基于正则化全局数字体图像相关法的砂岩内部变形与损伤演化规律研究

为提高数字体图像相关法对岩石内部变形测量及损伤识别的精度,在引入节点力平衡条件的正则化全局数字体图像相关法中,融入了多重网格划分技术,实现了网格的局部细化,建立了新算法。通过不同粒径颗粒体扫描实验和数字虚拟裂隙模型评估了不同数字体图像相关法的精度;结合红砂岩单轴压缩原位CT扫描实验,量化分析了其内部变形与损伤演化规律。结果表明:力学正则化项的引入,使全局数字体图像相关法的测量不确定度降低了1~2个数量级;针对红砂岩试件,新算法能够识别内部开度为0.15体素的新生亚体素微裂隙,同时计算量减小了85.15%;试件在轴向应力达到峰值的50.58%时,已产生最大开度为0.32体素的新生裂隙,而在应力增至峰值的84.27%时,新生微裂隙发展达到体素级裂隙。研究成果在提高计算效率的同时,对亚体素级新生裂隙也表现出良好的识别能力,为岩石内部变形与损伤量化分析提供了新方法。

基于CT数字体相关法测量红砂岩单轴压缩内部三维应变场

基于X射线工业CT实时获取单轴压缩过程中红砂岩试件的三维数字体图像,采用数字体相关(digital volume correlation,DVC)法测量、分析受载过程中试件内部三维变形场及应变场。通过位移场和应变场的分析,揭示试件内部应变局部化演变及破坏过程。红砂岩内部结构可以作为散斑结构,成为变形信息的载体,DVC法的精度可达0.05体素;红砂岩变形破坏中存在明显的应变局部化特征,在峰值荷载的68.9%时试件内部出现应变局部化区域,并逐渐发展至试件破坏,局部化区域与试件最终破坏面位置相一致。研究结果表明,DVC法测量结果能够直观地反映出试件内部应变局部化特点及其演化的过程,为岩石内部变形可视化提供了方法。

物体内部三维位移场分析的数字图像体相关法

数字图像体相关法是二维数字图像相关法在三维空间的拓展,它可以实现物体内部三维变形场的全场测量。针对数字图像体相关法的位移测量精度,提出一种组合式三维亚像素位移算法,并通过计算机仿真实验对算法进行了验证和分析,给出了该方法的相关函数形式、整像素搜索方法以及亚像素搜索算法,并用算法对计算机模拟的三维图像进行了相关运算,最后将运算结果与仿真过程给定的理论位移值进行对比。仿真实验得到的三维亚像素位移值与理论位移值的误差均值为0.000 2voxel,结果表明该算法对于测量物体内部三维位移场具有很好的可靠性,且测量精度较高。

基于数字体图像相关法的TATB基PBX材料内部变形测量

研究采用μ‑CT对单轴压缩过程中的三氨基三硝基苯(TATB)基高聚物黏结炸药(Polymer Bonded Explosives,PBX)试件进行了原位扫描,获得了不同载荷下试件的三维数字体图像;采用基于反向组合高斯‑牛顿配准算法(Inverse Compositional Gauss‑Newton,IC‑GN)的局部数字体图像(Digital Volume Correlation,DVC)方法分析了试件加载前后的2组数字体图像,获得了试件内部具有亚体素精度的三维位移场和应变场;基于获得的应变场根据胡克定律弹性本构关系,重建试件内部的三维应力场。研究结果表明,基于μ‑CT和DVC结合的内部变形测量技术能够直观地揭示试件内部应变局部化区域的产生,并识别亚体素微裂纹在样品中的位置。

基于数字体图像相关的亚像素位移算法分析

数字体图像相关法~[1],通过分析发生形变前后的图像来获得形变位移场,诸多研究者在测量系统和搜索方法上有大量研究,用来提高检测速度,但对于提高测量精度方面不足以达到预期,于是提出了亚像素插值相关方法与亚像素位移算法,通过对算法的改进可知,当测量精度为0.1像素时,相当于硬件测量系统提高了10倍分辨率,本文主要对两种基本的亚像素算法进行分析,即三维的拟合法与灰度梯度法。

基于CT成像和数字体图像相关法的岩石内部变形场量测方法的研究进展

在采矿工程、边坡工程、隧道工程、水利水电工程及新兴的岩体工程如深埋油气储库、地下核废料处置库、地热开发等生产开发过程中,岩石是主要工程对象.直观观测与定量表征应力场、渗流场和温度场等多物理场耦合作用下岩石内部非连续结构演化始终是岩石力学重要和具有挑战性的研究内容.高精度微CT能够在微细观甚至纳米尺度上观测岩石内部结构,通过与数字体图像相关法结合,可实现岩石内部变形场的透明可视化与定量解析,为岩石的非连续结构与多物理场效应的透明解析和推演提供了新的有效途径.本文回顾了近年来微焦点CT在岩石内部结构检测、数字岩心和内部变形场量测方面的应用,详细阐述了CT原位扫描实验与数字体图像相关法的原理及主要进展,分析了岩石微细观结构对应变场测量精度的影响及数字体图像相关法在岩石内部变形测量中的典型应用,探讨了数字体图像相关法测量岩石内部变形场面临的挑战.

CT孔隙岩石内部三维变形场数字实验

为研究数字体图像相关法(Digital volume correlation,DVC)测量孔隙类岩石内部三维变形场的可行性,利用X射线CT扫描获取孔隙岩石(中砂岩,红砂岩和油砂岩)的数字体图像,采用虚加变形的数字实验方法得到变形体图像,由DVC法得出测量值并进行比较分析.研究表明:孔隙类岩石内部结构可以作为散斑结构,应用DVC法计算内部变形,不同的结构特征,影响着DVC法的精度与准确度;油砂岩内部结构作为散斑结构时,具有较高的精度,其次是红砂岩,中砂岩;给出了评价三维散斑结构的指标-平均灰度梯度,平均灰度梯度值越大,相应的以该散斑结构进行DVC法计算时,所得精度与准确度也高;采用数字实验的分析孔隙岩石内部结构对DVC法计算精度的影响是一种简单易行的方法,其结果有助于实验方案的制定.

基于数字体图像相关的旋转位移分析

在高性能材料无损探伤方面[1-5],数字体图像相关法具有广阔的前景,在以往的测量中,主要是基于平面内的相关法研究,取得较好测量效果,但对于空间体的研究而言,简单的平移、压缩、拉伸在某种程度上能够获得较高的测量精度,但对于更为复杂的形变,比如拧曲,就很难测量出来。文章在借鉴平面内旋转测量的基础上,通过类似的方法迁移于空间三维的旋转测量,进行理论的分析,通过数学模型得出位移测量值和旋转中心点的定位。

单轴受压地质聚合物再生混凝土损伤特性及本构模型研究

建筑固体废弃物与工业固体废弃物的协同、高效处置对固体废弃物的综合利用有着重要意义。本文采用CT扫描技术与数字体相关法,对单轴受压地质聚合物再生混凝土的损伤演化特性进行分析,并以此建立单轴受压地质聚合物再生混凝土损伤本构模型。研究结果表明,地质聚合物再生混凝土内部非均匀应变场的产生是其发生破坏的主要原因,考虑数值特征和空间特征的损伤因子与应变呈5次函数关系,基于应变等效原理建立的损伤本构模型可以较好地表征在荷载作用下的应力-应变关系。本研究可以为地质聚合物再生混凝土在工程上的应用提供理论基础和技术支撑,同时为再生混凝土的力学损伤研究提供新方法。

基于工业CT力学实验平台的建立及应用

将工业CT与数字体图像相关法相结合测量物体内部三维变形及应变已发展成为一种新的实验力学方法。本文介绍基于工业CT,自行研制的加载装置和数字体图像相关法(DVC)建立起的力学实验平台,该平台包括基本原理模块、数字虚拟实验模块、原位加载扫描实验模块、变形计算模块和结果输出模块,可以实现单轴压缩、三点弯曲、四点弯曲、点加载及拉伸实验试件内部三维变形场的测量。针对岩石材料与复合材料介绍该平台的应用。

基于CT纤维增强复合材料三维变形场的测量与分析

利用工业计算机层析技术(Computed Tomography,简称"CT")和自制的加载装置,实现了玻璃纤维增强复合材料试件三点弯曲加载过程的原位扫描,获取了不同加载阶段的CT图像。采用数字体图像相关法(Digital Volume Correlation,简称"DVC")测量分析了试件内部三维位移场和应变场,揭示了试件内部的应变演化特征及破坏机理。纤维增强复合材料内部细观结构特征可以作为变形信息的载体,实验中测量精度为0.063体素(2.8μm)。DVC获取的位移场及应变场分布能直观反映试件内部的结构特征,由横向切应变的分布显示出在试件破坏前已产生了剪切带,最终导致试件在该区域产生层间开裂。此外,由横截面位移分布验证了因横向切应力而导致截面产生翘曲的现象。结果表明,DVC法与工业CT结合所得测量结果能够直观地反映出复合材料内部结构的变形特征,为研究材料内部变形破坏及验证理论模型提供了新方法。