Corelarea digitală a imaginilor (DIC) este o metodă de analiză în câmp complet, bazată pe corelarea tonurilor de gri din imagini, care poate determina conturul și deplasările unui obiect supus la sarcină în trei dimensiuni.
DIC a fost dezvoltat de Mike Sutton în anii 1990. Acesta a construit un sistem cu o singură cameră care funcționa pe un plan 2D. A creat un software de recunoaștere a modelelor pentru a calcula deplasările dintre imagini. Apoi a adăugat o a doua cameră pentru a crea un sistem stereo. Aceasta a captat mișcări în trei dimensiuni, ceea ce a deschis noi orizonturi de analiză. Astăzi, testele pot imclude mai multe perechi de camere.
Corelarea digitală a imaginii a devenit un instrument de încredere în testarea aerospațială. O probă de testare este acoperită cu puncte, camerele înregistrează modul în care punctele se mișcă atunci când se aplică sarcini, iar software-ul corelează aceste imagini pentru a putea furniza valori ale tensiunilor și deformațiilor pe întreaga suprafață analizată.
Furnizorii de DIC oferă, de obicei, soluții end-to-end, cum ar fi Aramis, dezvoltat de compania germană GOM și livrat prin intermediul furnizorilor în întreaga lume. Hardware-ul principal este, de obicei, un sistem cu doua camere. Acestea trebuie să fie aliniate și calibrate, astfel că, sistemele livrate includ și artefacte de calibrare (plăci sau cruci).
Sistemele anterioare necesitau alinierea de către un expert, dar tendința actuală este de a utiliza presetări și automatizări pentru a ușura utilizarea și a asigura precizia măsurătorilor alături de repetabilitate și reproductibilitate.
Fuzelaj acoperit cu un model “cu pete” pentru analiza DIC.
DIC & NASA
Rezultatele precise ale echipamentelor ce furnizează analiză DIC au convins NASA să investească în munca lui Sutton.
Corelarea digitală a imaginilor poate măsura comportamentul secțiunilor de rachete de dimensiuni mari sau al fibrelor microscopice, precum și înregistrarea detonărilor de fracțiuni de secundă sau a fenomenelor cvasi-statice care durează mai multe ore. Tehnica, care utilizează camere de mare viteză, are avantaje decisive față de senzorii tradiționali și evoluează spre o soluție industrială fiabilă, de tip „point-and-shoot”. „La Centrul de cercetare Langley al NASA [LaRC] caracterizăm daunele din structuri și materiale”, spune coordonatorul LaRC, Dave Dawicke. „Executăm DIC pe orice, de la teste mici de materiale la componente la scară completă și îl folosim pentru a valida analiza noastră cu elemente finite.”
Teste cu sarcină mare
În cursul anului 2011, o echipă NASA Marshall DIC a capturat un cilindru de rachetă de dimensiuni normale care s-a îndoit sub o presiune descendentă de 2.000.000 lbs pentru primul Shell Buckling Knockdown Factor (SBKF). Datele de la acest test SBKF și de la testele ulterioare informează NASA cu privire la proiectele moderne de vehicule de lansare. „Carcasele rachetelor au fost proiectate în mod conservator, pe baza unor sarcini teoretice de flambaj derivate în anii 1950”, explică Dawicke. „Prin testarea modului în care imperfecțiunile reale ale cilindrilor afectau sarcina de flambaj, NASA a urmărit să folosească structuri mai ușoare cu același nivel de siguranță.”
Pentru acest test, opt perechi de camere video au asigurat o acoperire de 360° a cilindrului cu diametrul de peste 8 metri: probabil cel mai mare subiect de test DIC al NASA. „Este ca și cum ai strivi o cutie de bere”, spune Dawicke. „Dar ei nu știau unde se va îndoi, iar când se îndoaie, se duce repede. Sistemele DIC 3D de mare viteză au capturat acest eveniment de îndoire.”
Înlocuirea senzorilor tradiționali
În mod esențial, DIC oferă date pe întreaga suprafața măsurată, în timp ce mărcile tensometrice tradiționale oferă doar măsurători punctuale. „Este greu să poziționezi mărcile tensometrice dacă nu știi exact unde va avea loc cea mai mare deformare”, spune Phillip L. Reu, fostul președinte al Societății Internaționale DIC (iDIC). „Dar cu DIC, pur și simplu pulverizați zeci de mii de detectoare pe o întreagă suprafață.”
Cu toate acestea, inginerul principal de la Boeing, Alessandro Vieira, emite o notă mai precaută: „Geometriile complexe cu multe translații provoacă incertitudini”, spune el. „Acestea trebuie să fie înțelese înainte ca industria să aibă încredere în DIC pentru aplicații critice.” IDIC își propune să ofere informații și certificare în jurul cuantificării acestor incertitudini.
DIC poate face, de asemenea, munca senzorilor de deplasare LVDT (transformator diferențial variabil liniar), cabluri care necesită timp pentru a fi atașate și care măsoară doar într-o singură direcție. „Testarea noului sistem de lansare spațială implică împingerea și tragerea unor cilindri hidraulici uriași în direcții diferite”, spune Tim Schmidt, vicepreședinte Trilion, unul dintre furnizorii GOM. „Acest lucru este mult mai ușor de captat cu DIC”.
Dawicke este de acord: „Pentru testele la scară reală, aeronava este un mozaic de senzori și cabluri și este greu să le pui cap la cap în mod semnificativ. DIC oferă o imagine a întregului câmp cu un sistem de coordonate ușor de adaptat la modelele FEA [analiza cu elemente finite]. Mărcile tensometrice oferă o precizie mai bună la nivel de microdeformație, dar avariile implică, în general, deformații și deplasări mai mari.”
Validarea FEA este o aplicație cheie a DIC. În 2003, naveta spațială Columbia s-a dezintegrat la reintrarea în atmosferă din cauza unei bucăți de spumă care i-a perforat aripa în timpul lansării – un pericol pe care cei de la NASA l-au subestimat în mod fatal. Programul ulterior de revenire la zbor a navetei spațiale a impus NASA să demonstreze acuratețea FEA în raport cu datele DIC. „NASA a „lansat” o bucată de spumă de mărimea unei serviete într-o secțiune de aripă a orbitorului”, spune Schmidt. „Am făcut fotografii la 27.000 fps și întregul test a durat o fracțiune de secundă”.
În schimb, testele cvasi-statice se desfășoară pe parcursul mai multor ore sau chiar zile. „Înaintea misiunii STS-133 din 2011 a navetei, NASA a observat spumă nefixată pe un rezervor extern pe care îl umpleau cu hidrogen și oxigen lichid”, spune Schmidt. „Este exact ceea ce a cauzat pierderea navei Columbia, iar îndepărtarea spumei a scos la iveală mai multe fisuri pe rezervor”.
Echipa lui Schmidt a folosit DIC la rampa de lansare a Centrului Spațial Kennedy în timp ce rezervorul a fost umplut pe o perioadă de 12 ore. „Am măsurat modul în care s-a contractat și exact unde au apărut fisurile – din cauza îndoirii armăturii de aluminiu”, spune el. Adăugarea de întărituri a rezolvat problema, iar datele Aramis au validat modelul de secțiune as-built al NASA pentru a se asigura că modificările nu au cauzat probleme în altă parte.
Lansarea STS-133, misiunea finală a navetei spațiale Discovery, în februarie 2011 (Foto: NASA / Sandra Joseph și Kevin O’Connell)
Un subiect fierbinte
În timpul coborârii, un scut termic va proteja Roverul NASA 2020 care călătorește acum spre Marte. DIC a fost folosit pentru a arăta că această structură poate supraviețui coborârii. „Pentru că era un articol de zbor, nici măcar nu l-am putut atinge”, spune Dawicke. Echipa NASA a dezvoltat un sistem care implică trei perechi de camere de luat vederi, fiecare înregistrând o treime din suprafața conică de aproximativ 4.5 metri, folosind o replică din placaj. „A fost un test de profil înalt, dar, în cele din urmă, fără evenimente, deoarece scutul termic a funcționat fără probleme”, spune el. „Au reușit să zboare și acum avem date de înaltă rezoluție ale scutului termic sub sarcină pentru a valida modelele FEA”.
Pe măsură ce tehnologia camerelor de luat vederi evoluează, la fel vor evolua și aplicațiile DIC. Dawicke vede o cerere tot mai mare pentru comparații directe cu FEA – pentru captarea efectului câmpurilor de curgere asupra comportamentului structural în tunelurile de vânt, pentru filtrarea luminii generate pentru a permite DIC la temperaturi ridicate. Dronele ar putea juca, de asemenea, un rol foarte important.
„Poziționarea camerelor video în jurul unor articole de testare de mari dimensiuni implică unghiuri dificile și hardware care se poate deplasa în timpul unui test”, spune Vieira. „Zborul camerei-bară pe o dronă, care s-ar putea bloca singură în poziție și ar putea filma o zonă cu încredere, ar putea fi o soluție perfectă.”
Roboții colaborativi ar putea, de asemenea, să sprijine DIC în viitor. „Sistemul Scanbox de la GOM utilizează deja tehnologia stereo pentru dimensionarea automobilelor”, adaugă Vieira. „Poziționarea camerelor cu ajutorul unui braț de robot ar putea aduce flexibilitate de fabricație în mediile de testare.”
