一種焊接構(gòu)件疲勞應(yīng)力及應(yīng)變實(shí)時(shí)非接觸式監(jiān)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于實(shí)驗(yàn)力學(xué)，具體涉及一種焊接構(gòu)件疲勞應(yīng)力及應(yīng)變實(shí)時(shí)非接觸式監(jiān)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]焊接連接作為建筑鋼結(jié)構(gòu)以及風(fēng)電結(jié)構(gòu)塔筒等結(jié)構(gòu)的主要連接方式得到了廣泛的應(yīng)用，其承受著各連接部件之間的交變荷載作用，在拉、壓交變載荷作用下，直接影響結(jié)構(gòu)的安全性。焊縫的疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)低于母材的疲勞強(qiáng)度，焊縫失效的主要形式為疲勞，焊縫的抗疲勞性在很大程度上取決于焊縫的宏觀和微觀幾何形狀，影響焊縫疲勞強(qiáng)度的因素很多，比如應(yīng)力幅值、平均應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力等，因此對焊縫疲勞應(yīng)力的監(jiān)測至關(guān)重要。如焊縫疲勞應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，則會影響結(jié)構(gòu)的正常工作，嚴(yán)重者將造成巨大的人員財(cái)產(chǎn)損傷。目前，針對焊縫疲勞應(yīng)力狀態(tài)的在線的監(jiān)測與研宄仍處于空白階段，對于焊接疲勞分析方法是通過有限元分析軟件來計(jì)算焊縫處的應(yīng)力，但是存在應(yīng)力對有限單元類型、網(wǎng)格形狀及尺寸敏感等問題；傳統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的方法通常是在關(guān)鍵部位貼應(yīng)變來獲取相關(guān)信息，但是對于接觸式傳感器不方便安裝的部分，例如焊縫及其焊趾處，由于所關(guān)心的焊縫部位應(yīng)變片的布置受到焊縫的幾何形狀和空間位置的限制，應(yīng)變片一般只能在離開焊縫位置一定距離處進(jìn)行粘貼，而且粘貼應(yīng)變片的數(shù)量也受到限制，這使得通過這種接觸式的傳感器只能監(jiān)測有限位置以及便于粘貼的位置，而對于不便于粘貼的位置以及任何位置處的應(yīng)力應(yīng)變情況則受到限制，為了得到構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變只能采用某些假設(shè)，比如均勻性假設(shè)，這在有些情況下可能得到錯誤的結(jié)果，也就不能真實(shí)的反映焊縫服役期間在疲勞荷載作用下真實(shí)的應(yīng)力分布規(guī)律和發(fā)展情況。因此有必要發(fā)展一種能用于不便于安裝接觸式應(yīng)力應(yīng)變傳感器而且需要掌握構(gòu)件任何位置處應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律以及演化規(guī)律的非接觸監(jiān)測技術(shù)。
[0003]國內(nèi)外在焊縫檢測的自動化和智能化研宄方面，主要集中于將機(jī)器視覺系統(tǒng)用在焊縫內(nèi)部缺陷和焊縫跟蹤上，主要是針對焊縫質(zhì)量評判進(jìn)行了大量的研宄與探討，然而關(guān)于對于焊縫疲勞應(yīng)力的監(jiān)測卻未有報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中為解決接觸式傳感器對于焊接構(gòu)件不便于安裝接觸式傳感器的部位的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測分布規(guī)律以及疲勞應(yīng)力應(yīng)變演化規(guī)律問題，提出一種焊接構(gòu)件疲勞應(yīng)力及應(yīng)變實(shí)時(shí)非接觸式監(jiān)測方法。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案:一種焊接構(gòu)件疲勞應(yīng)力及應(yīng)變實(shí)時(shí)非接觸式監(jiān)測方法，包括如下步驟:
[0006](I)在焊接構(gòu)件上設(shè)置網(wǎng)格線，所述網(wǎng)格線的交點(diǎn)為監(jiān)測點(diǎn)；
[0007]首先對焊接構(gòu)件用與構(gòu)件顏色對比明顯的彩色筆沿著構(gòu)件橫向和縱向按照構(gòu)件的大小以及監(jiān)測截面的大小確定網(wǎng)格間距，劃分網(wǎng)格，將每個網(wǎng)格的交點(diǎn)作為應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測點(diǎn)，該交點(diǎn)在圖像處理過程中表現(xiàn)為多個像素點(diǎn)的集合，將該集合作為一個微元體；
[0008](2)采用監(jiān)測系統(tǒng)將焊接構(gòu)件在疲勞荷載過程中待測區(qū)域的動態(tài)圖像進(jìn)行采集，并將圖像信息傳輸；
[0009]所述監(jiān)測系統(tǒng)包括CXD傳感器、鏡頭、圖像采集卡、圖像處理系統(tǒng)；用C⑶傳感器和鏡頭采集焊接構(gòu)件在疲勞荷載過程中監(jiān)測點(diǎn)的一系列動態(tài)變形圖像，CCD傳感器將其接收到的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)化成視頻信號輸出給圖像采集卡，圖像采集卡再將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字圖像信息供圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行處理；
[0010](3)將得到的監(jiān)測點(diǎn)圖像進(jìn)行像素點(diǎn)匹配；
[0011]每一個監(jiān)測點(diǎn)疲勞荷載過程中，宏觀上便顯出細(xì)微的變化，鏡頭每次采集圖像的像素點(diǎn)數(shù)尺寸固定，微觀尺度上則表現(xiàn)為所占的像素點(diǎn)在數(shù)目的不同，對相同監(jiān)測點(diǎn)不同時(shí)間的圖像進(jìn)行像素與像素的匹配，獲得每一個監(jiān)測點(diǎn)在每一時(shí)刻的像素?cái)?shù)目的變化；
[0012](4)根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)中像素點(diǎn)的變化，利用ε?= Λ LiZli計(jì)算監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)變值，其中ε ,為應(yīng)變值，ALi為長度變化值，L i為監(jiān)測區(qū)的長度值，進(jìn)而確定整個待測區(qū)域表面監(jiān)測點(diǎn)位置的應(yīng)變分布規(guī)律；
[0013]將待測區(qū)域連續(xù)的應(yīng)變分布離散化成求解每個監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)變值，當(dāng)網(wǎng)格的劃分足夠精細(xì)時(shí)，計(jì)算出每一個監(jiān)測點(diǎn)在不同時(shí)刻的應(yīng)變值就近似獲得疲勞荷載過程中的應(yīng)變的分布情況；
[0014](5)根據(jù)所述應(yīng)變值，利用Oi=Ee ^十算監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力，其中，σ i為應(yīng)力值，E為彈性模量，進(jìn)一步得到待測區(qū)域的監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力分布情況及其疲勞演化規(guī)律；
[0015]在疲勞荷載過程中，通過監(jiān)測中的像素點(diǎn)沿橫向和縱向的變化計(jì)算得到每個監(jiān)測點(diǎn)沿兩個方向的應(yīng)變值，假設(shè)焊接材料為在疲勞過程中的彈性模量E不發(fā)生變化，根據(jù)σ i=E ε i進(jìn)一步得焊接構(gòu)件任意位置處的應(yīng)力分布情況及其疲勞演化規(guī)律。
[0016]作為優(yōu)選，上述步驟(2)中所述圖像處理系統(tǒng)選擇LabVIEW軟件作為開發(fā)平臺，直接由圖像采集卡上的數(shù)字圖像信息與軟件對接；圖像處理系統(tǒng)是對采集到的圖像進(jìn)行處理，得到試件在試驗(yàn)過程中的動態(tài)圖片，經(jīng)過動態(tài)圖片實(shí)時(shí)的匹配最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)測；包括圖像預(yù)處理、邊緣檢測、圖像分割和圖像像素點(diǎn)匹配；圖像預(yù)處理的目的是為了消除在圖像獲取、傳輸、接受和處理過程中由于外部干擾以及內(nèi)部干擾造成的噪聲，改善原始圖像的效果，提高焊縫區(qū)域的清晰度，平衡圖像空間的像素值均勻度。圖像預(yù)處理主要是通過圖像濾波，針對圖像進(jìn)行噪聲處理，減小噪聲影響；灰度修正，按實(shí)際需要修正原始圖像的灰度分布，從而消除灰度畸變，增強(qiáng)對比度，改善視覺效果；圖像銳化，目的是使邊緣和輪廓線模糊的圖像變得清晰；幾何校正，針對某些成像系統(tǒng)造成的幾何畸形，對畸變的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行位置校正。邊緣檢測是通過梯度幅值閾值判據(jù)某種算法來提取出圖像中對象與背景間的交界線，按照交界線將試驗(yàn)構(gòu)件進(jìn)行分割，操作中優(yōu)選采用Roberts算子邊緣檢測。圖像分割的主要目的是把焊接試件圖像按照焊縫、母材等不同部位進(jìn)行分割，對不同區(qū)域進(jìn)行分別分析。主要過程為通過圖像邊緣檢測方法，即不同灰度級別或者灰度有較大變化區(qū)域，識別焊接試件的不同區(qū)域，將試件分為不同區(qū)域按照像素分析方法，識別應(yīng)力應(yīng)變分布及其演化規(guī)律。最后把未進(jìn)行疲勞荷載時(shí)刻圖像的特征信息作為參考模型，采用簡單的像素對像素的方式進(jìn)行圖像匹配。
[0017]作為優(yōu)選，上述步驟(2)中為獲得好的圖像，設(shè)置光源，光源優(yōu)選LED發(fā)光二極管，所述鏡頭和CCD傳感器為CCD攝像機(jī)，可通過外部信號觸發(fā)式開啟采集。為獲得高品質(zhì)、高對比度的圖像，將焊接構(gòu)件與背景盡量明顯分別，將監(jiān)測點(diǎn)采用有別于網(wǎng)格線的顏色進(jìn)行標(biāo)識、盡量減少反射、盡量屏蔽環(huán)境光線的影響，采用LED發(fā)光二極管以一定角度在焊接構(gòu)件前置照射，使整個焊縫區(qū)域受到均勻的光照。
[0018]本發(fā)明將焊接構(gòu)件焊縫及其周圍一定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行一定間距的網(wǎng)格劃分，將每一個網(wǎng)格交點(diǎn)看作微元體作為應(yīng)力應(yīng)變分析單元，在構(gòu)件承受疲勞荷載作用下，通過機(jī)器視覺監(jiān)測系統(tǒng)對在疲勞荷載作用過程中待測區(qū)域所有微元體圖像特征信息進(jìn)行提取，并對采集到的構(gòu)件圖像進(jìn)行像素點(diǎn)匹配，建立應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律與圖像特征之間的相互關(guān)系，從而得到微元體在疲勞荷載作用過程中的特征變化，得到應(yīng)變值及應(yīng)力分布情況，最終提供了一種基于機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)的焊接構(gòu)件疲勞應(yīng)力應(yīng)變分布及其演化規(guī)律的非接觸監(jiān)測方法。
[0019]本發(fā)明為得到不同精度的焊接構(gòu)件應(yīng)力及應(yīng)變分布情況和疲勞演化規(guī)律的數(shù)據(jù)，可以改變所述網(wǎng)格線中網(wǎng)格線間距，得到另一組監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)變和應(yīng)力信息。
[0020]本發(fā)明使用疲勞試驗(yàn)機(jī)掌握特定焊接構(gòu)件焊縫及其邊緣區(qū)域的應(yīng)力及應(yīng)變分布以及演化規(guī)律，從而掌握焊接構(gòu)件疲勞損傷過程中的力學(xué)性能的變化規(guī)律，建立疲勞損傷應(yīng)力(應(yīng)變)變化模型，為焊接構(gòu)件的疲勞壽命評估及預(yù)測提供依據(jù)。
[0021]有益效果:本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0022]1.本發(fā)明中提出的對待測微單元變形分析法，能夠真實(shí)的反映焊縫位置處的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，比傳統(tǒng)的粘貼應(yīng)變片測量應(yīng)變值的方法精度更高，避免應(yīng)變片采用電阻值變化來測定應(yīng)變值變化中間過程的轉(zhuǎn)變。
[0023]2、本發(fā)明操作簡單，屬于非接觸測量，主要用于解決接觸式傳感器無法粘貼的部位的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律及其疲勞演化規(guī)律的監(jiān)測問題。
[0024]3、本發(fā)明屬于非接觸式測量方法，解決了接觸式傳感器只能測試有限位置處的應(yīng)力應(yīng)變，無法得到整體結(jié)構(gòu)所有位置處的應(yīng)力應(yīng)變的問題，該方法通過一個監(jiān)測設(shè)備即可監(jiān)測一個面的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，而不是點(diǎn)。
[0025]4、本發(fā)明因分析設(shè)備體積小、價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)簡單而適合現(xiàn)場應(yīng)用，特別適合用于復(fù)雜的連接結(jié)構(gòu)，特別是大型工程結(jié)構(gòu)。
[0026]5、本系統(tǒng)基于LabVIEW軟件作為開發(fā)平臺，具有強(qiáng)大的后處理程序，精度高，應(yīng)用靈活。
【附圖說明】
[0027]圖1本發(fā)明焊接構(gòu)件平面示意圖；
[0028]圖2本發(fā)明監(jiān)測區(qū)域的網(wǎng)格示意圖；
[0029]圖