基于数字图像相关技术的砂土全场变形测量及其DEM数值模拟

岩土材料在力学性能上表现出各向异性与非线性特征,不同土体的受力变形规律也不相同。为了更真实地反映平面应变状态下土的受力变形特性,研制了一种新型的平面应变加载设备,该设备通过对试样的侧向(围压方向上)施加柔性荷载来降低常规平面应变试验中刚性加载所造成的边界约束影响。同时,搭建了能够得到表面变形识别的数字图像采集系统。在此基础上,利用研制的平面应变设备结合二维数字图像相关技术(2D-DIC)根据获得试验过程中的全场变形来分析福建标准砂在不同围压下的变形特性。另外,通过数字图像相关法得到的平面应变试验结果来确定砂土基于抗滚动摩擦模型的细观参数,并对试验过程进行了离散元分析。结果表明:基于数字图像相关测量技术的新型平面应变试验设备可以准确获得福建标准砂的局部变形规律和变形过程的非线性行为,由此确定的砂土细观参数也能够较为真实地反映试验材料的应力-应变关系。

数字图像相关法测量含缺陷试样全场变形量

为了解决表面带裂纹、缺口、孔洞等缺陷试样的全场变形测量问题,提出并实现了一种基于数字图像相关法的含缺陷试样全场变形量测量方法。该方法首先剔除试样缺陷区域,以在之后的运算过程中避免对缺陷区域进行相关计算;接着采用快速NCC法得到整像素位移值,将其得到的位移值作为反向组合算法的初值,求得亚像素变形量;最后对稀疏的变形量做插值,得到连续的全场变形量。与Newton-Raphson迭代法比较,该方法精度较Newton-Raphson法略低,但计算速度却提高了约6倍,兼顾了精度与计算速度的要求。

数字散斑相关方法全场变形快速测量

采用亚像素初始值结合插值系数双缓存方法提高反向组合算法计算效率,用于数字散斑相关方法全场变形测量。首先根据反向组合算法迭代特性,采用相关系数拟合法得到亚像素位移初始值代入反向组合算法,加速单点匹配迭代收敛速度;然后由全场变形计算特点,采用插值系数双缓存方法提高全场亚像素变形计算效率。本算法在单点匹配时,速度加快了10.33%;全场变形计算时,速度提升了24.93%。由此证明本算法能有效提高基于反向组合算法的数字散斑相关方法全场变形计算效率。

基于主应变场的混凝土全表面开裂特征实时测量与分析

测量裂纹的扩展过程对于揭示混凝土结构的破坏机理和评价其力学性能十分重要.本文提出了一种基于混凝土表面变形场的裂纹定位和宽度测量方法,首先基于多相机数字图像相关方法得到混凝土试件表面的高分辨变形场,发现开裂引起的位移梯度使裂纹附近的虚主应变场明显区别于未开裂处,且主应变场在裂纹法线方向近似高斯分布.借鉴在激光条纹中心线定位中广泛采用的Steger算法思想,提出了基于主应变场的裂纹定位方法,并将裂纹两侧位于法线上的面内位移向量做差沿裂纹法线方向上的投影为Ⅰ型裂纹宽度,沿裂纹切线方向上的投影为Ⅱ型裂纹宽度,最终得到了裂纹每一点的位置和宽度.利用高精度平移台设计了模拟裂纹扩展的实验,以验证Ⅰ型裂纹宽度的测量精度.实验结果表明:裂纹宽度的测量误差在0.010~0.017像素之间,与理论预测相符;测量误差的标准差在0.006~0.008像素之间,测量结果比较稳定.在同等分辨率下,本文方法的测量精度优于基于图像的裂纹测量方法.本文提出的方法可以全自动、实时地测量裂纹扩展,为混凝土实验提供了一种可靠、精确的全场裂纹测量手段.

数字图像相关方法在实验力学教学中的应用

数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)方法以其非接触、高精度、全场变形测量等优点,在力学、航空、航天、土木工程、生物医疗等多个领域呈现出广阔的应用前景。将DIC方法引入课堂,以板件拉伸试验为例,通过DIC方法和有限元仿真给学生呈现拉伸变形的基本过程及切应力和滑移线等力学概念,并将DIC方法测试结果和传统的应变电测法及有限元仿真分析结果进行了对比,使得教学过程更具思辨精神,极大激发了学生的学习兴趣,取得了良好教学效果。

数字散斑相关技术及其应用

在一些特殊的全场变形测量场合中引入了数字散斑测量技术,即利用材料表面散斑点的随机分布模式来测量变形。本文利用数字散斑相关技术研究了固体炸药的破坏模式,测量了预制裂纹尖端附近的变形分布,表明裂纹对尖端位移分布有显著影响。在电子封装结构的热变形分析中也引入了数字散斑相关技术,测量了封装结构中焊点附近区域的变形分布,显示出在焊点位置产生了由热变形不协调引起的变形梯度的高度集中。结果表明数字散斑相关技术在材料和结构的全场变形测量方面具有良好的应用前景。