基于数字图像相关技术的膨胀土三维裂隙扩展特性研究

为探究膨胀土三维裂隙动态扩展特性及机制,搭建恒温恒湿环境箱,通过双目相机实时采集4、8、16mm厚度下矩形和圆形膨胀土裂隙图像,基于三维数字图像相关技术重建裂隙三维形态,量化裂隙扩展机制和发育特性。结果表明:三维裂隙动态拓展特征方面,土体开裂时存在时空各异的收缩中心,收缩中心的数量随着试样厚度的增加而减少,收缩中心数量越多,裂隙网络形态越复杂;收缩中心运动形式呈纵向沉降,沉降量与裂隙土块含水率相关;裂隙土块周围颗粒运动矢量呈碗状朝收缩中心运动。各收缩中心空间分布存在差异,土体收缩时产生剪切应力,部分裂隙发育方向发生偏转,导致裂隙网络衔接呈多样性。膨胀土开裂过程中往往伴随着裂隙土块的翘曲,裂隙土块翘曲形成及运动机制如下:裂隙土块发育形成后,土块整体呈现“外干内湿”湿度差,随之产生的剖面基质吸力差引起了垂直方向收缩变形梯度,进而产生驱动裂隙土块上凹的曲卷力矩并朝着收缩中心聚拢,促使土块翘曲形成。该试验和分析结果可以为膨胀土裂隙发育规律认知、分析和预测方法提供参考。

基于三维数字图像相关技术的脆性岩石破坏试验研究

利用三维数字图像相关技术(3D-DIC)观测系统研究单轴压缩状态下带中心圆孔花岗岩岩板的破坏全过程,得到了含孔洞岩石破坏过程中观测面的三维全场位移和应变,不仅能够直观地反映岩石表面裂隙的产生、扩展及相互连通的演化过程,亦能够确定裂纹的位置、形态以及扩展方向等具体信息,还能重现加载过程中试样表面的压缩(平行荷载方向)、剥离(垂直荷载方向)、膨胀及剥落(垂直试样表面方向)。结果表明:3D-DIC技术在岩土力学试验中有其独特的优势,岩石材料破坏过程中应变场的演化能较好地反映其内部裂纹的产生和扩展规律。根据全场应变云图可以判断岩石裂纹扩展演化的情况;裂纹的演化具有强烈的非线性特征,在试样接近破坏时形成的"X"型对称变形局部化带,最终只形成一条宏观破坏带,荷载方向、岩石结构及其内部的非均匀性都会对最终宏观破裂带的位置产生影响;利用3D-DIC观测系统进行岩石变形破坏机制的研究是有效的,可为岩土介质宏细观变形破坏机制的研究提供重要的借鉴。

基于三维数字图像相关技术的砂岩渗流-应力耦合变形局部化特性试验研究

为研究渗流-应力耦合作用下砂岩变形局部化破坏特征,将三维数字图像相关(three-dimensional digital image correlation,简称3D-DIC)技术运用于可视化三轴伺服控制试验系统中,对砂岩开展了不同渗透水压条件下的三轴压缩试验研究。研究结果表明:(1)在渗流-应力耦合作用下,砂岩表面变形场云图经历了从均匀到非均匀的演化过程。在峰前的变形较为均匀,在峰值处出现应变集中,在峰后较短时间内迅速形成变形局部化带;(2)随着渗透水压的增大,岩石的峰值强度、弹性模量呈现指数型非线性衰减,峰值强度弱化系数和弹性模量弱化系数均增大,且渗透率逐渐增大,最大渗透率出现的时间点越早;(3)随着渗透水压的增大,砂岩变形局部化带从剪切状过渡到张拉-剪切状,轴向和径向变形局部化带带内外应变在峰后短时间内出现较大差异,且带内应变远大于带外应变;(4)随着渗透水压的增大,砂岩变形局部化启动应力水平越高,启动的时刻点越早。渗透水压与砂岩变形局部化启动应力水平呈线性相关性,轴向变形局部化启动水平受渗透水压的影响比径向更为显著。

基于三维数字图像相关技术的防弹衣性能测试与评估

为分析在非贯穿侵彻情况下防弹衣瞬态力学响应及人体胸部钝性损伤程度,对5.8 mm通用弹侵彻美国司法协会Ⅲ级碳化硅/超高分子量聚乙烯防弹衣进行试验研究。采用三维数字图像相关技术开展试验,获得防弹衣背面鼓包高度和变形速度等数据,并结合钝性准则和简明损伤定级标准(AIS)对防弹衣距胸部间隙分别为5 mm和10 mm时进行钝性损伤程度评估。结果显示:在侵彻过程中最大鼓包高度的平均值为22.7 mm,鼓包稳定后高度的平均值为16.3 mm,最大变形速度的平均值为117.7 m/s;当防弹衣距胸部间隙为5 mm时对应的AIS等级为4~5,表明防弹衣后钝击效应仍可对人体造成严重损伤;当间隙扩大到10 mm时AIS等级小于3,表明防弹衣后钝击效应对人体造成轻微损伤甚至不会对人体产生影响。

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。

准静态拉伸下固体推进剂三维结构变形损伤失效机理研究

为揭示固体推进剂在准静态拉伸下变形损伤过程,依靠微型材料试验机在上海同步辐射光源BL13W1线站搭建了原位显微CT测试系统,对HTPB推进剂试样在准静态拉伸下变形损伤过程进行了三维原位实时表征,像素尺寸3.74μm。基于上述试验结果,分析了目标微细观结构演化过程及孔隙率与材料宏观损伤之间的关系。结果表明,固体推进剂内部微裂纹的出现早于应力-应变曲线达到拉伸极限强度点。利用图像分割技术精确提取了AP颗粒、Al粉颗粒、微裂纹与HTPB基体相,并对AP颗粒与Al粉颗粒的三维拓扑结构进行了定量描述。微裂纹的成核集中在较大且形貌不规则的AP颗粒与HTPB基体界面。最后,观察到裂纹在固体推进剂内部的水平传播和竖直合并两种传播模式,并以水平传播为主导。

基于3D-DIC技术的防弹头盔性能测试与评估

为研究防弹头盔在非贯穿侵彻情况下,头盔的瞬态力学响应规律以及对人体头部造成的钝性损伤程度,采用三维数字图像相关技术(3D-digital image correlation, 3D-DIC)开展了试验研究,获得了头盔内部鼓包高度、变形速度和变形区域的面积等数据,并结合钝性准则和简明损伤定级标准对头盔变形可能造成的头部损伤程度进行了评估.试验结果表明,在非贯穿侵彻过程中,瞬时鼓包的最大高度平均值为27.8 mm,静态鼓包高度平均为9.5 mm.头盔与颅骨间的间隙对头部钝击损伤严重程度有显著影响,当间隙为12.7 mm时,平均AIS分值为5,平均颅骨骨折概率为22.3%;当间隙为15 mm时,平均AIS分值为2,平均颅骨骨折概率为3.8%.

基于3D-DIC的UHMWPE软质防弹衣性能测试

软质防弹衣可有效拦截常规手枪弹和低速破片,是警察等执法人员的主要防护装备。为研究某超高分子量聚乙烯(UHMWPE)软质防弹衣在枪弹冲击下的动态力学响应,使用三维数字图像相关技术(three-dimensional digital image correlation,3D-DIC)进行了9 mm手枪弹侵彻软质防弹衣试验。试验获得了软质防弹衣背后鼓包(back face signature,BFS)的变形场、速度场和应变场等数据。结果表明:软质防弹衣在受子弹撞击后1 000μs内BFS高度急剧增加,达到了34.2 mm;随后增长变缓,约在3 000μs时BFS高度达到最大值60.2 mm;BFS形状由最初的四棱锥形变为最后的“金字塔形”;BFS速度在受撞击后200μs内迅速增长,达到最大值约为126.3 m/s,随后缓慢下降并趋向于0;防弹衣背后vonmises应变场分为4个L型区域,应变最大值出现在“L”的拐点处,400μs时防弹衣的最大vonmises应变为0.27。最后,采用改进的Gauss函数对不同时刻的BFS轮廓进行了曲面拟合,为快速估算任意时刻BFS形状提供了一种有效技术手段。

基于3D-DIC下不同水胶比对混凝土内部非均匀变形的影响

采用三维数字图像相关技术(3D-DIC)对处在干燥条件下混凝土内部非均匀变形进行测试。研究不同水胶比对在干燥条件下混凝土内部的全场位移、正应变和主应变的影响。结果表明,在水胶比在0.38~0.42范围内,随着水胶比的增大,混凝土试件在x、y、z方向发生的位移变化越小;水胶比为0.38时,正应变介于-1700με到250με,波动范围最小,最大收缩值也最小;水胶比为0.38时,第一主应变蓝色阴影区域面积(较大拉伸应变和较大收缩应变)最小,第二主应变的阴影区域面积(较大的收缩应变)最小;水胶比为0.38时,第一主应变频率分布高斯拟合后的中心值和半宽高分别为261.8和616.4,随着水胶比的增大,中心值和半宽高都随之增大,拉伸应变的增加,相比收缩应变,其所占比例变得更大。同时,第一主应变的分布范围也随之增大,变得越来越广,越来越不均匀。

CW激光辐照薄板热力响应全场测量

实验研究了CW激光辐照铝合金薄板的热力响应过程,利用三维数字图像相关技术(3D-DIC)结合红外测温系统对整个过程的变形场和温度场实现了全场实时测量。分析了入射激光功率对变形场和温度场的影响,发现变形和温度均随入射激光功率线性增长。建立了三维有限元模型对实验过程进行模拟,模拟结果与实验结果吻合较好,验证了有限元模型的可靠性。3D-DIC结合红外测温系统可以很好地对激光破坏试验中的靶体变形场和温度场进行实时测量,是一种很有效的实验测量手段。

不同含水状态凝灰岩损伤演化试验研究

为探究矿井巷道、隧道开挖过程中岩石含水状态对围岩变形稳定的影响,开展干燥、自然及饱水状态下凝灰岩三轴压缩试验。基于三维数字图像相关技术研究了含水状态与岩石全应力-应变曲线、表面变形场、变形局部化及损伤演化特征的对应关系。结果表明:从干燥到饱水状态试件各特征应力阈值显著降低,弹性模量与泊松比显著降低;破坏阶段全应力-应变曲线跌落趋势趋于平缓,软化特征明显。从干燥到饱水状态试件表面变形非均匀程度增加,变形局部化现象提前启动,变形局部化带宽度明显增加。从干燥到饱水状态试件局部化轴向、径向启动应力水平显著降低,且与含水率保持良好的线性关系。基于变形场数据统计分析提出表征岩石表面损伤大小的损伤因子,干燥及自然状态损伤因子呈突发式增长现象,而饱水状态下呈缓慢增长趋势;不同含水状态损伤因子演化曲线均存在"突变点",统计结果表明随着含水率增加,损伤突变点对应应力水平值显著降低。