【优秀硕士博士论文】多尺度板料成形应变场三维检测研究

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1、博士学位论文多尺度板料成形应变场三维检测研究申请人：胡浩学科专业：机械工程指导教师：梁晋教授2014年6月摘要ResearchonThree-dimensionalFull-fieldStrainMeasurementforSheetMetalFormingAdissertationsubmittedtoXi’anJiaotongUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofEngineeringScienceByHaoHu(MechanicalEn

2、gineering)Supervisor:Prof.JinLiangJune2014III*本课题得到国家自然科学基金（编号：50975219）,国家自然科学基金（编号：51275389）和苏州应用基础研究计划（编号：SYG201014）资助摘要论文题目：多尺度板料成形应变场三维检测研究学科专业：机械工程申请人：胡浩指导教师：梁晋教授摘要板料成形过程中和成形后的应变分布是对板料成形性能进行有效评估的前提和基础。为克服传统手工检测等应变测量方法在板料成形分析中暴露出的效率低、精度差等缺陷，并满足大变形、大尺寸、小尺度三种情况下板料成形应变场

3、测量的要求，提出并实现多尺度板料成形应变场的三维检测方法。围绕数字图像相关法、工业近景摄影测量技术以及体式显微视觉测量技术展开研究，拟解决的主要问题包括大变形弱相关图像匹配、多相机全局标定、显微立体视觉光路标定、大尺寸变形测量整体精度控制、三维全场应变重建以及板料成形性能分析等。研究成果对于板料成形性能的评测及分析具有重要的理论和实际意义。本文的主要研究内容和所获成果总结如下：（1）提出板料成形三维应变场的动态检测方法。针对板料成形大挠度塑性变形情况下图像相似程度低，难以进行相关匹配的问题，根据系列变形图像相邻状态变形的连续性，提出一种大

4、变形分步匹配算法；同时为了提高图像匹配的速度，提出一种基于种子点的图像快速、稳定匹配算法。为实现三维应变的准确重建，提出一种基于10参数非线性成像模型的高精度相机自标定方法。实验结果表明：所提出的匹配算法能够有效测量高达649%的变形；所提出的标定方法能够实现多相机内外参数的整体一次性解算，标定结果的重投影误差小于0.05个像素；利用标定结果测量高精度标准尺长度，相对误差小于1/4000，能够满足三维应变测量对相机标定精度的要求。（2）提出大尺寸板料网格应变的自动检测方法。针对大尺寸板料变形分块测量累计误差较大的难题，提出全局关键点与局部

5、细节变形整体解算的大尺寸多分辨率三维网格应变检测方法。为实现网格节点的快速识别，提出一种阀值自适应局部二值化算法；为保证自由拍摄的各幅图像之间同名网格节点的稳健匹配，引入一种基于邻域约束的网格节点快速匹配算法；为克服多视三维重建时多条极线不严格相交的问题，通过在多极线约束下寻求多簇空间射线最佳准交点的方法进行高精度三维重建；为建立大量网格节点之间的拓扑关系，提出一种快速四边形网格生成方法；最后利用全局控制点将多个分块区域的局部测量结果统一到全局坐标系下，以消除传统大尺寸分块测量过程中产生的拼接累积误差。III*本课题得到国家自然科学基金（

6、编号：50975219）,国家自然科学基金（编号：51275389）和苏州应用基础研究计划（编号：SYG201014）资助摘要（3）提出一种用于微小尺度变形、应变检测的显微立体视觉测量方法。针对显微立体视觉测量中光路难以准确标定的问题，将透视投影模型、非参数化的光学畸变模型以及光束平差算法相结合，提出一种高精度的显微视觉光路标定方法。深入分析了体式显微视觉的光路结构及成像模型，设计并通过光刻方法制作了显微标定参考物，提出并详细说明了标定的具体步骤。对影响测量精度的主要因素进行分析，提出一种散斑图像光照不均匀的校正方法和一种基于平均灰度梯度

7、的散斑质量评价算法。最后借助于体式显微镜，搭建显微立体视觉小尺度测量装置，并利用高精度四轴位移台对所提出的标定方法进行精度验证。实验结果表明所提出的方法能够有效用于显微视觉复杂光路的标定，标定后位移测量的相对精度优于1%。（4）研究并实现板料成形性能参数的实验测定。重点研究了板料成形性能评估时最为常用的成形极限图（FLD）和塑性应变比（）的测定方法。针对板料成形实验中极限状态难以判断的问题，引入一种利用应变历史曲线来判定极限状态的方法，即利用应变场截面线在颈缩区域内外等间距的建立若干节点，通过分析这些节点的应变变化趋势来判断板料成形的极限

8、状态。在此基础上，借助于自研的图像采集装置和板料成形试验机，研制一套稳定、高效的板料成形极限曲线测定系统。另外，基于本文提出的动态应变测量技术，研究实现一种较为实用的塑性应变比测定方法，并进行