Измерение распределения микро / наномасштабных деформаций по выборке Муаровые обводки
23 мая 2017 г.
11.2K просмотров
Здесь представлена методика сэмплирования муара с использованием методов выборки 2-х пикселов и много пикселов для высокоточных измерений распределения деформации в микро / наномасштабном масштабе.
Общая цель этого эксперимента заключается в точном измерении распределения деформаций материалов на микро- или наноуровне с помощью двухпиксельного или многопиксельного муара выборки
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной статье представлены процедура измерения и принципы метода дискретного муарé, предназначенного для полнопольного измерения деформаций микро- и наномасштаба. Метод предлагает два основных подхода: метод реконструированного умноженного муара и метод дискретного муара с пространственным фазовым сдвигом. Оба метода позволяют проводить высокочувствительный двумерный анализ деформаций и смещений по одному снимку сетки, что является улучшением по сравнению с традиционными методами муарé.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Материаловедение
- Экспериментальная механика
- Оптическая метрология
Теоретические основы
- Традиционные методы муарового анализа широко используются для измерения деформаций и напряжений.
- Обычные методы часто требуют вращения или сканирования образца, что может быть трудоемким и менее точным.
- Существует потребность в более чувствительных и эффективных методах полнопольных измерений на микро- и наноуровнях.
- Методы дискретного муарового анализа потенциально позволяют преодолеть эти ограничения.
Цель исследования
- Описать и продемонстрировать метод дискретного муара для точного полнополевого измерения деформаций микро- и наномасштаба.
- Сравнить чувствительность и эффективность новых методов с традиционными методами сканирующего муара.
- Проверить работоспособность метода на образцах из углепластика в условиях механических испытаний.
Используемые методы
- Применение метода реконструированного мультипликационного муара с шагом сетки образца около 2 пикселей.
- Использование метода пространственного фазосдвига дискретизационного муара для шага сетки 3 пикселя и более.
- Создание полос дискретизационного муара для анализа смещений и деформаций.
- Измерение распределения двумерных смещений и деформаций, включая сдвиговые деформации, в ходе испытаний на трехточечный изгиб.
Основные результаты
- Чувствительность как к смещению, так и к деформации в два раза выше по сравнению с традиционными методами сканирующего муара при том же поле зрения.
- Метод пространственного фазового сдвига значительно повышает точность измерения деформации.
- Предложенные методы позволяют осуществлять автоматическое пакетное измерение.
- Распределения двумерных деформаций, включая сдвиговые деформации, были успешно измерены в образцах пластика, армированного углеродным волокном.
Выводы
- Метод дискретного муара позволяет проводить высокочувствительные полнопольные измерения деформаций на микро- и наноуровне.
- Он устраняет необходимость в повороте или сканировании образца, что упрощает процесс измерения.
- Данный метод представляет ценность для неразрушающей количественной оценки механических свойств, обнаружения трещин и анализа остаточных напряжений в различных материалах.
Часто задаваемые вопросы
В чем заключается основное преимущество метода выборочного муара по сравнению с традиционными методами муарового анализа?
Метод выборочного муара обеспечивает более высокую чувствительность и позволяет проводить полнопольные двумерные измерения деформации и смещения по одному снимку сетки без необходимости вращения или сканирования образца.
Как работает метод реконструкции муарового умножения?
Когда шаг сетки образца составляет около 2 пикселей, возникают моаревые полосы с дискретизацией в 2 пикселя, что позволяет реконструировать мультипликативную моаровую картину для измерения деформации с удвоенной чувствительностью.
Какова роль метода пространственного фазового сдвига при моаровом сканировании?
Для шага сетки 3 пикселя и более метод пространственного фазового сдвига сочетается с методом отбора проб муара для генерации многопиксельных полос, что повышает точность измерения деформации и позволяет проводить автоматические серийные измерения.
Какие типы материалов были протестированы с помощью этого метода?
Метод был продемонстрирован на образцах из пластика, армированного углеродным волокном, подвергнутых испытаниям на трехточечный изгиб.
Позволяет ли данный метод измерять деформации сдвига, а также нормальные деформации?
Да, данный метод позволяет измерять распределение как нормальных, так и касательных деформаций в двух измерениях.
Подходит ли метод пробоотборного муара для неразрушающего контроля?
Да, этот метод особенно ценен для неразрушающей количественной оценки механических свойств, наличия трещин и остаточных напряжений в различных материалах.
Практическая значимость для промышленности
Этот метод позволяет проводить высокоточное полнопольное картирование деформаций на микро- и наномасштабе без вращения образца или линейного сканирования, что способствует неразрушающему контролю механических свойств материалов. Он обеспечивает получение количественных данных о деформации, которые имеют решающее значение для оценки структурной целостности и механизмов разрушения в современных композитах и биоматериалах. Данный метод повышает достоверность прогнозов при доклиническом скрининге материалов, обеспечивая воспроизводимое автоматизированное распределение деформаций на основе однокадровой визуализации.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первичный поиск и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет снизить механистические риски путем количественной оценки структурных изменений биоматериалов, вызванных деформацией при механической нагрузке.
- Практическая ценность: способствует валидации мишеней за счет установления корреляции между механической деформацией и биологическим ответом в тканеинженерных конструктах.
Скрининг и разработка методов анализа
- Научная ценность: позволяет создавать количественные 2D-карты деформации в качестве функциональных показателей для анализов по скринингу биоматериалов.
- Практическая ценность: обеспечивает возможность автоматизированного серийного измерения для высокопроизводительной оценки потенциальных материалов.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: Измерение деформаций сдвига и нормальных деформаций в скаффолдах для прогнозирования механических характеристик in vivo.
- Практическая ценность: Определение пороговых значений деформации для принятия решений о целесообразности дальнейшего использования материалов на доклиническом этапе.
Интеграция конвейера и рабочих процессов
Данный метод интегрируется в рабочие процессы поиска путем предоставления данных о деформации, которые позволяют обоснованно выбрать материал перед биологическими испытаниями, обеспечивая связь между инженерной характеристикой и доклинической оценкой.
- Биология открытий: обеспечивает проверку гипотез о влиянии деформации материала на поведение клеток в исследованиях механотрансдукции.
- Скрининг: позволяет подготовить анализ за счет стандартизированного и воспроизводимого картирования деформаций в библиотеках материалов.
- Аналитика: предоставляет поля смещения и деформации в виде количественных данных для сравнительного анализа условий.
- Трансляционные исследования: связывает измерения микро- и нанодеформаций с доклинической преемственностью путем определения порогов деформации, связанных с функциональным отказом.
- Корпоративное повторное использование: служит многократно используемой платформой для механического фенотипирования различных платформ биоматериалов.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: снижает механистическую неопределенность в зависимостях «структура-функция» за счет обеспечения полнопольной валидации деформации.
- Операционная ценность: обеспечивает воспроизводимость и масштабируемость благодаря автоматической пакетной обработке изображений на основе сетки.
- Стратегическая ценность: повышает эффективность использования капитала, позволяя проводить снижение механических рисков на ранних этапах, что уменьшает вероятность отказа биоматериалов на поздних стадиях.
- Влияние на портфель: позволяет осуществлять приоритезацию биоматериалов с учетом рисков на основе их устойчивости к деформации и однородности деформации.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области оптической механики и анализа деформаций по изображениям.
- Необходима инфраструктура для получения изображений с высоким разрешением, способная разрешать шаг сетки на уровне 2–3 пикселей.
- Требуется межкомандная стандартизация между подразделениями материаловедения и биологии для обеспечения единообразия подготовки образцов.
- Необходимо учитывать особенности адаптации при нанесении сетки на мягкие гидратированные биоматериалы по сравнению с жесткими композитами.
- Существуют практические ограничения при измерении деформаций за пределами линейного упругого диапазона или в динамически меняющихся образцах.
Часто задаваемые вопросы по биофармацевтике
Почему измерение деформации по всему полю важно для валидации мишени?
Полнопольное измерение деформации позволяет количественно оценить локальную деформацию биоматериалов, что способствует валидации мишени путем установления связи между механическим откликом и биологической функцией под нагрузкой.
Как изоляция независимых переменных повышает надежность конвейера поиска?
Изоляция штамма в качестве независимой переменной позволяет точно оценить его влияние на клеточные результаты, сокращая число смешивающих факторов в механистических исследованиях.
Какие измерения количественных зависимых переменных позволяют осуществлять прогностическое моделирование?
Двумерное распределение смещений и деформаций, включая компоненты сдвига, служит количественными входными данными для расчетных моделей, прогнозирующих взаимодействие материала с тканью.
Почему требования к репликации имеют значение для кросс-функционального взаимодействия?
Репликация гарантирует согласованность измерений деформации между различными лабораториями и партиями материалов, что обеспечивает надежный обмен данными между инженерными и биологическими группами.
Какие возможности статистического анализа требуются перед внедрением?
Реализация требует возможности анализа однородности поля деформаций, вычисления главных деформаций и оценки неопределенности измерений при многократных выстрелах.
Chapters in this video
0:05
Title
6:28
Conclusion
5:02
Results: 2D Displacement and Strain Distributions of Carbon Fiber-reinforced Plastic
0:56
Sample Preparation and Grid Patterning
2:36
Grid Image Acquisition During a Loading Test
4:01
Generation of Sampling Moiré Fringes and Deformation Analysis
