Способ исследования деформаций и напряжений методом технического зрения
Владельцы патента RU 2712758:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тюменский индустриальный университет" (ТИУ) (RU)
Изобретение относится к области использования систем технического зрения для исследования деформаций и напряжений методом хрупких тензочувствительных покрытий с помощью системы технического зрения. Способ исследования деформаций и напряжений методом технического зрения состоит из программной части и аппаратной части, представленной ПК и смарт-камерой, которая устанавливается над поверхностью исследуемого объекта, на который нанесен слой хрупкого тензочувствительного покрытия, программная часть представлена виртуальным прибором, который состоит из шести блоков, четыре из которых отвечают за цифровую обработку захватываемого изображения, а два оставшихся за построения изоэнтат и вычисление напряжений, соответствующих построенным изоэнтатам. При этом система технического зрения соединяет концы трещин между собой методом поиска парных границ, осуществляя фиксацию картины трещин, а также производит обработку полученных данных и выводит результат на экран монитора ПК, вычисляя напряжение для каждой изоэнтаты. 5 ил.
Изобретение относится к области использования систем технического зрения для исследования деформаций и напряжений, и может быть использовано для диагностики нефтегазохимического оборудования.
Известен способ для исследования деформаций и напряжений в элементах металлических конструкций с помощью нанесения хрупких покрытий, включающий в себя нанесение тонкого слоя покрытия на исследуемую поверхность /Методические рекомендации. Метод хрупких покрытий для определения деформаций и напряжений в элементах магистральных трубопроводов. - М., 2005. - С.34, 41-43/. Выбор покрытия и методика нанесения зависят от состояния исследуемой конструкции и условий ее испытания. Наносят тонкий слой покрытия, применительно к требуемым характеристикам тензопокрытия, выбирают режим нагружения. В хрупком покрытии появляются картины трещин, которые фиксируются на чертеже, и отмечается нагрузка, при которой эти трещины возникли. В зонах трещинообразования хрупкого покрытия производят локализацию мест, в которых с применением характеристик тензочувствительности может быть произведена оценка значений главных напряжений и деформаций. Анализируя образующиеся в хрупком покрытии картины трещин, можно оценить нагруженность различных зон исследуемой конструкции, установить направления действия главных напряжений и определить уровень этих напряжений.
Недостатком известного способа является то, что для хорошей видимости трещин необходима фотосъемка, определенное освещение. Сама методика обработки данных очень трудоемка. Использование возможностей хрупких тензочувствительных покрытий ограничено необходимостью наличия покрытия, имеющего соответствующие свойства.
Известен способ исследования деформаций и напряжений с помощью газоанализатора, заключающийся в том, что на поверхность детали наносят хрупкое тензочувствительное пористое покрытие с фреоном, осуществляют отверждение покрытия, нагружение конструкции и определяют зону высвобождения газа фреона из пористого покрытия (лопаются пузырьки), используя газоанализатор /RU2609185C1, МПК G01B 7/16, опубл. 30.01.2017/. В качестве хрупкого тензочувствительного пористого покрытия используют покрытие, выполненное из смеси, содержащей эпоксидную смолу, отвердитель ПЭП, газ фреон R-22 при следующем соотношении компонентов, мас. %: эпоксидная смола 65-84, отвердитель ПЭП 14-33, газ фреон R-22 2-10.
Недостатком известного способа является то, что требуется значительное количество времени на обработку полученной информации от газоанализатора.
Известен комбинированный способ исследования деформаций и напряжений, заключающийся в нанесение на поверхность детали хрупкого пористого тензочувствительного покрытия с газом фреоном, отверждение покрытия, нагружение детали и определение по образующимся трещинам зоны и направления пластических деформаций, установку модуля с датчиками преобразователей акустической эмиссии /RU2611597C1, МПК C09D 161/00, опубл. 28.02.2017/.
Недостатком известного способа является сложность выделения полезного АЭ-сигнала.
Известен способ для исследования деформаций и напряжений, заключающийся в том, что наносят на поверхность детали хрупкое тензочувствительное покрытие, осуществляют отверждение покрытия, нагружение детали и определяют по образующимся трещинам зону и направление пластических деформаций, используя датчики акустической эмиссии /RU2492463C1, МПК G01N 29/14, опубл. 10.09.2013/. В качестве хрупкого тензочувствительного покрытия используют покрытие на основе карамели, выполненное из смеси, содержащей воду и сахар, при следующем соотношении компонентов, мас. %: вода 65-75, сахар 25-35.
Недостатком известного способа является сложность приготовления смеси.
Известен способ исследования деформаций и напряжений в хрупких тензоиндикаторах, включающий в себя проведение акустико-эмиссионных измерений сигналов образования трещин в хрупком тензопокрытии /RU2505780, МПК G01B 5/30, опубл. 27.01.2014/. При этом при скорости изменения нагрузки до 0,1 кН/с с учетом 30-секундной поправки на задержку регистрации диагностируют процесс разрушения оксидной пленки тензоиндикатора и материала подложки.
Недостатком известного способа является то, что при этом дополнительно измеряют концентрацию аэрозолей в приповерхностном слое хрупкого тензопокрытия
Известен способ для исследования деформаций и напряжений, заключающийся в том, что на исследуемую поверхность детали наносят хрупкое тензочувстительное покрытие. Дополнительно осуществляют установку модуля с датчиками преобразователей акустической эмиссии. В качестве хрупкого покрытия используют покрытие на основе искусственных смол, содержащее резорциноформальдегидную смолу СФ-282 с добавлением карбамидоформальдегидного концентрата КФК-85. В качестве отвердителя жидкого карбамидоформальдегидного концентрата - водный раствор формалина, этиленгликоля и карбоксиметилцеллюлозы и гексаметилентетрамин /RU2345324C1, МПК G01B 17/04, опубл. 27.01.2009/.
Недостатком известного способа является опасность карбамидоформальдегидного концентрата.
Задачей, на решение которой направлено техническое решение, является разработка системы технического зрения для определения напряжений и деформаций с помощью хрупких покрытий. Изобретение позволит оценить напряженно-деформированное состояние исследуемого объекта, регистрировать трещины малозаметные человеческим глазом и контролировать их рост.
При осуществлении технического решения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в повышении оперативности регистрации трещин и обработки данных при помощи цифровой обработки изображений. Оценка напряженно-деформированного состояния объектов будет проводиться быстрее.
Указанный технический результат достигается за счет того, что система технического зрения, характеризующаяся тем, что состоит из программной и аппаратной части, представленной ПК и смарт-камерой, которая устанавливается над поверхностью исследуемого объекта, на который нанесен слой хрупкого тензочувствительного покрытия, программная часть представлена виртуальным прибором (ВП), который состоит из шести блоков, четыре из которых отвечают за цифровую обработку захватываемого изображения, а два оставшихся за построения изоэнтат и вычисление напряжений, соответствующих построенным изоэнтатам.
Система технического зрения соединяет концы трещин между собой методом поиска парных границ.
Система технического зрения производит обработку полученных данных и выводит результат на экран монитора ПК.
Исследование деформаций и напряжений методом хрупких тензочувствительных покрытий с помощью системы технического зрения обеспечивает:
- регистрацию трещин;
- контроль роста трещины;
- выявление опасных состояний объекта;
- проведение дистанционного мониторинга.
Заявляемый способ был опробован на металлических и деревянных образцах (металлический образец: длина - 180 мм, ширина - 20 мм, толщина - 2 мм; деревянный образец: длина - 160 мм, ширина - 25 мм, толщина - 3 мм). В качестве хрупкого покрытия на образцы наносился порошок канифоли. Использовалась среда графического программирования и разработки виртуальных приборов Labview, модуль технического зрения Vision Development module и набор драйверов Vision Acquisition Software.
На фиг.1 изображена структура системы технического зрения, которая состоит из: аппаратной части (смарт-камера 3, ПК 4, Ethernet интерфейс 5) и программной части (блок медианной фильтрации 8, блок бинаризации 9, блок морфологических операций 10, блок наложение картины трещин на исходное изображение 11, блок построения изоэнтат 12, блок вычисления напряжений). На фиг.2 и фиг.3 представлена программная часть системы технического зрения лицевой панелью ВП и блок-диаграммой соответственно.
Способ осуществляется следующим образом.
На поверхность объекта 2 наносят тонкий слой хрупкого тензочувствительного покрытия 1. Используют покрытие на канифольной основе. Устанавливают смарт-камеру 3, над поверхностью исследуемого объекта для захвата изображения. Захваченное изображение поступает на вход ПК 4 посредством Ethernet интерфейса 5. При нагружении исследуемого объекта захватывается изображение первых трещин 6. С помощью разработанного ВП 7 текущее изображение подвергается цифровой обработке. Рассмотрим блоки:
Первый блок 8 - буферизация исходного изображения. Созданная копия будет подвергаться обработке, в то время как исходное изображение останется неизменным.
Преобразование копии исходного изображения в полутоновое и медианная фильтрация. Задача медианной фильтрации подавления шумов на изображении.
Второй блок 9 - бинаризация полутонового изображения для обнаружения трещин. Выбирается некоторое пороговое значение яркости, которое разделяется на область фона и область объекта (трещины). Допустим, в произвольной точке значение яркости превышает пороговое, то точка принадлежит объекту, в ином случае - фону. Бинарное изображение содержит две градации яркости (0 и 1).
Третий блок 10 - морфологические операции на бинарном изображении. Морфологические операции способствую устранению лишних связанных областей объекта.
После морфологической обработки используется фильтр частиц, который позволяет отсеивать частицы, не соответствующие заданному критерию (периметр).
Четвертый блок 11 - наложение связанных областей (трещины) на исходное изображение. Для этого бинарное изображение сначала умножают на числовой коэффициент 255. При этом изображение принимает диапазон полутонового, а затем его складывают с изображением, сохраненным в буфере.
Результирующее изображение (фиг.4) выводится на лицевой панели ВП с указанием количества трещин.
После обработки и фильтрации изображения рассчитываются значения напряжений соответствующих каждому уровню нагрузки. Данная процедура состоит из 2 блоков:
Первый блок 12 - построение изоэнтат. Вначале к полученной картине трещин применяется функция анализа частиц, позволяющая вычислить координаты нижних и верхних границ каждой трещины, как в пикселях, так и в метрических единицах. По полученным координатам строятся несколько линий, в результате получается изоэнтата соответствующая текущему уровню нагрузки. При изменении нагрузки изоэнтата сохраняется. При нажатии кнопки «получить общую картину изоэнтат», все построенные изоэнтаты накладываются на одном изображении.
Второй блок 13 - на вкладке «напряжения» ВП вводятся значения тензочувствительности ε0, модуля упругости детали Eд и нагрузки Pi, при которой построена изоэнтата с номером i.
Рассчитываются напряжения согласно:
(с.29, Махутов Н.А., «Экспериментальные исследования напряжений в конструкциях», 1992)
где σmax - максимальные главные напряжения, P - нагрузка в момент образования первых трещин.
Конечное изображение с картиной трещин и изоэнтат с указанием величин напряжений представлено на фиг.5.
Таким образом, предполагаемое техническое решение обеспечивает возможность регистрации трещин в хрупких покрытиях, построение изоэнтат и определения деформаций и напряжений для каждого номера изоэнтаты.
Результаты для деревянного образца
| Номер изоэнтаты | 1 | 2 | 3 |
| σ1, МПа | 26,70 | 16,02 | 11,44 |
Результаты для металлического образца
| Номер изоэнтаты | 1 | 2 |
| σ1, МПа | 60 | 50,85 |
Способ исследования деформаций и напряжений методом технического зрения состоит из программной части и аппаратной части, представленной ПК и смарт-камерой, которая устанавливается над поверхностью исследуемого объекта, на который нанесен слой хрупкого тензочувствительного покрытия, программная часть представлена виртуальным прибором, который состоит из шести блоков, четыре из которых отвечают за цифровую обработку захватываемого изображения, а два оставшихся за построения изоэнтат и вычисление напряжений, соответствующих построенным изоэнтатам, отличается тем, что система технического зрения соединяет концы трещин между собой методом поиска парных границ, осуществляя фиксацию картины трещин, а также производит обработку полученных данных и выводит результат на экран монитора ПК, вычисляя напряжение для каждой изоэнтаты.
