ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ VIC-3D ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПОЛЕЙ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ ИСПЫТАНИИ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД

  • А.А. УДАРЦЕВ Горный институт УрО РАН

Аннотация

Знание закономерностей деформационных процессов, сопровождающих подзем- ную разработку полезных ископаемых, играет немаловажную роль в обеспечении безо- пасных условий ведения горных работ и долговременного сохранения устойчивости подземных горнотехнических объектов. Как правило, изучение деформационных про- цессов протекающих в породах проводится в лабораторных условиях путем определе- ния деформационных показателей при различных режимах и схемах нагружения образ- цов горных пород. К стандартным методам регистрации деформаций образца в ходе экспериментального нагружения относят: измерение деформаций по траверсе пресса, использование навесных высокоточных экстензометров или тензодатчиков и наблюде- ние за развитием деформаций с помощью бесконтактных видеоэкстензометров. Приме- нение стандартных средств измерения в области экспериментальной механики горных пород не позволяют получать информацию по всей исследуемой поверхности, а лишь общее представление о характере деформирования. Так же в ряде случаев необходимо учитывать жесткость испытательной установки, для повышения точности измерения, а при использовании навесного оборудования риск его повреждения в ходе динамиче- ских испытаний. В настоящее время широкое применение получили оптические методы и средства неразрушающего контроля, которые позволяют проводить измерения деформаций по всей поверхности образца. В частности, одним из высокоэффективных оптических ме- тодов анализа полей деформаций является метод корреляции цифровых изображений. Метод позволяет восстанавливать поле векторов перемещений на поверхности иссле- дуемых образцов путем сопоставления опорного изображения (фотографии объекта в исходном состоянии) с изображениями, снятыми в процессе нагружения. Изображение образца разбивается на сектора и анализируется перемещение рисунка поверхности (нанесенного с помощью красителя) в пределах каждого такого элементарного окна. Алгоритм построения векторов смещения основывается на установки соответствия ме- жду двумя элементарными участками, путем вычисления коэффициента корреляции и поиске его максимума [1]. Изучение полей деформации на образцах горных пород осуществлялось на основе использования бесконтактной трехмерной оптической системы Vic-3D фирмы «Correlated Solutions». Портативность системы позволяет проводить работу в лабораторных условиях и исследовать локализацию деформаций в образцах, на- гружаемых на испытательной установке. Механическое нагружение осуществля- лось с помощью электромеханического пресса Zwick/Z250 при стандартной скоро- сти деформирования - 1 мм/мин в соответствии с требованиями ГОСТа [2]. В со- став оптической видеосистемы входят: две цифровые черно-белые камеры с раз- решением до 5,0 Мп и соответствующей ему максимальной скоростью съемки 20 кадров в секунду; комплект сменных объективов к камерам с различным фокусным расстоянием; специализированное программное обеспечение, с помощью которого осуществляется управление процессом съемки (Vic-Snap) и постобработка зареги- стрированных фотографий (Vic-3D); система подсветки поверхности образца; блок синхронизации видеосистемы с испытательной машиной; набор калибровочных 128 ----------------------- Page 129----------------------- таблиц; набор трафаретов для нанесения специального изображения и штатив с трехкоординатной регулируемой головкой (рис. 1). а б в г д е Рис. 1. Состав бесконтактной трехмерной цифровой оптической системы Vic-3D: ком- плект камер (а), специализированное ПО (б), система подсветки образца (в), калибро- вочные таблицы (г), набор трафаретов (д), штатив с трехкоординатной головкой (е) Методика проведения испытаний с использованием видеосистемы включает в себя несколько этапов. Подготовительный этап состоит в предварительном на- несении на поверхность исследуемого образца контрастного мелкодисперсного напыления, представляющего совокупность хаотично расположенных черных то- чек на белой матовой основе (т.н. спекл-структура). Для нанесения спекл- структуры наиболее часто используется обычная матовая краска, либо специаль- ные трафареты, которые путем накатывания на образец образуют подходящую картину. Далее производится установка и настройка резкости камер и калибровка стереосистемы. Процесс калибровки заключается в сборе серии снимков калиб- ровочной таблицы в различных положениях - повороты вокруг трех осей. Калиб- ровочная таблица это эталонная матрица черных точек и маркеров фиксирован- ного радиуса, расположенных на заданном расстоянии друг относительно друга (рис. 1, г). После завершения подготовительного этапа проводится испытание с последующей обработкой полученных результатов методом корреляции цифро- вых изображений. На этапе постобработки выбирается область исследования и оптимальные па- раметры корреляционного анализа для определения перемещений локальных уча- стков на поверхности образца. В параметры корреляционного анализа для по- строения векторов смещений входят размер локальной области (подмножества) X×X в пикселях и шаг процедуры поиска (ΔХ). Для подбора оптимальных пара- метров проводилась серия вычислений полей перемещений и деформаций для од- ного кадра при испытании соляного образца с основанием 35×35 мм и высотой 70 мм. В программном обеспечении цифровой оптической системы Vic-3D при уста- новлении соответствия изображений для каждого подмножества вычисляется до- верительный интервал соответствия (θ) в данной точке изображения (в пикселях). 129 ----------------------- Page 130----------------------- Размер подмножества является допустимым, если среднее значение доверительно- го интервала не превышает θ ≤ 0,01. Результаты исследования при фиксированном значении шага (ΔХ = 5) и интервале подмножества Х = 9-65, а также фиксирован- ном значении подмножества (Х = 29×29 пикселей) и интервале шага ΔХ = 1-29 представлены в виде графиков (рис. 2). Проанализировав полученные данные можно сделать вывод, что подмножество размером 21×21 пикселей является ми- нимальным допустимым из исследуемой области. С целью уменьшения величины шума и повышения точности корреляционного анализа оптимальным размером ло- кальных областей является размер 29×29 пикселей. Следует отметить, что пара- метр ΔХ практически не влияет на точность корреляционной обработки цифровых изображений, выбор шага определяет лишь степень детализации построения полей перемещений. а) б) 0.04 0.01 я я и и в в т т с с т т е е в 0.03 в т т о о о о 0.008 с с л л а а в в р р е 0.02 е т т н н и и й й ы ы н н 0.006 ь ь л л е 0.01 е т т и и р р е е в в о о Д Д 0 0.004 0 20 40 60 80 0 10 20 30 Размер подмножества(Х), пиксель Размер шага ( .Х), пиксель Рис. 2. Результаты определения оптимальных параметров корреляционной обработки: а) исследования при фиксированном значении шага ΔХ = 5; б) исследования при фиксированном значении подмножества Х=29×29 После обработки результатов вычисляются геометрические параметры поверхно- сти образца и перемещение в каждой точке. Вместе с перемещениями производится по- строение полей продольной (ε ), поперечной (ε ) и сдвиговой деформации (ε ), а yy xx xy также первой и второй главной деформации (ε , ε). Данные могут быть представлены 1 2 в виде трехмерного графика или в виде двухмерного контурного графика накладывае- мого на спекл-изображение. В процессе интерпретации результатов полученных в ходе обработки можно наблюдать за развитием неоднородности и локализации полей де- формаций, эволюции образования и дальнейшего роста трещин при накоплении дефек- тов (рис. 3). 130 ----------------------- Page 131----------------------- t t t 1 2 3 t t t 4 5 6 Рис. 3. Эволюция полей главных деформаций (e1) на поверхности образца для моментов времени (t - t ) 1 6 Двухмерные графики позволяют извлекать данные в выбранной точке или облас- ти на каждом изображении из последовательности файлов или же получать сечения вдоль линии. Также предусмотрено измерение деформаций образца с помощью допол- нительного модуля программного обеспечения системы «виртуальный экстензометр». С помощью данного инструмента имитируется использование экстензометра на по- верхности образца между двумя точками (рис. 4). Чтобы оценить достоверность дан- ных, получаемых трехмерной цифровой оптической системой Vic-3D, проведены тес- товые испытания с использованием навесного динамического датчика осевых дефор- маций и последующим сравнением результатов с «виртуальным экстензометром». Анализ эксперимента показал практически полное совпадение результатов по двум датчикам, что соответствует высокой измерительной точности оптической системы. Рис. 4. Пример использование виртуального экстензометра 131 ----------------------- Page 132----------------------- Достоинствами бесконтактной трехмерной оптической системы Vic-3D являются: спо- собность проводить измерения полей перемещений и деформаций на поверхности образцов различной формы и размеров, проводить измерения полей деформаций в зонах влияния де- фектов и способность поддерживать формирование новых переменных, то есть применять функции к данным. Так же одним из преимуществ метода корреляции цифровых изображе- ний является возможность проведения измерений как при малых так и при больших значе- ниях деформаций, что позволяет исследовать широкий класс материалов.

Литература

  1. Третьякова Т.В., Вильдеман В.Э. Пространственно-временная неоднородность процессов неупругого деформирования металлов. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2016. - 120 с.
  2. ГОСТ 21153.2-84. Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном сжатии. - М.: Изд-во стандартов, 2001. - 10 с.
Опубликован
2018-10-01
Выпуск
Раздел
Статьи