基于图像处理的航空高温金属材料力学性能与行为研究

The research progress for high temperature material for the past years was mainly focused on studying outstanding mechanical properties of metal at elevated temperature below 800℃. There is little research effort for mechanical performance and behavior of high temperature material at temperature above 800℃ up to now, as it is very difficult to accurately measure the deformation of metal material under load and high temperature environment. In this project, a non-contact accurate measuring method based on Moiré interferometry has been employed to measure the deformation of metal specimens of aviation at elevated temperature between 1000℃ and 1500℃. Aiming at properties characterization and mechanical behavior analysis of high temperature materials, computer digital image processing techniques are proposed. Special problems are as follows: first, how to acquire precisely Moiré fringe patterns for the displacement of a specimen at elevated temperature between 1000℃ and 1500℃; second, how to calculate the deformation based on image processing techniques rapidly (including feature extraction, signalment, image contour extraction etc ); third, how to reconstruct 3D fracture surface based on scanning electron microscopy and multi-scale quantitative description about deformation and failure; last, to realize the properties characterization and mechanical behavior analysis of high temperature material with the help of image processing techniques and computer numerical simulation.

目前国内外针对高温下的材料力学性能与行为研究主要集中在800℃以下金属材料力学性能研究，由于800℃以上高温环境导致材料在高温载荷状态下的位移难于高精度测量，因此采用传统力学方法进行金属材料的高温力学行为分析研究将非常困难。本项目针对航空高温金属材料力学性能研究不足，基于云纹干涉图像进行精确非接触测量航空材料在高温（1000-1500℃）条件下的力学性能,借助计算机图像处理技术进行航空材料的力学行为分析。具体内容为：研究高温条件下获取航空材料加载变形形成的精确云纹干涉图像；研究基于云纹干涉图像处理快速计算航空材料高温下形变精确测量；研究基于云纹图像处理的多尺度材料变形到失效过程的定量描述及断口SEM图像的三维重建方法；研究基于图像处理技术并结合计算机数值模拟，进行航空高温材料的力学性能表征、力学行为分析与推演。

在1000℃以上超高温环境中进行材料加载变形的精确测量一直是航空材料研究的难题。本项目围绕基于云纹干涉图像进行精确非接触测量航空材料高温力学行为，借助已有的高温云纹测试基础，探索高温实验条件的进一步提高，完善材料在高温加载条件下能获取清晰干涉条纹轮郭并通过图像处理快速计算高温下形变的精确测量方法，开展了计算机图像处理技术服务于航空材料力学行为分析的基础性研究，开展了基于材料宏微观试验图像数据并通过计算机图像处理获取的能准确定量描述材料力学性能与高温力学行为重要变化信息的方法研究。.主要内容包括设计并制作了温度不超过1400℃高温云纹实验炉3个；对非接触式高温云纹干涉测量方法进行了全面整理，公开发布了航空标准1个。开展了可见光、弱可见光与红外图像融合技术研究，开发了用于重建训练的超分辨率生成式对抗网络（PSRGAN）、参数池化卷积神经网络（PPCNN），提出了基于潜在低秩表示与复合滤波，基于对比度增强和柯西模糊函数，结合脉冲耦合神经网络与引导滤波等多种可见光、弱可见光与红外图像融合方法和基于CNN的融合图像场景识别方法。开展了基于深度学习的超分辨率重建研究，利用差分值网络（DVN）实现相邻层特征的充分利用。针对低照度图像质量不佳问题，引入 Attention 机制模块和密集卷积模块，提出基于 MDARNet、基于注意力机制残差密集生成对抗网络（ARD-GAN）、 基于U-Net 生成对抗网络和多重构变分自编码器（MR-VAE）等多种图像增强方法，实现降噪，有效提升了图像的亮度、对比度、色彩等有用信息。利用数值流形方法中数学、物理双覆盖在求解连续和不连续问题中的优势，对功能梯度材料（FGMs）的非稳态热传导问题、热冲击断裂问题以及热机械载荷作用下的断裂行为等开展了理论研究和数值模拟。