1 北京理工大学宇航学院力学系, 北京 100081
2 清华大学工程力学系, 北京 100084
3 北京理工大学机电学院, 北京 100081
提出了一种非接触式结构光测量液面微变形剖面曲线的方法。基于几何透射虚栅变形的原理，推导了液面离面变形与水底虚栅面内位移之间的数学关系。将一张单向几何光栅（频率为1~5 line/mm）置于盛有已发生变形的水的透明水槽下方，并在水槽上方布置电荷耦合器件(CCD)相机，记录下因液面离面变形而产生的透射虚栅变形图。使用条纹中心算法对所采集的变形栅图进行细化、赋级和插值运算，可得到该虚栅图的位移矢量场。将之代入所推导的数学关系式中，即可迭代求得液面的离面变形剖面曲线。运用该方法对一分硬币漂浮于水面时引起的液面离面变形剖面曲线进行求解绘制，所测得结果与已有文献的结果相比较相差仅为2%，证明了该方法的有效性和可行性。
测量 液面形貌 透射虚栅 离面位移 硬币
1 北京理工大学 宇航学院力学系, 北京 100081
2 清华大学 航天航空学院力学系, 北京 100084
应用改进的云纹法测量微小物体漂浮在水面上所产生的水面凹陷曲面的三维形貌, 并根据此三维形貌来定量测量微小物体受到的微浮力和表面张力, 分析其与水面的相互作用。通过对不同大小的硬币浮在水面上所形成的液面三维形貌的测量以及进一步的分析表明: 硬币浮在水面上是表面张力和浮力共同作用的结果, 其中浮力起主要作用。该实验验证了所提出的技术可以方便地应用在液面微形貌测量以及表面张力和微浮力等研究中。
光学测量 云纹法 表面张力 液面三维形貌 improved moiré method surface tension liquid surface 3-D topography
1 北京航空航天大学固体力学所, 北京 100191
2 清华大学航空航天学院, 北京 100083
数字体图像相关方法通过分析两幅以体素为单位的三维体图像获得物体内部的三维变形信息。在利用数字体图像相关方法测量物体内部变形的过程中，整体素的位移场可以通过简单的空域搜索获得，因此如何计算亚体素位移是提高该方法位移测量精度的关键。介绍了一种基于空间灰度梯度的亚体素位移测量算法，并用计算机模拟生成的可精确控制位移的三维散斑体图像和真实的激光扫描共焦显微镜三维体图像测试了该算法的计算精度和计算效率。结果表明，基于梯度的亚体素位移测量算法原理简单，计算效率高，可用于实际物体内部变形的高精度测量。
测量 图像处理 数字体图像相关 亚体素 位移 变形
1 北京理工大学 理学院力学系，北京 100081
2 北京理工大学 理学院力学系，北京 100081,
3 清华大学 航空航天学院力学系，北京 100084
提出了一种新颖的人工亚微米/纳米散斑制作技术.采用超声波分散亚微米/纳米颗粒，然后利用范德华力、静电力和毛细力将其吸附在试件表面.在特定分辨率的扫描电镜下，物体表面的亚微米/纳米颗粒可以看作是亚微米/纳米散斑.此外，发展了一种测量面内亚微米/纳米级变形的电子显微镜散斑照相技术.详细介绍了人工制作亚微米/纳米散斑和电子显微镜散斑照相技术,实验验证了技术的可行性
实验力学 电子显微镜散斑照相技术 亚微米/纳米散斑 超声波分散技术 Experimental mechanics Electron microscope speckle photography Sub-micron or nanometer speckle Ultrasonic dispersing technique
1 清华大学工程力学系, 北京 100084
2 School of Mechanical and Aerospace Engineering, Nanyang Technological University, Singapore, 639798
3 清华大学汽车工程系, 北京 100084
4 黑龙江大学物理系, 黑龙江 哈尔滨 150080
为使数字图像相关方法适用于大变形测量,提出一种变形初值估计方法。通过在变形前图像中第一个计算点附近选择三个或更多特征点并在变形后图像中选择其对应点,利用坐标对应关系获得该点可靠的变形估计值作为Newton-Rapshon方法的迭代初值。该方法可对被测物体存在任意刚体转动或大变形情况下的表面变形进行准确测量,克服了通常的基于整像素位移相关搜索再进行亚像素位移测量的数字图像相关方法在被测物面存在稍大转角或大变形情况下即不能使用的缺点。对存在相对刚体转动图像的位移场和聚丙烯泡沫塑料压缩实验的大变形进行了测量,结果充分显示本文方法的有效性。
光学测量 数字图像相关 大变形 Newton-Rapshon方法
为了从含噪声的位移场中计算得到可靠的应变场,提出一种基于位移场局部最小二乘拟合的全场应变求解方法。介绍了数字图像相关方法的原理,阐述了基于位移场局部最小二乘拟合的全场应变求解方法,并讨论了计算区域边界、孔洞及裂纹附近区域等情况下的应变计算。对均匀变形和中心带圆孔的薄铝板拉伸实验的计算结果表明,该方法能有效地从原始位移场数据中提取全场应变信息。在均匀变形情况下应选择大的应变计算窗口,计算结果更逼近真值;在非均匀变形情况下,如果位移场中包含较强的噪声,则应选择较大的应变计算窗口,而位移场精度很高时可选择更小的应变计算窗口。
光学测量 数字图像相关 最小二乘拟合 应变
1 清华大学工程力学系,北京,100084
2 日本国立材料研究所,日本,筑波,305-0047
将激光扫描共聚焦显微镜与实验力学中的云纹法相结合,提出了激光扫描共聚焦显微镜云纹法并对其进行了实验研究.实验中以激光扫描共聚焦显微镜的扫描线作为虚拟参考栅,以1 200 lines/mm的全息光栅作为试件栅,这两组栅线相干涉形成云纹条纹.对激光扫描共聚焦显微镜中云纹的形成原理和出现条件进行了讨论,对实验结果与理论分析进行了比较.结果表明,激光扫描共聚焦显微镜云纹法是真实可行的.由于该方法无需干涉系统且对测量环境无特殊要求,因此有望在待测物体表面微米量级变形观察和测量上得到应用.
云纹 激光扫描共聚焦显微镜 变形
1 清华大学 工程力学系，北京 100084
2 北京理工大学 机电工程学院，北京 100081
在扫描探针纳米加工技术的基础上，提出了利用原子力显微镜(AFM)来制作高频光栅的新工艺。利用AFM硅制探针，在接触模式下对光盘(聚碳酸酯材料)进行刻划试验。对刻划光栅的工艺参数进行优化，得到了纳米量级光栅。并将刻划所得光栅应用于数字云纹法，与数字参考栅干涉形成微／纳米数字云纹。实验结果表明，该法所制得的光栅可以应用于实际变形的测量。
原子力显微镜 微纳米加工 光栅制作 数字云纹 atomic force microscope(AFM) nano-lithography grating fabrication digital moiré
提出了一种纳米云纹法的条纹倍增技术,可用于单晶材料纳米级变形测量.在测量中,单晶材料的晶格结构由透射电镜(TEM)采集并记录在感光胶片上作为试件栅,几何光栅作为参考栅.对纳米云纹条纹的形成原理,透射电镜放大倍数与试件栅的频率关系,条纹倍增技术,位移、应变测量方法等进行了详细讨论.该方法不仅能够测量连续力学参量,如应变和位移,而且能够表征纳观非连续参量,如位错、夹杂.
纳米云纹法 倍增技术 晶格 Nano-moiré method Multiplication technique Crystal lattice
