カメラを使用して応力下での材料の変形を研究する

🔍カメラによる材料変形解析入門

ひずみゲージなどの従来の材料変形測定方法では、多くの場合、局所的な測定しか行えません。カメラは、特に DIC と組み合わせて使用​​すると、全視野測定機能を提供します。つまり、材料の表面全体の変形を同時にマッピングして分析できます。この包括的なアプローチにより、応力集中、亀裂発生点、およびポイントベースのセンサーでは見逃される可能性のあるその他の重要な領域を特定できます。

材料変形解析におけるカメラの使用は、次のようないくつかの利点により急速に増加しています。

• ✓非接触測定: 材料の挙動に影響を与えません。
• ✓全視野データ: 変形の全体像を提供します。
• ✓高解像度: 形状の微妙な変化も捉えます。
• ✓汎用性: 幅広い材料やテスト条件に適用できます。

📈デジタル画像相関（DIC）：詳細な説明

デジタル画像相関 (DIC) は、デジタル画像を使用して物体の表面の変形を測定する非接触光学技術です。このプロセスでは、物体が応力を受けているときに、物体の一連の画像をキャプチャします。次に、これらの画像は、ピクセルの小さなサブセットの動きを追跡する専用ソフトウェアを使用して分析されます。ソフトウェアは、異なる画像内のこれらのサブセットの位置を比較することにより、物体の表面全体の変位とひずみフィールドを計算できます。

DIC プロセスの詳細は次のとおりです。

• 🔍スペックルパターンの適用: ランダムなスペックルパターンが素材の表面に適用されます。このパターンは、ソフトウェアが追跡できる独自の機能を提供します。
• 📷画像取得: 材料が応力を受けて変形するにつれて、一連の画像がキャプチャされます。正確な測定を保証するために、通常、高解像度カメラが使用されます。
• 💻画像処理: 画像は歪みやノイズを修正するために処理されます。
• 📊相関分析: ソフトウェアは画像を分析してスペックルパターンの動きを追跡します。これには、画像を小さなサブセットに分割し、後続の画像で対応するサブセットを検索する作業が含まれます。
• 📈変位とひずみの計算: スペックルパターンの動きに基づいて、ソフトウェアは材料の表面全体の変位とひずみのフィールドを計算します。

DIC は、2D-DIC と 3D-DIC という 2 つの主な構成で実装できます。2D-DIC では 1 台のカメラを使用して面内変形を測定しますが、3D-DIC では 2 台以上のカメラを使用して面内変形と面外変形の両方を測定します。3D-DIC は、特に複雑な形状や荷重条件の場合に、材料の挙動をより完全に把握できます。

🔬カメラベースの変形解析のための機器とセットアップ

材料変形解析用のカメラベースのシステムを設定するには、いくつかの要素を慎重に考慮する必要があります。機器の選択と設定構成は、特定のアプリケーションと必要な精度レベルによって異なります。

一般的なシステムの主要コンポーネントは次のとおりです。

• 📷カメラ: 高画質の高解像度カメラが必須です。カメラの数は、2D-DIC を使用するか 3D-DIC を使用するかによって異なります。
• 💡照明: 高品質の画像を得るには、一貫性のある均一な照明が不可欠です。安定性とエネルギー効率の点で LED 照明が好まれることが多いです。
• 💻コンピューターとソフトウェア: 画像を処理し、DIC 分析を実行するには、強力なコンピューターが必要です。DIC アルゴリズムを実装するには、専用のソフトウェアが必要です。
• 🔎キャリブレーション ターゲット: キャリブレーション ターゲットは、カメラをキャリブレーションし、正確な測定を保証するために使用されます。
• 🔧試験機: 試験機は材料に荷重をかけるために使用されます。試験機は荷重を正確かつ一貫してかけることができる必要があります。

正確な測定には、カメラの適切なキャリブレーションが不可欠です。キャリブレーションには、キャリブレーション ターゲットを使用してカメラの固有パラメータと外部パラメータを決定することが含まれます。固有パラメータは、焦点距離やレンズの歪みなど、カメラの内部特性を表します。外部パラメータは、空間におけるカメラの位置と方向を表します。

📈カメラベースの材料変形解析の応用

カメラベースの材料変形解析は、さまざまな業界で幅広く応用されています。主な用途には次のようなものがあります。

• 🏗航空宇宙工学: 応力を受けた航空機部品の変形を分析し、構造の完全性を確保します。
• 🚗自動車工学: 安全性を向上させるために、衝突時の車両部品の変形を研究します。
• 🏭土木工学: 橋や建物の変形を監視して、潜在的な構造上の問題を検出します。
• 🧪材料科学: 新材料の機械的特性を特徴付ける。
• 🔬製造：製造中の部品の変形を分析して製造プロセスを最適化します。

たとえば、航空宇宙業界では、DIC を使用して航空機の翼の留め具穴の周りのひずみ分布を測定できます。この情報を使用して、応力が集中する領域を特定し、疲労破損を防ぐために翼の設計を最適化できます。自動車業界では、DIC を使用して衝突試験中の車体の変形を調査できます。この情報を使用して、衝突時に乗員を保護するための自動車の設計を改善できます。

⚠課題と制限

カメラベースの材料変形解析には多くの利点がありますが、いくつかの課題と制限もあります。これには次のものが含まれます。

• ❌表面の準備: スペックルパターンが明確に定義され、表面に付着するように、材料の表面を適切に準備する必要があります。
• ❌照明条件: 照明条件の変化は測定の精度に影響を与える可能性があります。
• ❌計算コスト: DIC 分析は、特に大規模なデータセットの場合、計算コストが高くなる可能性があります。
• ❌環境要因: 温度や振動などの環境要因が測定の精度に影響を与える可能性があります。

これらの課題に対処するには、実験を慎重に計画し、実行する必要があります。正確で信頼性の高い結果を得るには、適切な表面処理、安定した照明、堅牢なアルゴリズムが不可欠です。さらに、環境条件を考慮し、測定への影響を最小限に抑える対策を講じることが非常に重要です。

🔎カメラベースの変形解析の今後の動向

カメラベースの材料変形解析の分野は絶えず進化しており、常に新しいテクノロジーや手法が登場しています。主なトレンドには次のようなものがあります。

• 📷高速カメラ: 高速カメラは、衝撃や破損などの動的イベントの研究に使用されています。
• 💻人工知能: 人工知能は、DIC 分析プロセスを自動化し、測定の精度を向上させるために使用されています。
• 🔬有限要素解析 (FEA) との統合: カメラベースの測定が FEA と統合され、シミュレーションの精度を検証および向上します。
• 📡ワイヤレスおよびポータブル システム: 困難な環境での現場測定を可能にするために、ワイヤレスおよびポータブル システムが開発されています。

これらの進歩により、カメラベースの材料変形解析はよりアクセスしやすく、正確で、多用途なものになっています。この技術は今後も改善を続け、工学および材料科学においてますます重要な役割を果たすことが期待されています。