Effects of pattern characteristics on DIC uncertainty in dynamic applications : assessment and optimization method

Displacement and strain measurements of a loaded physical objects are crucial to characterize it and to determine the state of stress and the mechanical resistance. The measurement is especially important for complex mechanical parts with unknown loading conditions, where analytic models or FEM simulations cannot easily estimate the complex stress field of the component. The Digital Image Correlation (DIC) proved itself to be a reliable tool for measuring displacement and strain and to have a set of valuable qualities. For instance, DIC grants a direct measurement of displacement, without analytic transitions. In addition, the process is entirely contact-less: a feature immensely useful in numerous applications. On top of that, a DIC measurement is full-field and capable of handle complex states of transformation. The basic idea under DIC is very simple: a reference image of the object is acquired in known conditions (i.e. undeformed). The same image of the object is acquired under loading. Finally, the two images are correlated to extract the displacement field. The strain and stress map can be obtained by a proper data post-processing. The DIC, being an image-based method, is totally influenced by the appearance of the object in analysis. In most application, a speckle pattern is applied on the specimen surface to enhance the DIC process. The objective of this thesis work is to determine for moving subject the optimal design of such a pattern, in order to improve the effectiveness of the entire procedure. To achieve this result, 1D and 2D models of DIC uncertainty are developed, in order to link the pattern characteristics and the dynamic state of the experiment subject to the correlation error. This allows to find an optimal arrangement for these pattern characteristics. Those conclusions are verified by means of monodimensional signals, of numerically simulated tests and of real experiments. The experiments include the realization of the pattern, for which an in-depth study of the technique is conducted, and the creation of more specimens to have a more solid validation.

Le misure degli stati di deformazione e spostamento presenti su un oggetto sollecitato sono cruciali per determinarne lo stato di stress o le proprietà meccaniche. Queste misure sono specialmente importanti per parti meccaniche complesse, o con condizioni di carico ignote, dove la modellazione numerica e i modelli analitici non riescono facilmente a portare a termine una modellazione precisa. La Correlazione Digitale di Immagini (DIC) ha provato di essere uno strumento affidabile per misurare deformazioni e spostamenti e di avere un novero di utili qualità. Per esempio, la DIC garantisce una misura diretta dello spostamento, senza artifizi analitici. Inoltre l’intero processo avviene senza contatto con gli oggetti da misurare: una caratteristica immensamente utile in numerose applicazioni. La DIC soprattutto è uno strumento di misura a pieno campo, che quindi misura un’intera area, e riesce a gestire complesse trasformazioni. L’idea alla base della DIC è semplice: un’immagine di riferimento dell’oggetto viene acquisita in condizioni note (solitamente nello stato di quiete/indeformato). La stessa immagine viene acquisita quando l’oggetto è sollecitato. Infine, le due immagini sono confrontate (correlate) per ricavare il campo di spostamenti. Gli stati di deformazione e sforzo possono essere ottenuti processando questi dati. Essendo una tecnica basata sulle immagini, la DIC è grandemente influenzata dall’apparenza degli oggetti in analisi. Nella maggior parte delle applicazioni viene quindi applicato sui misurandi un motivo a chiazze per migliorare il processo di correlazione. L’obiettivo di questa tesi è determinare le caratteristiche che un tale motivo dovrebbe avere per migliorare l’efficacia della DIC per soggetti in movimento. Per raggiungere questo risultato sono stati sviluppati modelli mono e bi dimensionali dell’incertezza della DIC, per collegare le caratteristiche del disegno e lo stato dinamico dell’esperimento all’errore di misura. Questo modo di procedere ha permesso di scoprire uno schema ottimale delle caratteristiche del motivo. Le conclusioni teoriche sono state verificate per mezzo di segnali monodimensionali, di simulazioni numeriche e di esperimenti su provini reali. Questi esperimenti hanno richiesto uno studio approfondito di varie tecniche di realizzazione fisica del disegno, e la creazione di provini ad hoc per avere una solida validazione.