Evaluación del campo de esfuerzos mediante el análisis, descripción y clasificación de la dinámica temporal de secuencias de imágenes de fotoelasticidad

Abstract

La evaluación experimental del campo de esfuerzos es de importancia en múltiples áreas de la ingeniería porque describe la respuesta mecánica que exhibe una estructura al ser sometida a cargas de distinta naturaleza. En este campo de trabajo, los estudios de fotoelasticidad digital sobresalen entre otras técnicas por ser no invasivos, de campo completo, y altamente computacionales. No obstante, su implementación reporta limitaciones en términos de las múltiples configuraciones del polariscopio requeridas para adquirir las imágenes, cantidad de subprocesos computacionales, sesgo en zonas de concentración de esfuerzos, desempeños dependientes de la geometría de la estructura, e imposibilidad de identificar puntos isotrópicos y zonas de inconsistencias.

Frente a las oportunidades de estudios en fotoelasticidad digital, esta investigación desarrolla un método basado en casos dinámicos donde la descripción y clasificación del comportamiento temporal del color son utilizados como estrategia clave para la evaluación del campo de esfuerzos en situaciones donde las técnicas convencionales reportan limitaciones.

Dentro de los procesos realizados en este trabajo, inicialmente se presenta una conceptualización del campo de esfuerzos en estructuras cargadas, su relación con las propiedades ópticas birrefringentes, y los parámetros que intervienen en la formación de las imágenes con franjas de color. Con ello un repositorio híbrido de imágenes es generado.

Posterior a la generación de las imágenes, una estrategia basada en la extracción, selección y clasificación de características es implementada teniendo en cuenta métodos convencionales, la longitud de arco y el conocimiento previo del comportamiento temporal del color dependiendo de las categorías de esfuerzos a la que se asocia.

Los resultados demuestran que el método de clasificación de las dinámicas del color presenta mejor desempeño que los métodos convencionales seleccionados y sus derivaciones híbridas propuestas para su mejoramiento.

Evaluating the stress field is an important task in multiple engineering areas because it describes the mechanical response that a structure resist under load application. In this study field, digital photoelasticity stand out among other techniques for being non-invasive, full-field, and highly computational. However, its application reports drawbacks in terms of the multiple polariscope configurations it requires to acquire the images, number of computational procedures, lost information in stress concentration zones, performance that dependent on the structure geometry, and the impossibility of identifying isotropic points and inconsistency zones.

Taking advantages of the research opportunities in digital photoelasticity, this work develops a method for evaluating the stress information in dynamic cases. Here, describing and classifying the temporal behavior of color in photoelasticity image sequences are used as a key strategy for the evaluation of the stress field in situations where conventional techniques report limitations.

Into the processes carried out in this work, a conceptualization of the stress field in loaded structures, its relationship with birefringent optical properties, and the parameters involved in the formation of images with color fringes are initially presented. With this a hybrid image repository is generated.

After the generation of the images, a strategy based on the extraction, selection and classification of characteristics is implemented considering conventional methods, the arc length and the prior knowledge of the temporal behavior of the color depending on the stress categories to which they are associated to.

The results demonstrate that the new method of classifying color dynamics presents better performance than the selected conventional methods and their hybrid derivations proposed to improve them.