基于数字图像像素单元建立准三维FLAC^(3D)模型

在实际应用中,即使是建立较为简单的不规则准三维模型,FLAC3D也存在一定难度,因此,提出了一种快速建立FLAC3D准三维模型的方法,即基于数字图像像素单元的位置属性建立FLAC3D准三维模型,并根据像素单元的颜色属性对所建立模型进行分组,以便实现对模型单元赋予不同属性材料或者建立不同功能模块(如开挖、回填)。借助上述思想,采用Visual Basic语言编写了IMAGE-FLAC3D接口程序,实现了FLAC3D软件建模的直观、快速和自动化。通过建立土石混合体有限差分模型和库岸滑坡有限差分模型,检验了该方法及程序的有效性和可行性。在此基础上,借助强度折减法对所建立库岸滑坡模型进行稳定性分析,分析结果与极限平衡法所得结果相近,说明了所建模型的可计算性。该方法可作为数字图像服务于岩土工程的典型范例。

基于数字图像的复合岩石试验与损伤模型研究

为研究层状复合岩石破坏过程和形态,采用相似理论制作出层状复合岩石相似模型,在单轴压缩条件下观测岩石的破坏特征,结合三维数字图像相关技术(3D digital image correlation,DIC)对试件的整体变形及破坏进行全过程的观测,得到复合岩石三维场的位移和应变,同时基于试件表面应变场的变化,建立了表面损伤程度与损伤因子D之间的量化关系,进而得到基于DIC表征的层状复合岩石损伤演化模型,研究结果表明:层状复合岩石的破坏形态与脆性岩石特征相似,以拉伸劈裂破坏和Y型剪切破坏为主;DIC试验记录的表面应变与损伤因子之间的量化关系可有效反映岩石破坏的全过程,以此为基础建立的损伤演化方程与实验数据拟合效果较好,证明了模型的合理性。

3D渲染在城市数字化模型渲染中的应用

本文提出了利用独立面片模型渲染的参数组群,对城市三维数字模型的进行渲染的方法。该方法解决了超大规模数字模型的渲染与软硬件设备和工作效率之间的矛盾。提高了城市三维数字模型的渲染速度和成像质量,降低了快速三维渲染成像的成本。

基于光斑投影3D-DIC的动态液面波高场测量方法研究

动态液面波高场测量与面型三维重建是流体力学、晃荡动力学等研究领域中的重要问题,但目前仍缺乏一种简易且高效的高精度全场测量手段.基于光斑投影和三维数字图像相关(3D digital image correlation,3DDIC)原理,提出了一种动态液面波高场的测量方法.通过液体染色和光斑投影,在液体表面形成光斑纹理,设置双目相机拍摄动态液面的散斑图像.运用交比不变性标定板及张正友标定法获得双目相机内外参矩阵,并基于反向组合高斯牛顿(inverse-compositional Guass-Newton,IC-GN)的3D-DIC算法实现动态液面波高场的高精度三维重构.进一步建立光斑投影的几何光学模型,模拟规则波液面的双目图像,开展数值模拟测量以验证本方法的理论精度,同时开展真实液面波高场的测量验证.结果表明,本方法可实现动态液面波高场的高精度全场测量,模拟液面测量的均方差为0.004 mm,真实静态液面抬升测量的均方差为0.022 mm,真实动态液面测量的均方差小于0.037 mm.本文方法具有高精度、非接触和全场测量等优势,可在实验室流体测量和相关工程场景中推广应用.

3D-DIC技术颌面外科导航的体外初步研究

目的通过体外头颅模型试验,测量基于三维图像关联技术(3D-DIC)搭建的导航系统定位精度及跟踪精度。方法通过3D-DIC导航系统在3D打印头颅模型上选取不同分布模式的标记点进行注册,测量定位误差,比较注册点分布不同对于注册精度的影响,于3D打印头颅模型上模拟Lefort I型截骨线进行截骨,机械臂把持牙槽突骨段在三维空间内作任意移动,3D-DIC系统测量其运动轨迹,并与机械臂末端记录相对比,测量跟踪精度。采用独立样本t检验比较不同运动方向的跟踪精度。结果3D-DIC导航精度为(0.694±0.017)mm。3D-DIC跟踪精度为(0.174±0.089)mm,跟踪精确性良好。结论 3D-DIC导航系统拥有良好的定位精度及跟踪精度。

单相机高温三维数字图像相关方法

高超声速飞行器热防护材料和结构在地面考核试验中高温变形的准确测量一直是困扰相关工程技术人员的测试技术难题之一。建立了基于单个普通相机/紫外相机和组合式平面反射镜相结合的单相机高温三维数字图像相关(3D-DIC)测量系统,该系统采用高亮度单色光照明(蓝光/紫外照明)和带通滤波成像(蓝色/紫外滤波片)相结合的主动光学成像技术克服高温测量过程中的热辐射干扰问题。首先,采用面内和离面平移实验验证了“主动成像”单相机3D-DIC系统的位移测量精度。然后,利用建立的蓝光单相机3D-DIC系统测量了不锈钢和氧化铝陶瓷试验件不同温度下非直接受热面(后表面)的全场变形,实验测得的材料热膨胀系数与航空材料手册参考值一致。最后,利用建立的紫外单相机3D-DIC系统测量了不锈钢材料直接受热面(前表面)的全场变形,测得材料热膨胀系数同样与参考值接近。

基于图像重建方法的岩体损伤形态表征研究

工程岩体内部的损伤形态难以表征。基于图像三维重建,结合数字图像处理技术、数值模拟,重建岩体损伤模型,通过对指定数值模型剖面图的损伤区域进行图像辨识和量化,重建岩体内部损伤的三维形态。结果表明:(1)所重建的三维损伤模型具有良好的可观察性,能够直观地观察到在复杂应力条件下岩体内部模型损伤结构的起裂位置和发展形态;(2)重建模型较好地量化了岩体损伤的程度、预测了损伤区域的发展;(3)重建方法不受尺寸效应约束,具有良好的适用性。研究成果对于认识岩体损伤演化行为、分析工程问题具有一定的参考意义。

喷射混凝土围岩复合体受压力学特性及本构模型

为探究喷射混凝土围岩复合体受压力学特性,结合三维数字图像相关技术,针对4种不同喷射混凝土围岩复合体试件开展了单轴受压试验,探究了纤维和岩石种类对复合体破坏模式和受压性能的影响.基于Weibull统计损伤理论,构建了适用于复合体的受压应力应变本构模型.试验结果表明,不同围岩基复合体破坏模式存在显著差异,但微裂缝均先从喷射混凝土中发展.破坏时,围岩部分表现单一裂纹模式,而喷射混凝土部分呈现多裂纹扩展状态.4种复合体峰值强度均高于单一喷射混凝土破坏强度,且砂岩基复合体的峰值强度均高于花岗岩基复合体,平均高出5.55%.同种围岩条件下,纤维增强喷射混凝土复合体强度会存在轻微降低,较普通喷射混凝土复合体平均下降1.95%.此外,所建本构模型计算结果与试验数据吻合较好.

爆炸荷载作用下不同形式采空区损伤模式研究

鞍钢露天矿山既有采空区形态复杂,为研究采空区形态对爆炸荷载的响应差异,分析损伤破坏模式,基于相似原理制备了长方体、三棱柱体等两种预置空区模型试件,进行爆炸试验,并采用三维数字图像方法(3D-DIC)记录爆炸过程中试件的破坏演化情况。结果表明:试件预置空区形态对爆炸荷载的响应特征有明显影响,长方体空区破坏程度远小于三棱柱体空区;根据应变变化,裂纹向周边区域扩展时,该区域应变增大;裂纹贯通趋向关键点在空区结构的尖点部位附近;空区的尖点结构数量越多,受爆炸荷载作用时越容易失稳破坏。试验结果可为露天矿山中采空区的爆破处理方案优化提供参考。

填隙补偿对碳纤维/环氧树脂复合材料-铝合金装配结构力学性能的影响

碳纤维/环氧树脂复合材料和铝合金作为主要的航空材料,在飞机结构中存在着大量装配关系,但受成型工艺方法的限制,两种材料在制造和装配偏差的情况下,构件配合面间会产生装配间隙,当间隙超过一定大小时,需要采取填隙补偿措施。本研究基于实际结构抽象出碳纤维/环氧树脂复合材料-铝合金装配模型,使用装配试验台模拟施加螺栓预紧力,通过应变片实验比较强迫装配及垫片补偿情况下试件局部表面的应变分布,结合三维数字图像相关(3D-DIC)实验测得的试件表面应变场分析变形规律;通过有限元进行层间应力分析,提取内聚力单元各应力分量和损伤情况,研究填隙补偿对碳纤维/环氧树脂复合材料层间应力和局部损伤的影响。结合实验和仿真分析结果表明:强迫装配时,碳纤维/环氧树脂复合材料-铝合金试件主要受弯曲变形和螺栓头挤压的影响,且随着装配间隙的增大,各应变值均增大;垫片补偿在改善弯曲变形引起的应变状态的同时,也使中间贴合部位的螺栓头挤压区应变增大,但总体而言,垫片的引入使碳纤维/环氧树脂复合材料-铝合金试件表面应变分布趋于均匀,降低了碳纤维/环氧树脂复合材料损伤情况,且液体垫片补偿效果略好于可剥垫片。

球形薄膜的变形测量与力学分析研究

目前对于薄膜材料力学性能研究多采用单轴拉伸的实验方法,此方法在测量有特殊构型薄膜材料时有一定误差,也只能测量单一方向的力学性能。本文选用球面乳胶薄膜为实验材料,在考虑球形外形结构的基础之上,测量了整个薄膜表面的力学性能。实验在自制的装置之上结合三维数字图像相关技术(3D-DIC)测出整个薄膜表面位移场,并且结合相关公式计算出乳胶球面薄膜制品表面的拉格朗日应力场和应变场,并对膨胀后薄膜厚度变化做了相应分析。结果显示乳胶薄膜表面的变形并非均匀,圆周方向抗变形能力大于子午线方向。