记录载荷 变化过程，利用最小截面和载荷数据计算每一瞬时的真应力、真应变；另一方面， 也可在确定的位置设置标记点，实时摄制标记点位移图像，用于延伸率计算，还可 同时计算工程应力一应变，最后编制处理软件输出各项检测数据并绘出真应力一真 应变关系曲线和工程应力一应变曲线；信息捕捉包括图像的获得和载荷的获得两部 分。 一部分是通过视觉系统实时监测拉伸试样的整个拉伸过程采集到图像，为最小直径的测量做准备。图像测量的硬件主要包括摄像头、CCD、图像采集卡、照明系 统。而载荷信号通过数据采集卡直接由材料拉伸试验机的载荷输出端获取；图像和 载荷的获得是两个并行的主线，进入计算机进行处理；完成对模型对象的图像捕捉 和图像分析处理，得到真实的材料力学参数及真应力-真应变曲线。
3.如权利要求2所述的真应力、真应变测量系统，其系统的软件流程为用CCD 传感器采集试样变形过程中的图像，通过图像采集卡把原始图像转化为数字图像信 息并传入计算机，用图像处理软件对数字图像进行处理并得到颈縮处的横截面积及 试样轴向位移；通过设备上的压力传感器将拉伸过程中的载荷变化信号转化为电压 变化信号，由一张数据采集卡采集此电压信号并传入计算机。为了确保图像采集卡 和数据采集卡同时采集，采用总线触发模式两路信号同步运行。整个过程只由 LabVIEW编制的软件系统进行控制和操作。
4. 如权利要求2所述的真应力、真应变测量系统，其特征在于图像采集部分 包括设备的初始化、采集通道的设置、图像采集及图像读取四部分；图像采集的整 个过程首先是由初始化开始的，采用IMAQ Init.vi模块，模块的功能是配置IMAQ 文件，并对图像采集外部设备进行初始化；接下来对通道的设置，采集通道的设置 通过一个性质节点来实现，通道是图像采集卡安装时已经预先设置，二者的通道名 称是对应一致，采集图像利用IMAQ Grab Setup, vi模块来实现，这个函数的功能是 连续获取从图像采集卡采集到的图像；与頂AQ Init.vi模块配合使用的；对要选择 应用的图像进行读取，由IMAQ Acquire, vi模块实现；全变形单元最小直径捕捉及 标距测量程序包括下列功能子模块图象釆集，中值滤波，阈值分割，二值图像的 闭运算，边界提取和尺寸测量；图中二值化子VI前部分为图象采集模块，图像获取 后，由二值化子VI进行中值滤波和阈值分割，使图像更加清晰便于边界检测；边界 提取之前，根据要检测的边缘形状，分别用区域划定子VI先在图像中设定出测直径 和测长度的搜索区域；在设定的搜索区域内执行Clamp Horizontal Min命令，测量 水平方向边界上的最小距离，即实时跟踪颈縮处横截面积的变化，同时在垂直方向 的搜索区域内执行Clamp Vertical Min命令，实时扫描标距的变化，得出最小直径 和实时标距。
5. 如权利要求2所述的真应力、真应变测量系统，其载荷数据处理程序为 拉伸过程中载荷信号取自拉伸试验机端口的直流电压输出，向内存中写入载荷的频率与图像采集频率相同。数据采集的程序使用DAQmx函数编写；将函数DAQmx Creat Channel设置为创建电压模拟输入通道；在函数DAQmx Read中则选择AnologDBL 1 Chan 1 Samp，即1个通道进行1个采样的读取，读取到的电压值与电压当量 相乘就得到载荷值。电压当量指每伏电压所代表的载荷值。各函数的功能及设置为(1) DAQmx Creat Channel:这个函数用来创建一个DAQmx数据采集通道，这 里选择电压模拟输入通道，它的主要参数有Physical channels—设定物理通道； Minium value—最小输入电压值，这里设为-10V; Maximum value—最大电压输入值， 这里设为+10V;(2) DAQmx Timming DAQmx:这里选择sample clock子VI。它可以设置采样数、 采样率，并在必要时设置缓冲区。它的主要参数有Rate—设置每通道采样率； Source—设置采样时时钟信号源，可选择默认设置；Active edge—在时钟的上升缘 下降缘采样；Sample mode—采样模式，选择连续采样；Samples per channel—有 限采样时每通道的采样数量；(3) DAQmx Start Task:启动DAQmx任务函数；(4) DAQmx Trigger:通过配置这个函数，定义接受到触发信号时的动作。在 这里选择start digital edge,即接收到数字触发信号时，开始采集数据；(5) DAQmx Read: DAQmx读数据函数，这里选择Anolog Wfm IChan Nsamp，它 返回模拟输入的一维波形数据，包括1个通道，每个通道N个采样。它的主要参数 有Task/Cha皿el in—输入任务名或虚拟通道名，这里我们设定输入通道为 Cha聰18; Number of samples per cha廳l一执行一次从每个通道采回的数据量； Timeout—超时，设置等待采样的时间，如果到时没采够数据就有多少返回多少并报 告出错，如果设置为-1，就无限等待，根据采样频率和采样数设置等待时间为10秒。
6.如权利要求2所述的真应力、真应变测量系统，其特征是在采用图像处理 技术进行测量的系统中，计算的中间结果是用像素数表示的，只有求出物面上单位 长度(mm)与像面上像素数的对应关系才能将测量结果的单位转化为毫米长度。标定的过程与全变形单元测试程序基本一致，也是对试样图像进行采集，选择 一个标定目标范围，通过对范围内原始直径图象进行滤波、二值化等处理，最后用 垂直和水平距离测量子VI测得试样直径所占有的像素个数，用测量结果除试样的直 径值(mm)，得到每个像素所代表的实际长度，即为像素当量。在标定的过程中需要 这个直径位置共有多少个像素，原始直径值与对应的像素数之比即为像素当量。一 旦得到像素当量就将其作为规范值，在后续的计算程序中既为计算基准量靠它准确 计算出任一时刻的直径和标距长度。
全文摘要
本发明针对真应力-真应变测量的实际问题，研究了材料变形的本质特征，公开一种真应力-真应变计算模型及实用测试系统1.在对拉伸试件变形分析的基础上，将特殊部位具有特征的单元体作为应力应变分析的对象，创建了独特的全变形单元模型，首先解决了真应力真应变理论分析问题，确立了理论基础，建立了新的真应力-真应变计算公式σ_i＝4Fi/πd²_iε_i＝(d²₀/d²_i)-1。2.采用机器视觉技术与图像处理方法开发了与之相适应的实用软、硬件系统，实现了真正意义上的非接触真应力-真应变直接测量。3.测试系统硬件包括光源(1)、CCD摄像机(2)、图像采集卡(3)、数据采集卡(4)、材料试验机(5)。4.软件包括图像捕捉、载荷数据采集及综合计算分析程序。
文档编号G01N3/00GK101319977SQ20081006495
公开日2008年12月10日 申请日期2008年7月18日 优先权日2008年7月18日
发明者刘兴秋, 刘祥峰, 吕荣华, 林寅彬, 王长利, 壮 范, 郭永良, 军 高, 俊 黄 申请人:哈尔滨工业大学