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Aug 13, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 7760 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A técnica de correlação de imagem digital estéreo (estéreo-DIC ou 3D-DIC) tem sido amplamente utilizada na medição de forma e deformação tridimensional (3D) devido à sua alta precisão e flexibilidade. Mas é uma tarefa difícil para ele lidar com componentes de estruturas complexas por causa da severa distorção de perspectiva em duas vistas. Este artigo procura resolver esse problema usando um sistema de câmera única baseado em perfilometria de projeção de franja assistida por DIC (FPP). Uma geometria 3D pixel a pixel e completa de estruturas complexas pode ser reconstruída usando o método robusto e eficiente de código de Gray baseado em um sistema FPP. E então, o DIC é usado apenas para executar a correspondência temporal e o rastreamento pixel a pixel de campo completo. As deformações dentro e fora do plano são obtidas ao mesmo tempo comparando diretamente os dados 3D precisos e completos de cada pixel correspondente. Os métodos de design de padrão speckle e redução de ruído de franja são cuidadosamente comparados e escolhidos para garantir simultaneamente a precisão da medição da forma 3D e da deformação. Os resultados experimentais demonstram que o método proposto é um meio eficaz para obter forma 3D de campo completo e medição de deformação em peças complexas, como estrutura de favo de mel e tubo composto trançado, que são desafiadores e até mesmo impossíveis para o método estéreo-DIC tradicional.

Compreender o comportamento dinâmico de um componente estrutural é essencial para analisar suas propriedades mecânicas e prevenir condições críticas de trabalho. A resposta dinâmica das peças estruturais é necessária para testar os parâmetros da estrutura, orientar o projeto estrutural e, finalmente, melhorar seu desempenho, independentemente da fabricação tradicional (por exemplo, máquina controlada numericamente por computador e fabricação aeroespacial) e manufatura avançada (por exemplo, manufatura aditiva e biofabricação). 1,2,3. Os métodos de medição convencionais usam sensores de contato (por exemplo, máquina de medição por coordenadas e medidores de tensão) para obter medições pontuais e adquirir apenas as informações de vários pontos discretos, o que é difícil de descrever com precisão o estado transiente e analisar a mudança estrutural de peças de estrutura complexa. Portanto, análises de forma e deformação de campo completo e sem contato para peças complexas são urgentemente necessárias para fornecer suas características quantitativas correspondentes.

A correlação de imagem digital (DIC) provou ser uma poderosa técnica sem contato para medição de deformação4,5. E tem sido empregado em muitos campos devido à sua medição multiescala, sem contato e em campo total6,7. Recentemente, com o desenvolvimento da visão estéreo binocular e da tecnologia de fotografia de alta velocidade, a correlação de imagem digital estéreo (estéreo-DIC ou 3D-DIC) tem sido amplamente aplicada em medições dinâmicas de forma e deformação 3D8,9,10. No entanto, o uso de duas câmeras de alta velocidade aumenta consideravelmente o custo do sistema de medição e a sincronização precisa de duas câmeras de alta velocidade também é uma tarefa difícil11. Para resolver a limitação mencionada no estéreo-DIC, os métodos de estéreo-DIC de câmera única baseados em grade12, baseados em prisma13 e baseados em espelho14 foram propostos sucessivamente. Esses métodos usaram grade de difração, lente biprisma e adaptador de quatro espelhos para converter uma única câmera em duas ou três câmeras virtuais, que visualizam um espécime de diferentes pontos de vista15. E todas as estratégias acima pertencem aos métodos de divisão óptica usando um sensor de câmera para gravar duas ou mais imagens, então menos da metade do sensor é usado para capturar a região de interesse (ROI), reduzindo a resolução espacial dos resultados medidos. Para utilizar a resolução total de uma câmera, Pan propôs um método DIC estéreo de alta velocidade usando uma câmera colorida de alta velocidade16 e quadros completos de diferentes visualizações podem ser gravados e recuperados pelo sistema divisor de feixe e separação de cores. E esse tipo de método precisa executar a correção de diafonia de cores. Além disso, para todas as técnicas de DIC estéreo, apenas os dados no campo de visão sobreposto de duas câmeras podem ser usados ​​para calcular a forma e a deformação, e a semelhança de subconjunto entre duas visualizações deve ser garantida para a convergência do algoritmo iterativo. Portanto, este método é geralmente aplicado para medir as superfícies planas ou curvas. Mas para componentes de estruturas complexas, é diferente realizar a medição de forma e deformação em 3D de campo total devido à grande deformação entre os subconjuntos nas visualizações esquerda e direita causada pela rotação relativa entre duas câmeras e a forma complexa do espécime testado. No entanto, nas áreas aeroespacial, fabricação inteligente e análise de materiais, há muitas demandas na medição de forma e análise de deformação de componentes complexos, como estrutura de favo de mel, turbina de motor, estrutura laminada17,18,19. E os resultados da medição de componentes complexos no processo dinâmico podem ser usados ​​para analisar o desempenho estrutural e otimizar os parâmetros do material. Portanto, é necessário encontrar uma técnica para resolver esse problema e atender a esse requisito.