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基于激光散斑的轮胎制造内部缺陷检测与疲劳寿命预估

彭艳华  
【摘要】:本文以基于激光散斑的轮胎制造内部缺陷检测与疲劳寿命预估为题,对于提高轮胎使用性能,降低因轮胎质量缺陷而造成的交通事故发生率,提高轮胎先进制造水平与制造检测技术水平,具有重要学术价值与实际意义。论文在评述相关国内外研究成果并对轮胎结构特征、轮胎主要缺陷类型、当前各种轮胎缺陷检测技术特点进行分析的基础上,围绕轮胎激光剪切散斑干涉检测系统结构、散斑包裹相位图像处理、缺陷深度测量、橡胶材料本构关系选取方法、多轴疲劳特征下的疲劳寿命预估等问题展开研究。主要研究工作包括:⑴研究激光剪切散斑轮胎内部缺陷检测机理与关键技术,为进一步研究基于激光剪切散斑的内部缺陷信息处理技术打下基础。考虑激光剪切散斑特点及其对检测环境要求,对轮胎内部缺陷激光剪切散斑检测系统进行合理布局;通过对含内部缺陷轮胎激光剪切散斑干涉条纹图特征进行分析,研究自适应多方向散斑干涉相位图频域噪声滤波方法,该方法既能够自动设置滤波截止频率、有效滤除噪声,又能够较好地保留图像细节信息;根据条纹相位与缺陷表面在加载变形时产生的离面位移间函数关系,对含轮胎内部缺陷特征的相位图进行相位积分及积分图二值化处理,实现对内部缺陷大小的识别;选择Visual C++作为图像采集程序的开发环境,创建基于MFC的激光散斑图像处理应用平台,实现对重点图像区域进行抓取、对包裹相位图进行滤波、解包等,重建出轮胎缺陷变形的三维模型,并测量缺陷表面离面位移。⑵探索性研究基于激光剪切散斑轮胎内部缺陷深度测量机理,为进一步结合轮胎结构、缺陷构型,分析含缺陷部位在加载过程中的力学性能、机械性能等提供有力依据。通过对无损检测中常见的不同类型内部缺陷建模并研究其检测机理,推导不同条件下内部缺陷深度计算公式;以LabVIEW为开发环境,将轮胎内部缺陷尺寸、表面离面位移等信息与内部缺陷深度计算式结合,开发一套轮胎内部缺陷深度计算软件,实现缺陷深度计算与数据库管理;利用轮胎内部缺陷激光剪切散斑干涉检测平台对预设的不同深度、尺寸等内部缺陷试样进行检测,并通过对加载量0q进行控制,讨论影响缺陷识别率、缺陷深度测量精度的有关规律。试验结果表明,基于激光剪切散斑轮胎内部深度测量方法能有效实现对内部缺陷深度的测量,测量相对误差在10%以内。且在缺陷尺寸大于检测系统分辨率前提下,加载量0q对测量精度影响较为明显,若0q偏小,测量值depthT?略小于实际缺陷深度depthT;当0q偏大时,测量值depthT?会略大于实际缺陷深度depthT。⑶结合缺陷位置研究基于橡胶多轴疲劳特征的轮胎疲劳寿命预测技术,该方法能够克服传统脱离内部缺陷所处位置工况,而只根据缺陷尺寸信息对轮胎安全性能进行评定的片面性。鉴于轮胎结构复杂性、轮胎中各个部位橡胶材料力学性能差异性、轮胎内部所受应力场特征多样性等,对橡胶疲劳分析中本构关系的选取方法进行讨论;选择CED标准,研究随主伸长率1?和裂纹方向角?变化时不同加载条件下应变能密度W与开裂能密度Wc关系,分析橡胶在多轴载荷工况下疲劳特征;借助有限元软件,利用全局-局部模型技术对基于多轴疲劳特征的轮胎疲劳寿命预测技术进行研究,通过在轮胎不同区域设置疲劳破坏感兴趣区后分析缺陷深度depthT、裂纹方向角?等因素对疲劳裂纹扩展的影响。⑷开展基于激光剪切散斑检测的缺陷深度测量试验和裂纹扩展试验,验证本文研究方法的有效性。对预设的不同深度、尺寸等内部缺陷试样进行检测,并通过对加载量0q进行控制,讨论影响缺陷识别率、缺陷深度测量精度等有关规律,试验结果表明本文深度测量方法能有效实现对内部缺陷深度的测量,测量相对误差在10%以内;对配方橡胶预制试件进行裂纹扩展试验,分别利用SED标准与本文CED标准计算各试件裂纹扩展寿命,结果显示基于SED标准的寿命预测结果受裂纹方向角?影响很大,当(7)(8)0 0??0,45时,其最小相对预测误差已接近50%,相比之下基于CED标准的最小相对预测误差仅为12.25%,且其受裂纹方向角?影响不大,说明本文基于CED标准疲劳寿命计算方法更接近实际裂纹扩展情况。


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