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图 文 导 读
立体数字图像相关(stereo-digital image correlation, stereo-DIC)方法因其非接触、全场测量等优点在结构振动测量和健康监测领域得到了广泛应用。然而,利用传统stereo-DIC系统测量结构离面振动位移时,易出现散斑制作困难、相机拍摄不同步,以及计算量大等问题,进而影响结构模态分析与损伤识别的效率和精度。借助投影散斑数字图像相关方法则有望解决上述问题。
西北工业大学曹善成副教授、念海波硕士和徐超教授,以及中国电子产品可靠性与环境试验研究所颜津玮助理工程师在《国际机械系统动力学学报(英文)》(International Journal of Mechanical System Dynamics, IJMSD)发表“基于投影散斑数字图像相关法的全场离面振动位移采集及其在损伤定位中的应用”研究论文。该文提出了一种借助投影散斑单目高速摄像测量系统对结构离面振动位移进行测量;并考虑结构损伤局部分布连续性和全局分布稀疏性的特点,提出了一种采用主成分分析方法提取模态振型中由损伤引起的局部畸变的结构损伤定位方法;最后,将投影散斑测量系统的模态分析和损伤定位结果与传统双目stereo-DIC测量系统的损伤定位结果进行对比。结果表明,借助所提出的投影散斑数字摄像测量系统能够准确地完成板类结构损伤定位,且其定位精度与传统双目stereo-DIC系统相当。
Stereo-digital image correlation (stereo-DIC) has been widely explored for modal analysis in plate-type structures due to its noncontact and full-field advantages. However, when the traditional stereo-DIC is adopted to capture the out-of-plane displacements, several challenging issues exist such as the development of surface speckles, asynchronous camera recording, and efficiency and accuracy degradation due to high computation costs. Moreover, with the captured out-of-plane displacements, effective and efficient evaluation of the high spatial resolution mode shapes and their application to damage localization are also critical problems. To tackle these issues, a speckle-projection DIC technique using a single high-speed camera is proposed to obtain the out-of-plane vibration displacements. Moreover, an enhanced peak-picking modal analysis method is adopted to enhance the estimation accuracy and efficiency of mode shapes. In addition, the low-rank property of mode shapes in an intact state and the spatial sparse property of damage locations are harnessed for the detection of damage positions without requiring reference data on the healthy state. Finally, the modal analysis and damage localization results based on the proposed speckle-projection DIC are compared with those of the traditional two-camera stereo-DIC technique to verify its feasibility and effectiveness. It is found that the differences in the identified resonant frequencies between these two methods are smaller than 1% for higher modes. Moreover, the proposed speckle-projection DIC has the same accuracy as the traditional two-camera stereo-DIC in terms of measurement accuracy, mode shape estimation, and damage localization.
Keywords:
damage localization, digital image correlation, low-rank property, modal analysis, out-of-plane displacement
DOI: 10.1002/msd2.12055
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Cite this article: Cao S, Yan J, Nian H, Xu C. Full-field out-of-plane vibration displacement acquisition based on speckle-projection digital image correlation and its application in damage localization. Int J Mech Syst Dyn. 2022; 2(4): doi:10.1002/msd2.12055
该文亮点:
Highlights:
作 者 简 介
曹善成 西北工业大学航天学院副教授、硕士生导师。发表学术论文20余篇。主持国家自然科学基金等项目。研究方向为航天器结构动力学分析、设计与控制,以及基于非接触光学测量的结构动力学参数辨识与损伤监测等。
颜津玮 中国电子产品可靠性与环境试验研究所助理工程师,毕业于西北工业大学航天学院。研究方向为结构健康监测、模态测试和分析,以及数字图像相关的摄影测量。
念海波 西北工业大学航天学院硕士研究生。研究方向为航天器结构健康监测和基于全场光学测量的结构力学性能识别。
徐 超 西北工业大学航天学院教授、博士生导师。主持国家自然科学基金等国家级、省部级和企业合作课题40余项;公开和授权技术发明专利12项;出版学术专著和规划教材4部;发表学术论文100余篇;获得国家安全基金奖、陕西省高校科学技术奖等科技奖励3项。研究方向为空间超轻可展开结构、航天结构健康监测、连接结构动力学等。
期 刊 简 介
IJMSD由来自18个国家的20位院士、17位国际学会主席、20位国际期刊主编等69位科学家和国际出版巨头美国Wiley出版社合作创立。主编为南京理工大学芮筱亭院士,3位合作主编分别是加拿大皇家学会会士、加拿大工程院院士、欧洲科学院院士、加拿大麦吉尔大学Marco Amabili院士,国际理论与应用力学联盟(IUTAM)前司库、国际多体系统动力学协会(IMSD)前主席、德国斯图加特大学Peter Eberhard教授和美国工程院及科学院两院院士、欧洲科学院外籍院士、中国科学院外籍院士、美国工程科学协会前主席、美国西北大学Yonggang Huang院士。
IJMSD旨在用机械系统动力学科学与技术为现代装备设计、制造、试验、评估和使用全生命周期性能的提升提供先进的理论、软件、方法、器件、标准,为全球科学家和工程专家提供广泛的机械系统动力学国际交流平台。IJMSD强调从“系统”视角及系统级工具理解动力学,所涉及的机械系统不仅包括各种不同尺度的机械系统和结构,还包括具有多物理场/多学科特征的综合机械系统。
目前,IJMSD已被ESCl, Scopus, Inspec, DOAJ等收录。2023年免收出版费,并为已录用稿件免费提供专业语言润色服务,欢迎全球科学家投稿交流。
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投稿网址:
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