爆炸载荷下动态焦散图像的自动化处理.pdf

第3 4 卷第2 期 2 0 0 5 年3 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆，T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 4N o ．2 M a r ．2 0 0 5 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 0 2 0 1 3 3 0 5 爆炸载荷下动态焦散图像的自动化处理 杨仁树，边亚东，程海燕，周晓欢 中国矿业大学力学与建筑工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要根据焦散线基本原理与数字图像处理技术，建立了动态焦散图像自动化处理系统．针对I 型裂纹的动态应力强度因子 S I F ，推导出适合图像处理的计算公式．并以爆炸加载实验室模型 实验所得到的透射型焦散线图像为处理对象，不仅能计算出I 型裂纹尖端的动态应力强度因子， 还可计算出爆炸过程中裂纹扩展距离、速度等值．实例分析验证了系统的科学性和可靠性． 关键词焦散线；数字图像处理；裂纹；动态应力强度因子；裂纹扩展距离 中图分类号O3 8 文献标识码A I m a g eP r o c e s s i n gf o rD y n a m i cC a u s t i cU n d e rB l a s tL o a d i n g Y A N GR e n s h u ，B I A NY a d o n g ，C H E N GH a i y a n ，Z H O UX i a o h u a n S c h o o lo fM e c h a n i c s ，A r c h i t e c t u r e C i v i lE n g i n e e r i n g ， C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g8 | ．T e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t B a s eo nt h et h e o r yo fc a u s t i c sm e t h o da n dt h et e c h n o l o g yo fd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ，a s y s t e mo fi m a g ea u t o m a t i cp r o c e s s i n gf o rd y n a m i cc a u s t i cw a sd e v e l o p e d ．A i m i n ga td y n a m i cs t r e s s i n t e n s i t yf a c t o r S I F o ft h em o d e lIc r a c k ，t h ef o r m u l aa d a p t i n gt oi m a g ep r o c e s s i n gw a sd e d u c e d ． T h i ss y s t e mc a nd e a lw i t ht r a n s m i t t e dd y n a m i cc a u s t i ci m a g eu n d e rt h eb l a s t l o a d i n gm e a s u r i n g m o d e l ．N o to n l yt h em o d e lIs t r e s si n t e n s i t yf a c t o rb u ta l s ot h ec r a c kp r o p a g a t i o nd i s t a n c ea n d v e l o c i t yc a nb ec a l c u l a t e d ．T h ec a s es t u d i e sw e r ec a r r i e do u tt ov e r i f yt h ev a l i d i t ya n dr e l i a b i l i t yo f t h es y s t e m ． K e yw o r d s c a u s t i c s ；d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ；c r a c k ；d y n a m i cS I F ；c r a c kp r o p a g a t i o nd i s t a n c e 焦散线法是利用纯几何光学的映射关系，将物 体，特别是应力集中区域的复杂变形状态，转换成 非常简单而清晰的阴影光学图形一焦散线的一种 实验方法口] ．该方法对于应力梯度的变化特别敏 感，因而它是研究奇异应力场，特别是研究裂纹尖 端附近应力场的有力工具．用它去测量静、动态断 裂过程中裂纹尖端的应力强度应子，所利用的信息 是从应力场中非常接近裂纹尖端的微小区域得到 的，不需要对外载荷和边界条件的任何了解；也不 像其它光力学实验方法 如光弹性法、云纹法、全息 干涉法等 那样需要利用远场的应力场和适当的插 值公式． 在应用焦散线方法的过程中，焦散图像很容易 受到噪声干扰．试件表面和内部的微小瑕点会在像 面上留下放大的明、暗斑点，再加上人眼对灰度等 级的不敏感，焦散图像的人工处理会导致较大的误 差；且处理过程繁琐、速度慢，从而大大影响了焦散 线方法在断裂力学研究中的应用与发展． 针对上述问题，本文在焦散线方法的应用过程 中引人了数字图像处理技术．图像处理的对象可以 通过扫描实验结果得到，也可以通过摄像机与电脑 的数据传输获取．经过A ／D 模拟量／数字量 转换 器量化后，图像转换为由一系列象素组成的数学矩 阵．然后根据一定的算法对其进行增强以改善图像 质量．根据焦散线图像的特点采用“十”字线法确定 焦散斑中心点位置来提取焦散线的特征长度，就可 收稿日期2 0 0 4 0 8 2 7 基金项目高等学校博士学科点专项科研基金课题 2 0 0 2 0 2 9 0 0 1 0 作者简介杨仁树 1 9 6 3 一 ，男，安徽省和县人，教授，博士生导师，从事爆破理论及其工程应用方面的研究 万方数据 中国矿业大学学报第3 4 卷 以计算出裂纹尖端的应力强度因子以及裂纹扩展 距离等断裂力学参量． 1裂纹尖端焦散线分析 在任意平面问题中，裂纹尖端的奇异场是I 型 和Ⅱ型结果的线性叠加；而对任意三维的裂纹问 题，沿裂纹边界任意点的奇异场是3 种基本类型断 裂问题的线性叠j j r l F - 2 q ] ．在这3 种基本裂纹类型中， I 型裂纹扩展是工程中常遇到的情况，也是低应力 脆断的主要因素，所以实验和理论研究的大量工作 主要针对I 型裂纹进行． 1 ．1I 型裂纹 爆炸载荷下的定向断裂问题，实验所用试件材 料为有机玻璃．虽然在爆炸载荷作用下，试件既受 拉伸载荷作用，又受面内剪切载荷作用，产生I 型、 I 型的混合裂纹．但经过大量实验证明，改善实验 条件和控制爆炸药量可以得到近似I 型裂纹[ 4 ] ．特 别是在裂纹扩展的前期，焦散斑能保持稳定的I 型 形状．在整个裂纹扩展过程中，裂纹主要表现为I 型加载，正应力起主要作用．因此复合型应力强度 因子变化中，K 。始终大于K 。．所以将实验中的焦 散斑近似看作I 型，可以在保持精度的前提下，大 大减少计算量和降低图像信息提取的难度．后面的 讨论将按扩展裂纹为I 型这个假设展开． 1 ．2I 型裂纹K j 在爆炸载荷作用下，扩展裂纹附近的应力分布 规律与静止裂纹是有区别的[ 5 ] ，I 型裂纹尖端的动 态应力强度因子是时间的函数，用K 。 f 表示，简 记为K d I ，N ／m 3 ／2 ． 焦散线实验方法是根据几何光学定律，将应力 奇异转变为光学奇异来求解应力奇异区域的信息， 这个区域能够很精确地局限在很小范围内 焦散 斑 ．因此，能否从实验上高精度地确定动态应力强 度因子，对于研究动态载荷下裂纹的起裂、扩展和 止裂起着至关重要的作用． 为了估计I 型裂纹动态应力强度因子，需要引 入裂纹扩展速度 口 修正因子a 和文，它们与裂纹 扩展速度有关．式 1 是动态应力强度因子K j 的 计算公式嘲 矿。一Q Q Z 星． 里 』亟21 一 “1 一d z o ⋯’群2 一 端d Z 半， ㈩ o ⋯召2 ’“7 式中z 。为试件和参考平面之间的距离，m m ；d 为 试件厚度，m m ；⋯为材料应力光学系数，m 2 ／N ；D 。 为焦散斑沿裂纹方向直径，m m ；D - 为焦散斑沿垂 直裂纹方向直径，m m ；2 m 为光学系统放大系数，对 于平行光A 。一1 ． 1 ．3 图像处理的公式推导 动态应力强度因子计算公式并不适合数字图 像处理计算的要求，因为图像处理后得到的不是裂 纹扩展的直接长度，而是象素点数．这个数值与扫 描或传输时的图像分辨率有关，因此必须推导出适 合图像处理的计算公式． 在图像处理中，设扫描分辨率为，，成像所得 的试件像素点数昂，试件实际宽度为S ，则k 可以 用l p ／ f S 。 表示． 又因为从图像中提取的焦散斑直径也是用像 素点数D ，。和D 。- 来表达，所以有D 。一D 。。／f ，D ，一 D 。- ／，．把以上代换引入静态应力强度因子计算公 式，可得 K I 一精第一端鬻．㈤一丽‘万一丽’剪‘皑’ 打开图像文件时可以从信息头的变量中读出 ，值．若分辨率厂改变，则D u ，D t l ，z 。都相应改变， 不影响应力强度因子的理论值． 动态应力强度因子的计算过程由静态应力强 度因子K 。，求出扩展速度7 ．3 ，利用艿一秽／c s 的对应 关系求得修正因子，可得 科 嘉． 3 在图像处理中，通过对焦散斑的边缘进行提 取，可得中心线上的两个点 z 。，Y 。 和 z 。，Y ，由 此可确定中心线方程 曼塑一丝边一是． 4 工。- - X 1Z 2 一X l 还可以得到焦散斑在裂纹发展方向上前沿点 的坐标 z 。，Y 。 ．利用求坐标点到直线的垂直距离， 可得长度 L 一√虹监纽％学趟． 5 因为以上变量都是以像素点为单位，需要变换 成实际距离．所以裂纹实际扩展距离 即试件上的 距离 公式为 s 一 L 一0 ．5 2 5 7 D 。1 S p ／t p ． 6 据式 6 可计算裂纹扩展距离，从而可以根据 时间计算速度、加速度等量． 2 算法设计 本文应用V i s u a lC 6 ．0 设计开发了此图像 万方数据 第2 期杨仁树等爆炸载荷下动态焦散图像的自动化处理 处理系统，主要以爆炸加载实验室模型实验所得到 的透射型焦散线图像为处理对象，对实验结果进行 定量分析． 2 ．1图像增强 图像增强的目的是采用一系列技术去改善图 像的视觉效果或将图像转换成一种更适合于人眼 观察和机器分析识别的形式[ 7 { ] ，以便从图像中获 取更有用的信息；主要包括空域法和频域法等．空 域法是在图像平面上处理象素的算法，频域法是采 用数字滤波技术修改图像频谱的算法．本文图像增 强的实现，采用空域法． 空域法增强包括适用于扩展对比度的灰度变 换，消除噪声的各种平滑算法以及增强边缘的各种 锐化技术．由于爆炸加载图像处理的对象为负片， 容易出现曝光不足或过度的现象，因此灰度变换在 改善图像质量方面尤为重要． 2 ．2 “十”字线中心确定法 在实验中得到的焦散线图像上没有裂纹尖端 位置的对应点，本文采取了“十”字线中心确定法． 首先在图像中央自动生成一可移动的“十”字线，然 后将焦散线近似看作一个圆，根据圆的对称性几何 特点，将“十”字线的中心移至圆心处，该点即为近 似中心点． 近似中心点的确定为边缘点的提取提供了基 准，但若用它来计算应力强度因子，就必然要带来 较大的误差．其原因在于焦散线并不是严格意义上 的圆，而应力强度因子的计算却对中心点的位置有 着相当精确的要求．因此，在边缘点提取之后，根据 焦散线切线的性质对中心点定位进行二次优化即 可得到精度较高的中心点位置． 2 ．3 边缘提取 阀值分割是数字图像处理的基本问题[ 9 ] ，其目 的是按照灰度值，将图像空间分割成与现实景物或 对象相对应的一些有意义的区域．图像可以视为具 有不同灰度值的两类区域 目标和背景 组成，正确 的阀值检取将得到正确表征现实情况的二值图像， 从而有利于得到正确的评价和决策． 边缘是图像灰度变化明显的地方，但只是灰度 变化并不一定就是边缘．在改善了图像质量和确定 了中心点位置之后，提取边缘特征点就易于实现 了． 边缘特征点的提取是在定义了包含它的矩形 后，编写提取函数实现的．它的功能包括取得矩形 范围内各象素点的灰度数据；确定阀值；扫描各点 并最终得到焦散斑的最上点、最下点和最前沿点的 坐标值． 确定灰度阀值的主要步骤如下 1 规定阀值白色阀值M w ，当图中一点灰度 值大于等于M w 时，我们确定它与焦散斑的灰度 一致，是白色点；黑色阀值M B ，当一点灰度值小于 等于M B 时，我们确定它与背景色一致，是黑色点； 灰度值在M w 和M B 之间的是过渡点，主要出现 在边缘区域内．这里提到的白色、黑色不是指灰度 值就是2 5 5 和0 ，而是按上面条件规定的白色和黑 色． 2 M W ，M B 的赋值可以采用人工交互和自 动检测两种方法对其赋值．采用自动检测方式的思 路是，在焦散斑读取程序开始部分加入一段自动检 测代码．在焦散斑影像矩形框范围内，找到4 根等 间距线把矩形平分．在这4 根线上逐点扫描，遇到 灰度值比M w 大的将其存人M w ，灰度值比M B 小的将其存人M B ．扫描结束后，该范围内的最白 点和最黑点灰度值已被找到．自动检测能根据图像 的不同而采取不同的阀值． 2 ．4 特征长度 用特征长度法求解应力强度因子时，在焦散斑 中心点确定和边缘特征点提取后，可利用编写的计 算函数得出最大焦散斑直径，然后利用式 3 计算 K j ．套 3 实例分析 3 ．1 爆炸加载动焦散实验系统 爆炸加载动焦散实验系统主要包括爆炸加载 与防护；起爆方法及起爆装置；D D G S 多火花式高 速摄影系统；延迟与控制器；光一电转换系统．图1 为实验光路图‘1 0 ] ． G 1 G 2 一 G 3 G 1 ，’＼ 一L 舀 弋} i ＼ 光源场镜试件场镜相机镜头 图1 实验光路图 F i g ．1 B e a mp a t ho fe x p e r i m e n t 3 ．2 试件及爆炸加载装置 试件选用P M M A 有机玻璃 板材作为实验材 料，动态力学参数见表1 ．试件尺寸为4 0 0m m 3 2 0 m m 6m m ，炮孔数量4 个，直径为8 ．5m m ．药包 采用两种形式，一种是普通药包，另一种是把普通 药包装入切缝管做成切缝药包．切缝管材料为硬质 塑料，炸药选用叠氮化铅，药量为8 5m g ，采用探针 同时引爆各炮眼． 万方数据 中国矿业大学学报第3 4 卷 表1 材料的动态力学参数 T a b l e1 D y n a m i cm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fm a t e r i a l 注c p 为爆炸载荷下膨胀波波速；c 。为剪切波波速；E d 为动态弹 性模量；问为泊松比；⋯为应力光学常数． 3 ．3 实验结果及处理 图2 为切缝药包实验模型爆后的照片及经图 像处理系统处理后的动态焦散图像． 图2 切缝药包爆后试件照片及动态焦散图像负片 F i g ．2 T h ep h o t o g r a p h so fd y n a m i cc a u s t i c sa f t e r b l a s t i n gb yu s i n gs l o t t e dc a r t r i d g e 利用图像处理自动化系统对实验结果进行了 定量分析．图3 为应力强度因子一时问曲线图，图 4 为裂纹扩展平均速度一时间曲线图．裂纹起裂时 由于裂纹尖端能量的释放，裂纹扩展速度在很短时 间内增加幅度较大，且扩展裂纹处于加速状态，扩 展速度达到最大值后，伴随看能量释放的完成又逐 鐾 ’g g ● 堂 璺 ∽ 图3 应力强度因子一时间曲线 F i g ．3T h ec u r v e so fS I Fv e r s u st i m e 图4 裂纹扩展平均速度一时间曲线 F i g ．4 T h ec u r v e so fc r a c kp r o p a g a t i o n ’S a v e r a g ev e l o c i t yv e r s u st i m e 渐下降并最终趋于平缓变化． 爆炸载荷作用下，试件裂纹扩展速度与时间的 关系是不确定的．通过回归分析对大量实验数据加 以处理，可以确定上述不存在确定关系的变量之间 的关系规律性，并用数学关系式表达出来． 图5 ，6 是经过回归分析的裂纹扩展平均速度 与时间的关系曲线图．图5 是由确定方次回归分析 法求出的关系曲线，速度方程为5 次曲线．图6 是 由多项式逐次回归分析法求得的关系曲线，速度方 程为6 次曲线． ， h ● 昌 、 图5 确定方次回归法速度一时问曲线 F i g ．5 T h ec u r v e so fv e l o c i t yv e r s u st i m eu n d e r d e f i n i t ep o w e rr e g r e s s i o n ， 切 ● g j 图6 多项式逐次回归法速度一时间曲线 F i g ．6 T h ec u r v eo fv e l o c i t yv e r s u st i m e u n d e rp o l y n o m i a ls t e p w i s er e g r e s s i o n 借助数据统计软件生成的裂纹扩展速度与时 间的曲线可以用来验证回归曲线的准确性．实验处 理结果显示利用确定方次法和多项式逐次回归法 能够获得正确的模型方次和比较精确的模型参数． 4 结论 动态焦散图像自动化处理系统以爆炸加载实 验室模型实验所得到的透射型焦散线图像为处理 对象，采用图像对比度扩展、平滑及锐化等技术，最 大限度地降低了图像中噪声影响．应用人机交互手 段精确地提取了焦散线相关特征信息，不仅能计算 出I 型裂纹尖端的动态应力强度因子，还可计算出 爆炸过程中裂纹扩展距离等值．由此根据每幅图像 的采集时刻和各自的裂纹扩展距离，可用平均法计 万方数据 第2 期 杨仁树等爆炸载荷下动态焦散图像的自动化处理1 3 7 算出裂纹扩展的平均速度．采用回归分析法来拟合 裂纹扩展距离与时间的关系方程，通过求一阶导数 可得到速度与时间的关系方程，从而可以计算速度 的动态值．实验处理结果显示了两者的一致性． 通过对实例分析可以看出裂纹尖端应力强度 因子的变化规律与裂纹扩展速度很相似，都是在爆 炸的初始阶段迅速增加，增长到最大值后，先是下 降幅度较大，然后下降幅度逐渐减小，再经过一次 快速下降后，裂纹尖端的应力强度因子和裂纹扩展 速度的变化趋于平缓，甚至又有缓慢上升的趋势． 在数据处理中，数据误差很大程度上取决于对 图像特征信息的提取．今后的工作应继续提高特征 信息边缘判断准则的准确性，来更好地分析超动态 爆炸载荷下裂纹扩展的规律． 参考文献 [ 1 ]苏先基，励争．固体力学动态测试技术[ M ] ．北京 高等教育出版社，1 9 9 7 ． [ 2 ] K a l t h o f fJF ．O nt h em e a s u r e m e n to fd y n a m i cf r a c t u r e t o u g h n e s s [ J ] ．I n tJF r a c t u r e ，1 9 8 5 ，2 7 4 2 7 7 2 9 8 ． [ 3 ] 苏先基，刘承．焦散线实验方法综述[ J ] ．实验力学， 1 9 8 7 ，2 2 1 2 7 ． S uXJ ，L i uC ．O v e r v i e wo fc a u s t i c se x p e r i m e n t a l m e t h o d [ J ] ．Jo fE x p e r i m e n t a lM e c h a n i c s ，19 8 7 ，2 2 1 - 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