基于数字图像相关的地聚物混凝土轨枕的力学性能分析

随着混凝土轨枕在我国的广泛应用,混凝土的生产带来大量的能源消耗和碳排放。地聚物作为一种新型低碳材料,能在节能减碳的同时消耗矿渣和粉煤灰等固废。目前,针对地聚物应用于铁路轨枕的相关研究,如混合使用水泥与粉煤灰、矿渣的地聚物混凝土轨枕及其裂缝扩展特性的研究还比较有限。本文设计2种配合比的地聚物混凝土并制造成轨枕,使用数字图像相关(Digital Image Correlation)技术,在轨下截面的三点弯曲实验下分析2种配合比下轨枕挠度、裂缝扩展特性及裂缝宽度发展规律。研究结果表明,2种配合比地聚物混凝土轨枕的抗弯承载力均高于普通混凝土轨枕。相比于普通混凝土轨枕,地聚物混凝土轨枕在较低的静荷载作用下挠度较大,但随着荷载的增加轨枕挠度的增长速度较慢,刚度损失较小,弹性阶段延续的荷载区间更长,这种特征在配合比为Geo50的地聚物混凝土轨枕上更为显著。2种配合比的轨枕微裂纹萌生的荷载相近,分别为130 kN和120 kN。在较低荷载下2种轨枕裂缝扩展相差不大,在较高荷载下配合比为Geo100的地聚物轨枕的裂缝发展加快,裂缝宽度值和增长速度都大于Geo50。配合比为Geo100的地聚物混凝土轨枕主要表现为受弯正截面破坏,配合比为Geo50的地聚物混凝土轨枕主要表现为受剪斜拉破坏。掺入部分水泥代替矿渣和粉煤灰的地聚物能使所制成轨枕在较高的荷载下保持更高刚度和更缓慢的裂缝扩展速度,该方案有助于推动地聚物应用于混凝土轨枕,促进铁路双碳战略贯彻与实施。

基于数字图像相关方法的SiCf/SiC陶瓷基复合材料力学行为表征

SiCf/SiC陶瓷基复合材料具有低密度、耐高温、高比强度等优异特性,是新一代先进航空发动机热端部件的理想材料。为实现SiCf/SiC复合材料在服役环境下的可靠应用,亟须开展复合材料力学行为表征研究。与引伸计、应变片等其他测试方法相比,数字图像相关方法(digital image correlation,DIC)具有非接触式、全场测量和可操作性强等优点,能够实现对复杂耦合环境下复合材料损伤断裂等力学行为的原位表征,因而受到广泛关注。本文系统梳理和总结DIC在SiCf/SiC复合材料室温拉伸、弯曲、爆破等力学测试中的应用进展,介绍DIC在SiCf/SiC复合材料力学加载过程的高温测量,最后对应用于SiCf/SiC复合材料的DIC表征技术进行了总结及展望。

卫星遥感数字图像的非均匀大气修正研究

总结了各种传统卫星遥感数字图像的大气修正方法。讨论了逐点计算卫片像元的大气程辐射遥感值和大气光谱透过率的方法和原理，并在此基础上提出一个适合于非均匀大气的、包括大气程辐射和大气光谱透过等修正内容的卫星遥感数字图像广义大气修正模式。

数字图像高密度脉冲噪声的非对称修正中值滤波算法研究

针对数字图像高密度脉冲噪声下常规中值滤波方法存在的不足,从滤波算法入手,通过设置对噪声点的检测判定和对其邻域取样范围的优化选择的方法来加以完善。经过滤波窗口对图像的遍历,检测并非对称地修正噪声点,计算得出取样值邻域中噪声点以外像素值的中值取而代之,重复直至无噪声点。仿真实验表明,此非对称修正中值滤波算法滤除此类噪声性能佳,图像细节保护良好。

数字图像的灰度修正

描述了灰度修正技术在数字图像处理中的重要性及其实用价值,并详细介绍了各种方法的原理、实现过程及其适用范围和优缺点,为不同的实际需要选择不同的方法提供了理论依据。

数字图像相关方法的桥梁挠度仪的温度补偿

基于数字图像相关方法的桥梁挠度仪会因相机温度变化而引起一定的测量误差,为了补偿因相机温度变化而引起的挠度测量误差,先通过实验实测了相机温度变化与测量误差之间的数值关系,并发现相机温度变化与测量误差之间存在一定的线性关系;然后通过直线拟合方法,找出相机温度变化与测量误差之间的具体函数关系,并据此对挠度测量过程进行了实时温度补偿。实验表明,经过温度补偿后的挠度测量,其测量误差大为降低,降幅可达85.3%。

基于DIC及CPG技术的热冷循环后花岗岩Ⅰ型断裂特性

深部储层岩石的热力学特性,尤其是循环热冷作用下损伤破坏特性,对于增强型地热系统井壁稳定性分析及地热开采效率评估具有重要意义。针对中心直裂纹半圆盘(NSCB)花岗岩试样,首先进行不同热冷循环处理(加热温度400℃,最高循环次数13次),然后开展3点弯Ⅰ型断裂韧度特性试验。基于裂纹扩展计(CPG)和数字图像相关(DIC)测试技术,研究了热冷循环作用下花岗岩Ⅰ型断裂韧度、断裂过程区(FPZ)、裂纹扩展速率及断裂轮廓特征的影响规律。试验结果表明:当热冷循环次数达到10次以上,花岗岩试样脆性明显减弱,而峰前软化特性和峰后延性增强;花岗岩的断裂过程区由裂缝尖端开始逐步孕育,断裂过程区长度随荷载增大呈先增大后减小的趋势,Ⅰ型断裂韧度、最大断裂过程区长度及裂纹平均扩展速度随热冷循环次数增大而指数减小,Ⅰ型断裂面随热冷循环次数增大越来越不平整。最后,基于X-ray衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)等微观测试技术,研究了热冷循环作用对花岗岩矿物成分及微观结构的影响规律,结果表明花岗岩4种矿物成分的峰值衍射强度及矿物质量分数均随热冷循环次数增大而降低,而微裂纹大小及数量随热冷循环次数增大而增大。热冷循环作用下花岗岩的损伤劣化机理包含了多次高温热损伤、水冷冲击及水弱化等3方面的联合作用结果。

二维数字图像相关方法的拉伸实验误差分析

对数字图像相关(DIC)方法的拉伸实验误差进行了系统分析。通过刚体运动实验,从软件模拟计算和硬件两方面研究了DIC方法的实验误差,同时,根据成像原理,分析了离面位移对实验结果的影响。为了检验测试系统的测量精度,将DIC方法与多晶铜试样拉伸实验相结合,比较了不同实验条件下DIC方法与应变片测量的结果,分析认为测量误差主要来源于摄像机噪声及离面位移。鉴于这两种误差难以消除,探索了一种误差修正方法,对系统误差进行修正并得到满意结果。

数字图像相关法在材料力学实验教学中的应用

在材料力学实验教学中引入数字图像相关(DIC)方法,开设了研究型实验,将科研成果应用于实验教学,可培养学生的科研意识、创新精神,提高学生的综合素质。文中给出了一个典型实验,将实验结果与理论解进行了比较分析。

基于数字图像处理的土石坝坝料合格性智能检测方法

土石坝坝料的合格性检测通常是通过判断现场筛分试验获得的级配参数是否满足设计要求来实现的,然而通过筛分试验获取级配参数的方法存在采样率低,操作过程繁琐,智能感知程度差等缺点以致检测结果代表性差。为了提高坝料级配参数的智能检测程度,依托辽宁某电站现场挖坑检测位置处的图像和级配数据,采用融合空间信息的直觉模糊C均值聚类(SIFCM)算法进行土石坝料数字图像的分割,并利用等效椭球体积的方法实现了土石坝料的三维体积重构,进一步通过基于BP神经网络的级配修正模型修正后,得到真实条件下的坝料全级配特征曲线,进而获得评价坝料合格性的4个指标:最大粒径、P5含量、曲率系数C_(c)和不均匀系数C_(u)。实际工程应用表明,本文建立的基于SIFCM_BP算法的坝料级配特征智能识别修正模型具有较高的识别精度,本文方法为大坝碾压施工前坝料合格性快速判别与施工过程中坝料压实特性的实时评价提供了重要支撑。

基于数字图像相关方法的L450管线钢单轴拉伸变形研究

单轴拉伸试验是获得材料力学性能最常用的方式,在试验过程中应变测量极为重要。数字图像相关(DIC)方法是一种非接触式光学测量方法,其使用高速摄像机记录试验过程,并基于计算机视觉技术对试验过程进行分析和数值计算,从而得到待测试件在试验过程中完整的应变变化情况。对比了使用应变片与DIC测试系统测量L450管线钢拉伸试验过程中的应变变化情况,并将DIC方法测得的数据作为有限元模拟中使用的材料力学参数,对单轴拉伸试验过程进行了数值模拟。结果表明,在应变片的量程范围内,DIC方法与应变片的测量结果基本一致,且使用DIC方法可以获得待测试件更大范围的应变参数。

基于数字图像相关技术测量刨花板材料力学参数

刨花板作为一种人造板材,其表面多孔性致使应变片的粘贴过程十分困难,且涂胶量的多少会直接影响测量的精度。基于对样品变形前后图像分析的数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)技术被用于测量刨花板的力学参数。相比于传统的贴应变片法,该技术具有高精度、非接触性及全场测量等优势。"横观各向同性"模型被考虑用来模拟刨花板的力学行为。于是,表征材料力学性能的弹性张量取决于5个独立的弹性参数:纵向、横向弹性模量EL、ET,纵向、横向泊松比νL、νT及纵向剪切模量GL。为了实现这一测量过程,刨花板被切割成一批梁样品,随后被应用于三点弯曲试验。通过比较感兴趣区域(Region Of Interest,ROI)内网格节点位移的测量值与铁木辛柯梁理论解析解,及有限元模型修正(Finite Element Model Updating,FEMU)方法的应用,4个弹性参数ET、GL、EL和νL被成功测量。对比相关文献,该文的测量方法简单易行,测量结果准确,可应用于刨花板材料并推广至各向异性材料的弹性参数测量之中。

基于数字图像相关方法的薄板结构振动功率流可视化

通过振动功率流法研究了薄板结构振动能量的传递特性,基于数字图像相关(DIC)方法对功率流进行可视化。结构振强定义为薄板结构单位截面上的功率流,考虑各方向上的内力及质点响应,其矢量场能够清楚指明功率流的大小和方向。通过对振强及其散度场的可视化,可以直观表征结构能量的传递路径及振源位置。基于实验方法的结构振强测量,涉及被测结构表面位移场及速度场的空间导数,因此实验精度高度依赖于测量方法的空间分辨率及信噪比。数字图像相关方法作为一种非接触式的视觉测量分析手段,可对被测结构实现空间高分辨率的全场测量,且不改变系统固有特性。获得薄板结构的全场位移及速度响应,并基于空间傅里叶变换方法,在波数域上实现对空间域数据的微分计算,得到结构振强场。该研究通过对结构振强的实验研究,实现了对薄板结构振动能量传递路径及振源的可视化识别。

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。

基于数字图像相关和声发射的岩质锁固段破坏试验研究

针对突发性强、隐蔽性强、监测预警难的锁固段型岩质滑坡,开展了对该类滑坡稳定性起关键控制作用的“锁固段”物理模型试验研究。首先,构建“三段式”锁固段均质物理模型,采用声发射(acoustic emission,AE)和数字图像相关技术(digital image correlation,DIC)捕获锁固段模型变形破坏全过程的微破裂事件AE信号和高清数字图像。其次,结合声发射b值统计分析和DIC数字图像微应变定量分析锁固段表面裂纹的萌生、扩展和演化,查明锁固段损伤破裂的时空演化规律。最后,采用高斯混合模型(gaussian mixture model,GMM)对锁固段微破裂模式进行非监督聚类分析,并采用支持向量机(support vector machines,SVM)建立微破裂模式分类依据。结果表明:锁固段变形破坏过程的声发射b值曲线具有明显的阶段性,且有明显的破坏前兆特征;内部微破裂的孕育发展到一定阶段出现大裂纹扩展,释放频率更低、幅度更大的高能量信号,可作为其破坏前兆;声发射信号蕴含破裂的丰富信息,GMM可实现微破裂机制(张拉和剪切)的分类,具备高RA(上升时间/振幅)和低AF(平均频率)特征的剪切破裂声发射信号的高频出现也可作为其破坏前兆。

数字图像相关法在薄板变形测量中的应用

为研究在一定温度和工况下,金属薄板材料接触面发生的变形情况,利用高温材料变形系统对镍基合金(GH3044)薄板进行一定温度下的特定冲头冲击变形试验。利用基于数字图像相关(DIC)方法的三维散斑测量系统对材料的变形全过程进行实时跟踪测量,获得试件的全场位移和应变,揭示材料在120℃时的变形规律。结果表明:利用DIC能够实时准确地捕捉到完整的试验过程和数据;在材料的变形过程中,总位移主要由z向位移贡献,主应变主要由y向应变贡献;在应变分量中,主要以y向的相对移动为主;温度对试件的变形程度影响较大,温度越高,试件的变形程度越大;种子点选择下的区域变形达到100%,且具有大位移的变形区域与冲头的接触面积有关。

用于材料本构参数识别的特殊三维数字图像相关方法

用虚场方法(VFM)识别材料本构参数时,为了得到准确的结果,提出了一种易实现且有效的"特殊三维数字图像相关(SS-DIC)"方法。将三维数字图像相关测试系统中左相机正对被测物体、右相机斜对被测物体进行全场变形测试。用铝合金试件纯剪切试验,验证了本文提出方法的有效性。结果表明:基于SS-DIC的VFM识别结果的精度(弹性模量和Poisson比相对误差均小于4%)优于基于两维DIC的参数识别结果(弹性模量和Poisson比相对误差均大于6%)。该方法既保证了全场变形测试结果不受试验中试件离面位移和离面转动的影响,又能直接获得在空间上均匀分布的变形信息,参数识别时数据处理简单。

数字图像相关技术在多孔气凝胶基复合材料弹性力学常数识别中的应用

采用数字图像相关技术(digital image correlation,DIC)结合有限元模型修正技术(FEMU),通过2维编织高铝纤维增强多孔气凝胶基复合材料正轴及偏轴拉伸实验,同时识别获得了材料面内多个工程弹性常数.通过力学实验结合有限元数值虚拟实验,研究了识别过程中目标函数构成、优化方法、参数初值、位移场随机误差水平对识别结果和效率的影响.研究表明针对2维编织多孔气凝胶基复合材料,选取DIC实测位移和有限元数值计算位移的方差作为目标函数,通过L-M非线性最小二乘优化方法,计算参数敏感度矩阵,可同时识别获得多个加载面内材料力学性能参数,识别效率高,识别过程对参数初值、位移场随机误差水平不敏感,鲁棒性好.

基于数字图像相关的复合材料层间剪切力学性能参数测试方法

短梁剪切(short beam shear,SBS)实验结合数字图像相关技术(digital image correlation,DIC)可实现快速识别单向纤维增强树脂基复合材料的多力学性能参数,而且能够获得复合材料单向应力状态下完整的层间剪切应力-应变行为和层间剪切强度,这对建立厚截面复合材料三维应力状态的强度准则至关重要。为研究实验设计对材料层间剪切力学参数识别精度的影响,本研究首次发展了由四台CCD相机组成的两套立体数字图像相关系统,实测SBS实验加载过程中试样前后表面标距区内应变分布情况。结果表明:由于实验夹具工装配合中存在螺纹间隙,工装刚度不足,试样前后表面剪切应变分布不对称,相对偏差可达44%。一方面提出针对试样前后表面剪切应变非对称性分布、材料剪切力学性能参数识别的新方法,通过采用DIC技术和有限元模型修正技术(finite element model updating,FEMU),将试样前、后表面标距区的实测平均剪切应变和有限元模型相应位置处计算应变数据的方差作为目标函数进行本构参数和偏轴角度的识别,可获得材料完整的非线性剪切本构参数,且识别过程对初始参数不敏感;另一方面通过改进实验夹具提高工装刚度,消除非对称性剪切应变分布现象,准确地识别得到了单向层合板完整的层间剪切应力-应变本构关系参数。

基于数字图像技术的静压桩周土体位移规律分析

为了研究沉桩对周围土体的挤压效应,采用半模型桩试验结合数字图像相关(digital image correlation,DIC)技术获取土体位移场,并用微型压力单元测量水平土体应力.首先,对不同位置土颗粒在压桩过程中的累计位移进行全过程分析;然后,在压桩停止之后对桩周土体的最终位移情况进行了记录和分析;最后,通过设置局部摄像头,在桩土界面上观察剪切扰动区的厚度.结果表明:在桩体移动过程中土体各点的累计位移随着沉桩深度的增加逐渐达到稳定状态,距离桩体较近测点的位移稳定值总比较远的大;土体水平位移最大值约在16R(R为沉桩半径)深度处,竖向位移最终方向因深度的不同而有所变化.对比侧向土应力的发展与水平位移、垂直位移发现,二者在压桩过程中变化规律的关联性较为密切,实现了力与位移的统一.研究成果对进一步揭示沉桩挤土效应内在机理和桩-土间作用机理提供参考.