《复杂断裂的计算机视觉定量分析》美陆军报告

弹道冲击和其他与军队相关的冲击条件会导致复杂的多裂纹断裂。这些裂缝通常是通过对验尸和高速原位摄影的定性分析来进行分析。展示了提取和数字化裂缝的计算机视觉技术，并对产生的特征进行统计分析，以提取基本的物理学知识，并允许在实验和模拟之间进行定量比较。介绍了两个应用该技术的案例研究：弹道冲击下碳化硼陶瓷的原位X射线图像和模拟颅骨盖骨折的模型。

引言

断裂信息的提取和量化是实验力学中更具挑战性的问题之一。最简单的分析方法是使用死后测量长度或裂缝尖端开口。然而，这有一个固有的缺点，那就是只能捕捉到断裂的最终状态，这可能会产生误导，甚至在样品测试到破坏的情况下毫无用处。苛性钠法和光弹性法提供了对断裂韧性的原位光学测量，但苛性钠法需要透明或反射材料，光弹性法需要双折射材料或涂层（Dally和Kobayashi 1980；Zehnder和Rosakis 1990）。Kirugulige等人（2007年）和Yoneyama等人（2006年）利用现代高速摄影和数字图像相关（DIC）技术的进步，开发了一种测量各向同性材料的应力强度因子的方法。该方法的功能是通过DIC测量裂纹尖端周围的局部位移，然后用来拟合裂纹尖端周围应力场的理论渐近解。Shannahan等人将这一技术进一步扩展到复杂各向异性材料的混合模式断裂，如骨和MAX相纳米碳化物（Shannahan等人，2015，2017；Shannahan 2017）。Periasamy和Tippur（2012）还继续发展了通过数字梯度传感方法捕获局部应力的断裂测量概念，该方法测量裂缝尖端周围的角度偏移，而不是位移，以获得更大的灵敏度。

虽然所有这些方法都很有用，并提供了关于静止或扩展裂纹的断裂韧性的其他不可用的信息，但它们都需要一个不与其他裂纹或样品边界相互作用的单一裂纹尖端。这使得它们不适合于弹道冲击和其他与军队有关的情况下产生的复杂的多裂纹断裂。在这些情况下，根据断裂的物理学原理提取可量化数据的内在困难意味着对这种死后或原位断裂的大多数分析是纯粹的定性分析。人们通常认为，通过显著的特征和对断裂模式的高层次概述来比较实验就足够了，如环形裂缝与从撞击处辐射出来的锥形裂缝，或分支和扭曲的裂缝与直线裂缝。然而，有了现代的高质量、高速视频和计算机视觉技术，就有机会做得更多。

本报告描述了一种基于计算机视觉的方法来检测裂缝并提取复杂断裂的统计细分。该方法与材料和载荷无关，因为只要裂缝在背景对比度和噪声下足够明显，它就能发挥作用。一旦检测到并数字化，就会对图像进行分析，并提取各种统计数据来定量描述断裂模式。这些统计数字允许在两个系列的实验数据和模拟数据之间进行直接的定量比较。两个案例研究被用来介绍这种方法：一个是检查碳化硼的原位X射线断裂数据，一个是分析头盔后钝器创伤导致的头骨断裂的模拟（Alexander等人，2021年）。