西安交通大学信息机电研究所西安交通大学模具与先进成形技术研究所技术研究特色西安交通大学工业三维摄影测量技术发展路线三维全场变形技术概述面向复杂机械和新型材料运行工况下或现场使用单位简介研究生招生XTDICXTDVCXTRTXTMicroXTDIC 3D控制箱数字散斑全场应变XTDP三维光学测量坐标变换XTDCAL工业近景摄影测量XTSD静态变形XTDA大型飞机风洞大视场高速运动物体动态变形和运动轨迹XTSOXTOMXTOM INSPECTOR三维扫描仪XTFLC板料热成形三维全场应变检测试验机XTSM板料和管材胀形成形试验的三维全场变形检测系统板料成形膜结构双轴双向拉伸试验机双轴四缸电液伺服静态、动态、疲劳试验机双向对称微拉伸试验机(用于光学和电子显微镜)TOMS-汽车模具三维光学快速检测系统专用系统核心技术:复杂工况三维全场动态变形检测技术关键技术产品应用领域系列产品概述三维全尺寸快速检测解决方案:大型复杂工件产品的反求和快速质量检测其他光学体式显微镜测量板料液压胀形试验的三维全场变形检测数据动画演示泡沫铝物体内部变形测量实验板料成形极限FLC快速测定(3D-DIC)飞机风洞模型三维全场应变检测(数字图像相关法)一种基于DIC技术识别焊缝材料参数的新方法高温三维全场应变测量(3000摄氏度以内)高速拉伸变形技术发展路线高速冲击振动模态分析实验---数字散斑应用圆棒试件疲劳实验汽车车桥的静态变形和数字散斑三维全场应变实验木材压缩和弯曲性能试验----全场应变分析型号和配置------XTDIC数字散斑应变测量分析一般测量步骤 XTDIC数字散斑系统计算步骤-----XTDIC数字散斑系统显示和编辑计算结果----XTDIC散斑系统输出功能------XTDIC数字散斑系统大幅面三维全场应变测量视频----XTDIC三维数字散斑动态应变测量分析系统沙土全场变形实验-相似材料钛合金试件压缩变形三维数字散斑试验拉伸试验三维全场应变测量总体功能--XTDIC三维数字散斑动态应变测量分析系统主要功能---XTDIC三维数字散斑动态应变测量分析系统变形分析功能--XTDIC三维数字散斑动态应变测量分析分析曲线功能---XTDIC三维数字散斑动态应变测量报表功能---XTDIC三维数字散斑动态应变测量分析系统截线分析---XTDIC三维数字散斑动态应变测量分析系统等势线分析--XTDIC三维数字散斑动态应变测量分析XTDIC数字散斑系统与电子引申计比对试验XTDIC三维数字散斑动态应变测量分析系统三维全场应变测量分析重型卡车车架和车门全方位静态变形和全场应变检测发动机活塞缸体受力三维静态变形实验相似材料模型变形实验-标志点变形和全场变形两种方法复合材料节点试验---基于XTSD的三维静态变形测量大型结构件大变形三维摄影测量相似材料模型实验-光学三维变形测量变形分析应用大尺寸大变形静态测量某汽车覆盖件冲压全场应变检测步骤和流程汽车覆盖件(长到6米)板料冲压全场应变三维检测板料成形极限FLC试验板料剪切实验装置大型汽车模具制件的实际板料成形三维全场应变检测数字图像相关法(散斑应变)在板料力学性能测试中的应用板料成形网格应变测量实验快速使用说明---XTSM板料成形应变测量分析系统评估模式说明-----XTSM板料成形分析计算模式-XTSM板料成形网格应变分析系统三维点云处理---XTSM板料成形网格应变分析系统网格模式---XTSM板料成形网格应变分析系统XTSM板料成形应变测量分析系统板料成形网格变形分析楼房振动变形实验飞机风洞模型静态变形测量飞机结构件运动特性的动态视觉测量系统动态变形和运动轨迹汽车模具快速质量检测和比对分析路面构造三维扫描及三维坐标获取TOMS汽车模具摄影测量系统实现汽车模具实型数字化检测汽车模具三维光学系统应用于汽车覆盖件回弹的计算三维检测应用比对分析和质量检测焊接过程高温三维全场应变实时检测焊接失稳变形光学非接触三维检测的研究三维全场变形应变系统在焊接学科的研究和应用焊接过程三维全场应变检测实验采用XTSD静态变形系统的焊接过程三维变形检测实验采用XTOM面扫描系统进行焊接变形实验焊接变形试验--光学三维动态变形测量大尺寸无缝焊接管道三维测量和变形分析焊接变形和应变分析船用螺旋桨叶片检测大型飞机三维光学快速测量建模关键技术研究大型水轮机叶片、汽轮机叶片、船舶螺旋桨的快速检测手机零部件三维测量测量实例三维光学测量的应用领域逆向设计应用客车逆向设计快速建模案例轿车、客车、卡车、火车等车辆的组装后产品质量检测大型挖掘机铲斗模型的建模和测量测量实例 测量系统软件界面三维扫描测量实例 逆向和检测汽车模具检测案例 大型泡沫和铸件快速检测其他测量案例行业应用复杂工况三维全场动态变形 检测技术三维全场变形技术概述应变(strain)工业摄影测量光束平差(捆绑调整)自标定方法数字图像相关法(Digital Image Correlatiom,DIC)工业数字近景摄影测量与机器视觉的关系机器视觉(Machine Vision)工业数字近景摄影测量Photogrametry国内外DIC相关研究链接国内外三维检测Strain Measurement by Digital Image Correlation数字散斑全场应变分析工业近景摄影测量静态大尺寸大变形动态变形和运动轨迹三维扫描和建模板料成形网格变形分析焊接变形和应变分析比对分析和质量检测点云处理和三角化相机标定其他综述
焊接失稳变形光学非接触三维检测的研究

研究背景


节能和大型轻量化结构是当代工业发展的一个方向,因此高强度薄壁件越来越多的应用于造船、汽车、航天飞机等工业行业,但薄壁焊接时容易产生失稳变形,这就会对薄板性能造成很大的影响。但数值模拟基于一定的假设,和实际情况存在偏差,其原因在于缺乏有效和可靠的测试手段。


而传统手段,如引伸计,位移传感器,应变计等设备都有明显的缺点。应变计贴片工艺复杂,且测量结果是一个较大区域的单向平均应变,而位移传感器一般只能用于单点、单向测量,不能或很难测量焊接件表面整体的变形场,引伸计也只能测量两点之间的位移变化,测量多点需要布置多个引伸计。这些接触式测量法在测量中的缺点也就制约了焊接变形的测量以及焊接工艺的发展。


光学非接触式测量方法的发展为焊接变形的测量提供了可行的解决方案。光学非接触式测量方法,如本文中提到的,三维光学面扫描系统,三维光学摄影测量系统以及三维数字散斑动态应变测量系统不仅能够保证高精度,而且光路简单,操作简便快捷,并且能够测量大幅面的变形,其中三维数字散斑动态应变测量系统还能够测量焊接过程及冷却过程中的全场变形这样就能为数值模拟修正提供依据,提高其计算精度,而且可以更真实地反映实际情况。

研究内容
(1)、焊接失稳变形关键点变形榷圆饬考际跹芯?BR>方案:采用TIG焊焊接低碳钢板,钢板处于自由变形状态,手工焊接钢板,然后利用XTDP分别对焊接前后的薄板进行摄影测量。并针对焊接失稳变形对XTDP进行算法上的改进,可以将焊接前后的两组摄影测量工程进行静态变形比对,计算出焊接前后每个标志点的变形。(2)、焊接失稳变形全场三维点云精确比对测量技术研究
方案:采用焊接机器人TIG焊焊接低碳钢板,钢板处于自由变形状态,利用XTOM三维光学面扫描系统分别对试板焊前和焊后状态进行测量,并针对焊接失稳变形对XTOM进行算法上的改进,可以对焊接前后的两幅点云进行精确比对。
(3)、焊接失稳变形三维数字散斑全场动态应变测量技术研究

现有系统改进:根据现有XTDIC的适用范围,针对焊接过程中的高温,提出亮点改进,一是对冷喷涂技术和高温漆进行试验,测试这些材料制备散斑的性能,二是提出种子点图像快速匹配,提高计算速度。
(3-1)焊接动态变形加持状态大幅面散斑测量方案:采用TIG焊焊接低碳钢板,调节XTDIC系统的测量幅面为300mm*200mm在焊接过程中利用XTDIC三维光学数字散斑动态应变测量系统对焊接过程及后续冷却过程进行跟踪测量,记录其全场动态变化过程,并对测量结果进行分析。焊接失稳变形的动态演变。(板子处于夹持状态)。

(3-2)焊接动态变形夹持状态标准幅面散斑测量
方案:采用TIG焊焊接低碳钢板,调节XTDIC系统的测量幅面为64mm*48mm在焊接过程中利用XTDIC三维光学数字散斑动态应变测量系统对焊接过程及后续冷却过程进行跟踪测量,记录其全场动态变化过程,并对测量结果进行分析焊接失稳变形的动态演变。(板子处于夹持状态)

(3-3)焊接动态变形自由状态标准幅面散斑测量
方案:采用TIG焊焊接低碳钢板,调节XTDIC系统的测量幅面为64mm*48mm在焊接过程中利用XTDIC三维光学数字散斑动态应变测量系统对焊接过程及后续冷却过程进行跟踪测量,记录其全场动态变化过程,并对测量结果进行分析。使用45°平面镜作为反射平面。(3-4)焊接动态变形夹持状态标准幅面焊缝区域散斑测量方案:采用TIG焊焊接低碳钢板,调节XTDIC系统的测量幅面为64mm*48mm在焊接过程中利用XTDIC三维光学数字散斑动态应变测量系统对焊接过程及后续冷却过程进行跟踪测量,记录其全场动态变化过程,并对测量结果进行分析。测试高温漆,以及其他喷涂方式来制备耐高温的散斑图案,以便在焊缝位置制备散斑,适当情况下还可以加入减光设备来进行散斑图像的采集。

(4)、使用有限元软件对焊接变形过程进行数值模拟
方案:使用有限元数值模拟软件Ansys或Abaqus对焊接过程进行模拟,并结合测试结果修改输入参数,使模拟结果同实际测量结果能接近。
(5)、焊接失稳变形机理的分析

研究概述大型轻质化是当代焊接结构的一个发展趋势,薄壁材料越来越多的应用在汽车、飞机、轮船等工业行业,但在这些结构焊接过程中,失稳变形是一个很重要的问题。传统测量手段有很明显的缺陷,无法满足测量需求
接触测量,影响被测物性能,尤其小尺寸物体
单点、单方向测量,无法展现整体趋势
量程有限,无法测量大变形
使用复杂,粘贴质量影响测量结果
无法适应特殊测量要求,如柔软物体,高温环境,高速旋转物等

数值模拟基于一定的假设,和实际情况存在偏差。
数值模拟的准确性取决于输入数据的准确性,输入数据的准确性来自测量结果的准确性和可靠性。数值模拟只能模拟面外变形
由于焊接引起的失稳变形十分复杂,开发新型的精确测量技术测量失稳变形,对学术研究,对实际生产都有十分重要的意义

解决问题  
1.金属薄板焊接失稳静态变形的测量。
2.金属薄板焊接失稳动态变形的测量。

研究内容  
1.金属薄板焊接失稳变形的三维摄影测量关键点变形比对测量技术研究。  
2.金属薄板焊接失稳变形的点云数据精确比对静态测量技术研究。
3.金属薄板焊接失稳变形的三维数字散斑全场动态应变测量技术研究。

完成了三种测量技术的理论研究,并在现有基础上针对焊接变形做了部分算法的研究和改进。

预期焊接结果
1.纵向收缩变形:沿焊缝长度方向的收缩
2.横向收缩变形:垂直于焊缝方向的横向收缩
3.失稳变形:薄壁结构在焊接残余压应力的作用下,局部失稳而产生波浪形

焊接变形三维轮廓点云比对实验


金属薄板焊接失稳变形的三维摄影测量关键点变形比对测量技术研究

三维变形比对结果

初始状态下点(0, 0)和点(189.7, -1.8)之间的距离

面扫描实验结果同静态变形实验结果所得的变形量接近,整体变形趋势所测得加过也较为接近。

实验结果符合Pingsha Dong文章中的m=1的情况,既焊接变形方向会有两种情况。

大幅面全场动态应变实验

从以下位移图中可知:
1.沿焊缝方向即Y方向,状态点先收缩后扩张,点C扩大幅度约为0.6mm,且在焊接结束时达到正向极值。这部分数据与理论分析正好相反。
2.垂直焊缝方向即X方向,状态点先扩张后收缩,点C缩小幅度约为2.6mm,且在焊接结束时达到负向极值。

3.面外方向即Z方向,状态点先向焊枪指向方向变形,后向反方向变形,点C变形幅度达到13.47mm。
4.C1和C2的形状同实际焊接结束后板件沿焊缝方向的变形相同。

点对1是X方向上的点对,点对2是Y方向上的点对点对1沿焊缝方向板件先伸长后收缩,冷却结束较焊接前收缩了0.05mm点对垂直焊缝板件先伸长后收缩,冷却结束较焊接前收缩了0.02mm

标准幅面全场动态应变实验

X方向和Y方向的变化均为先扩张后收缩,符合理论分析
状态点变形趋势同大幅面测量结果在沿焊缝方向不同


点对1是X方向上的点对,点对2是Y方向上的点对
点对1在X方向收缩了0.07mm,应变为-0.12%
点对2在Y方向伸长了0.02mm,应变为0.05%
点对间距变化数据与大幅面散斑实验的结果接近。


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