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Aug 13, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 7760 (2022) Citare questo articolo

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La tecnica di correlazione delle immagini stereo digitali (stereo-DIC o 3D-DIC) è stata ampiamente utilizzata nella misurazione della forma e della deformazione tridimensionale (3D) grazie alla sua elevata precisione e flessibilità. Ma è un compito arduo gestire componenti strutturali complessi a causa della grave distorsione prospettica in due viste. Questo articolo cerca di risolvere questo problema utilizzando un sistema a telecamera singola basato sulla profilometria a proiezione di frange assistita da DIC (FPP). Una geometria 3D completa in termini di pixel di strutture complesse può essere ricostruita utilizzando il metodo robusto ed efficiente con codice Gray basato su un sistema FPP. Quindi, DIC viene utilizzato solo per eseguire la corrispondenza temporale e il tracciamento completo pixel per pixel. La deformazione dentro e fuori dal piano si ottiene contemporaneamente confrontando direttamente i dati 3D accurati e completi di ciascun pixel corrispondente. I metodi di progettazione del modello maculato e di rimozione del rumore delle frange vengono attentamente confrontati e scelti per garantire contemporaneamente la precisione di misurazione della forma e della deformazione 3D. I risultati sperimentali dimostrano che il metodo proposto è un mezzo efficace per ottenere la misurazione della forma 3D e della deformazione a tutto campo su parti complesse, come la struttura a nido d'ape e il tubo composito intrecciato, che sono impegnative e persino impossibili per il tradizionale metodo stereo-DIC.

Comprendere il comportamento dinamico di un componente strutturale è essenziale per analizzarne le proprietà meccaniche e prevenire condizioni operative critiche. La risposta dinamica delle parti strutturali è necessaria per testare i parametri della struttura, guidare la progettazione strutturale e infine migliorare le loro prestazioni, indipendentemente dalla produzione tradizionale (ad esempio, macchine a controllo numerico computerizzato e produzione aerospaziale) e dalla produzione avanzata (ad esempio, produzione additiva e biofabbricazione) 1,2,3. I metodi di misurazione convenzionali utilizzano sensori di contatto (ad esempio, macchine di misura a coordinate ed estensimetri) per ottenere misurazioni puntuali e acquisire solo le informazioni di diversi punti discreti, il che è difficile descrivere accuratamente lo stato transitorio e analizzare il cambiamento strutturale di parti strutturali complesse. Pertanto, è urgentemente necessaria l'analisi della forma e della deformazione a campo pieno e senza contatto per parti complesse per fornire le corrispondenti caratteristiche quantitative.

È stato dimostrato che la correlazione delle immagini digitali (DIC) è una potente tecnica senza contatto per la misurazione della deformazione4,5. Ed è stato impiegato in molti campi grazie alla sua misurazione multiscala, senza contatto e a tutto campo6,7. Recentemente, con lo sviluppo della visione stereo binoculare e della tecnologia fotografica ad alta velocità, la correlazione dell'immagine stereo digitale (stereo-DIC o 3D-DIC) è stata ampiamente applicata nelle misurazioni dinamiche di forma e deformazione 3D8,9,10. Tuttavia, l'uso di due telecamere ad alta velocità aumenta considerevolmente il costo del sistema di misurazione e anche la sincronizzazione precisa di due telecamere ad alta velocità è un compito arduo11. Per risolvere la limitazione menzionata nello stereo-DIC, sono stati proposti successivamente i metodi stereo-DIC a telecamera singola basati su reticolo12, basati su prisma13 e basati su specchio14. Questi metodi utilizzavano reticolo di diffrazione, lenti bi-prisma e un adattatore a quattro specchi per convertire una singola telecamera in due o tre telecamere virtuali, che visualizzano un campione da punti di vista diversi15. E tutte le strategie di cui sopra appartengono ai metodi di suddivisione ottica che utilizzano un sensore della fotocamera per registrare due o più immagini, quindi viene utilizzato meno della metà del sensore per catturare la regione di interesse (ROI), riducendo la risoluzione spaziale dei risultati misurati. Per utilizzare la piena risoluzione di una telecamera, Pan ha proposto un metodo stereo-DIC ad alta velocità utilizzando una telecamera a colori ad alta velocità16 e i fotogrammi completi da diverse viste possono essere registrati e recuperati mediante un sistema di divisione del fascio e separazione dei colori. E questo tipo di metodo deve eseguire la correzione della diafonia del colore. Inoltre, per tutte le tecniche stereo-DIC, solo i dati nel campo visivo sovrapposto di due telecamere possono essere utilizzati per calcolare la forma e la deformazione, e la somiglianza del sottoinsieme tra due viste dovrebbe essere garantita per la convergenza dell'algoritmo iterativo. Pertanto, questo metodo viene solitamente applicato per misurare le superfici piane o curve. Ma per i componenti di strutture complesse, è diverso eseguire misurazioni di forma e deformazione 3D a tutto campo a causa della grande deformazione tra i sottoinsiemi nelle viste sinistra e destra causata dalla rotazione relativa tra due telecamere e dalla forma complessa del campione testato. Tuttavia, nei settori aerospaziale, della produzione intelligente e dell'analisi dei materiali, ci sono molte richieste sulla misurazione della forma e sull'analisi della deformazione di componenti complessi, come la struttura a nido d'ape, la turbina del motore, la struttura laminata17,18,19. E i risultati della misurazione di componenti complessi nel processo dinamico possono essere utilizzati per analizzare le prestazioni strutturali e ottimizzare i parametri del materiale. Pertanto, è necessario trovare una tecnica per risolvere questo problema e soddisfare questo requisito.