一种焊接构件疲劳应力及应变实时非接触式监测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于实验力学，具体涉及一种焊接构件疲劳应力及应变实时非接触式监测方法。
【背景技术】
[0002]焊接连接作为建筑钢结构以及风电结构塔筒等结构的主要连接方式得到了广泛的应用，其承受着各连接部件之间的交变荷载作用，在拉、压交变载荷作用下，直接影响结构的安全性。焊缝的疲劳强度远低于母材的疲劳强度，焊缝失效的主要形式为疲劳，焊缝的抗疲劳性在很大程度上取决于焊缝的宏观和微观几何形状，影响焊缝疲劳强度的因素很多，比如应力幅值、平均应力、焊接残余应力等，因此对焊缝疲劳应力的监测至关重要。如焊缝疲劳应力状态发生变化不能及时被发现，则会影响结构的正常工作，严重者将造成巨大的人员财产损伤。目前，针对焊缝疲劳应力状态的在线的监测与研宄仍处于空白阶段，对于焊接疲劳分析方法是通过有限元分析软件来计算焊缝处的应力，但是存在应力对有限单元类型、网格形状及尺寸敏感等问题；传统的监测结构应力应变状态的方法通常是在关键部位贴应变来获取相关信息，但是对于接触式传感器不方便安装的部分，例如焊缝及其焊趾处，由于所关心的焊缝部位应变片的布置受到焊缝的几何形状和空间位置的限制，应变片一般只能在离开焊缝位置一定距离处进行粘贴，而且粘贴应变片的数量也受到限制，这使得通过这种接触式的传感器只能监测有限位置以及便于粘贴的位置，而对于不便于粘贴的位置以及任何位置处的应力应变情况则受到限制，为了得到构件的应力应变只能采用某些假设，比如均匀性假设，这在有些情况下可能得到错误的结果，也就不能真实的反映焊缝服役期间在疲劳荷载作用下真实的应力分布规律和发展情况。因此有必要发展一种能用于不便于安装接触式应力应变传感器而且需要掌握构件任何位置处应力应变分布规律以及演化规律的非接触监测技术。
[0003]国内外在焊缝检测的自动化和智能化研宄方面，主要集中于将机器视觉系统用在焊缝内部缺陷和焊缝跟踪上，主要是针对焊缝质量评判进行了大量的研宄与探讨，然而关于对于焊缝疲劳应力的监测却未有报道。
【发明内容】
[0004]本发明针对现有技术中为解决接触式传感器对于焊接构件不便于安装接触式传感器的部位的应力应变监测分布规律以及疲劳应力应变演化规律问题，提出一种焊接构件疲劳应力及应变实时非接触式监测方法。
[0005]本发明采用的技术方案:一种焊接构件疲劳应力及应变实时非接触式监测方法，包括如下步骤:
[0006](I)在焊接构件上设置网格线，所述网格线的交点为监测点；
[0007]首先对焊接构件用与构件颜色对比明显的彩色笔沿着构件横向和纵向按照构件的大小以及监测截面的大小确定网格间距，划分网格，将每个网格的交点作为应力、应变监测点，该交点在图像处理过程中表现为多个像素点的集合，将该集合作为一个微元体；
[0008](2)采用监测系统将焊接构件在疲劳荷载过程中待测区域的动态图像进行采集，并将图像信息传输；
[0009]所述监测系统包括CXD传感器、镜头、图像采集卡、图像处理系统；用C⑶传感器和镜头采集焊接构件在疲劳荷载过程中监测点的一系列动态变形图像，CCD传感器将其接收到的光学图像转化成视频信号输出给图像采集卡，图像采集卡再将数字信号转化成数字图像信息供图像处理系统进行处理；
[0010](3)将得到的监测点图像进行像素点匹配；
[0011]每一个监测点疲劳荷载过程中，宏观上便显出细微的变化，镜头每次采集图像的像素点数尺寸固定，微观尺度上则表现为所占的像素点在数目的不同，对相同监测点不同时间的图像进行像素与像素的匹配，获得每一个监测点在每一时刻的像素数目的变化；
[0012](4)根据监测点中像素点的变化，利用ε?= Λ LiZli计算监测点应变值，其中ε ,为应变值，ALi为长度变化值，L i为监测区的长度值，进而确定整个待测区域表面监测点位置的应变分布规律；
[0013]将待测区域连续的应变分布离散化成求解每个监测点的应变值，当网格的划分足够精细时，计算出每一个监测点在不同时刻的应变值就近似获得疲劳荷载过程中的应变的分布情况；
[0014](5)根据所述应变值，利用Oi=Ee ^十算监测点应力，其中，σ i为应力值，E为弹性模量，进一步得到待测区域的监测点应力分布情况及其疲劳演化规律；
[0015]在疲劳荷载过程中，通过监测中的像素点沿横向和纵向的变化计算得到每个监测点沿两个方向的应变值，假设焊接材料为在疲劳过程中的弹性模量E不发生变化，根据σ i=E ε i进一步得焊接构件任意位置处的应力分布情况及其疲劳演化规律。
[0016]作为优选，上述步骤(2)中所述图像处理系统选择LabVIEW软件作为开发平台，直接由图像采集卡上的数字图像信息与软件对接；图像处理系统是对采集到的图像进行处理，得到试件在试验过程中的动态图片，经过动态图片实时的匹配最终实现应力应变的监测；包括图像预处理、边缘检测、图像分割和图像像素点匹配；图像预处理的目的是为了消除在图像获取、传输、接受和处理过程中由于外部干扰以及内部干扰造成的噪声，改善原始图像的效果，提高焊缝区域的清晰度，平衡图像空间的像素值均匀度。图像预处理主要是通过图像滤波，针对图像进行噪声处理，减小噪声影响；灰度修正，按实际需要修正原始图像的灰度分布，从而消除灰度畸变，增强对比度，改善视觉效果；图像锐化，目的是使边缘和轮廓线模糊的图像变得清晰；几何校正，针对某些成像系统造成的几何畸形，对畸变的坐标点进行位置校正。边缘检测是通过梯度幅值阈值判据某种算法来提取出图像中对象与背景间的交界线，按照交界线将试验构件进行分割，操作中优选采用Roberts算子边缘检测。图像分割的主要目的是把焊接试件图像按照焊缝、母材等不同部位进行分割，对不同区域进行分别分析。主要过程为通过图像边缘检测方法，即不同灰度级别或者灰度有较大变化区域，识别焊接试件的不同区域，将试件分为不同区域按照像素分析方法，识别应力应变分布及其演化规律。最后把未进行疲劳荷载时刻图像的特征信息作为参考模型，采用简单的像素对像素的方式进行图像匹配。
[0017]作为优选，上述步骤(2)中为获得好的图像，设置光源，光源优选LED发光二极管，所述镜头和CCD传感器为CCD摄像机，可通过外部信号触发式开启采集。为获得高品质、高对比度的图像，将焊接构件与背景尽量明显分别，将监测点采用有别于网格线的颜色进行标识、尽量减少反射、尽量屏蔽环境光线的影响，采用LED发光二极管以一定角度在焊接构件前置照射，使整个焊缝区域受到均匀的光照。
[0018]本发明将焊接构件焊缝及其周围一定区域内进行一定间距的网格划分，将每一个网格交点看作微元体作为应力应变分析单元，在构件承受疲劳荷载作用下，通过机器视觉监测系统对在疲劳荷载作用过程中待测区域所有微元体图像特征信息进行提取，并对采集到的构件图像进行像素点匹配，建立应力应变变化规律与图像特征之间的相互关系，从而得到微元体在疲劳荷载作用过程中的特征变化，得到应变值及应力分布情况，最终提供了一种基于机器视觉检测系统的焊接构件疲劳应力应变分布及其演化规律的非接触监测方法。
[0019]本发明为得到不同精度的焊接构件应力及应变分布情况和疲劳演化规律的数据，可以改变所述网格线中网格线间距，得到另一组监测点应变和应力信息。
[0020]本发明使用疲劳试验机掌握特定焊接构件焊缝及其边缘区域的应力及应变分布以及演化规律，从而掌握焊接构件疲劳损伤过程中的力学性能的变化规律，建立疲劳损伤应力(应变)变化模型，为焊接构件的疲劳寿命评估及预测提供依据。
[0021]有益效果:本发明相对于现有技术具有以下优点:
[0022]1.本发明中提出的对待测微单元变形分析法，能够真实的反映焊缝位置处的应力应变分布情况，比传统的粘贴应变片测量应变值的方法精度更高，避免应变片采用电阻值变化来测定应变值变化中间过程的转变。
[0023]2、本发明操作简单，属于非接触测量，主要用于解决接触式传感器无法粘贴的部位的应力应变分布规律及其疲劳演化规律的监测问题。
[0024]3、本发明属于非接触式测量方法，解决了接触式传感器只能测试有限位置处的应力应变，无法得到整体结构所有位置处的应力应变的问题，该方法通过一个监测设备即可监测一个面的应力应变分布规律，而不是点。
[0025]4、本发明因分析设备体积小、价格便宜、结构简单而适合现场应用，特别适合用于复杂的连接结构，特别是大型工程结构。
[0026]5、本系统基于LabVIEW软件作为开发平台，具有强大的后处理程序，精度高，应用灵活。
【附图说明】
[0027]图1本发明焊接构件平面示意图；
[0028]图2本发明监测区域的网格示意图；
[0029]图