数字图像相关技术测量位移的算法和试验研究

基于空间几何知识,通过建立空间直角坐标系、确定位移在Π平面上的投影,以及反推实际位移向量等三步,推导出数字图像监测系统在二维平面内的位移测量数学原理。然后选择不同场景展开现场应用,通过分析人工与自动化监测成果数据,发现光照强度变化、温度变化和距离增加,均会降低监测精度。

多基线数字图像相关技术在基坑监测中的应用研究

基坑变形监测的对象为基坑岩土性状、支护结构变位和周围环境条件的变化,进行各种监测及分析工作。多基线、大重叠数字图像技术提高了点位解算的精度,可靠性和稳定性进一步增强,实现了远距多点、高频、全域基坑监测数字化测量工作。介绍了多基线数字图像相关技术在基坑变形监测过程中的具体应用原理和相应的计算方法,进一步提高该技术在基坑变形监测过程中的应用价值,也为类似工程基坑变形监测提供一定参考。

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。

基于数字图像相关技术的混杂纤维混凝土动态抗拉性能试验研究

为研究不同纤维混杂比例下的钢-聚丙烯纤维混凝土(SPFRC)的动态抗拉性能,对六组不同纤维混杂比例的混凝土试件进行动态巴西劈裂试验,借助高速摄像仪和数字图像相关技术(DIC)对各组试样动态拉伸断裂过程进行记录和分析。研究表明:试件的应力时程曲线可以划分为缓速增长、快速增长、稳定、衰减和二次增长五个阶段,相较于素水泥砂浆试件,纤维混凝土试件在应力率二次增长后出现显著的稳定波动平台,纤维混凝土试件的动态拉伸破坏过程具有显著的延性特征;在总纤维掺量保持2%不变的条件下,混杂1%钢纤维与1%聚丙烯纤维的试件具有较优的动态抗拉强度和耗能能力;添加纤维可以减弱试件中心处的拉应变集中现象,混杂1.5%聚丙烯纤维和0.5%钢纤维的试件具有较优的开裂控制能力,平均开裂应变较素水泥砂浆试件提高了2.94倍。

基于机器视觉和数字图像相关技术的混凝土损伤演化研究

提出一种在试件损伤过程中,以数字图像方法所得应变场为基础,采用机器视觉识别快速获得对应损伤状态下试件表面裂缝分布的裂缝自动识别检测(Automated Crack Detection and Measurement,ACDM)方法.采用三点弯曲试验,以夹式位移计测量裂缝口张开位移(Crack Mouth Opening Displacement,CMOD)作为参考用真实值,对ACDM的精度进行分析.结果显示,CMOD小于0.05 mm时,ACDM识别的误差小于0.01 mm,ACDM方法可用于分析微裂缝尺度的混凝土损伤情况.通过3组不同强度混凝土立方体试件的压缩试验,采用ACDM方法所得裂缝面积直接表征损伤指标来反映试件的损伤演化情况.结果表明,在宏观裂缝出现之前,在不同损伤阶段下由ACDM方法所得损伤指标,对应数值变化均大于10-3,与目前表征损伤应变场的不均匀性变异系数(Cv)相比更为灵敏和准确.

数字图像相关技术在混凝土领域的研究进展

为了深入研究混凝土的力学性能及破坏和断裂机理,介绍了数字图像相关技术及其在混凝土领域的应用,提出了在实际应用中存在的问题及今后的研究方向。

基于数字图像技术的沥青混合料反射裂纹扩展行为

为了研究不同加载模式下的沥青混合料反射裂纹扩展行为,对复合小梁试件进行复合型和弯拉型破坏荷载试验以及不同应力比状态的疲劳试验,并基于数字图像相关技术(digital image correlation,DIC)观测反射裂纹萌生至扩展全过程,从裂纹宽度、裂纹扩展路径、裂纹扩展高度及疲劳反射裂纹扩展速率深入分析其扩展行为。结果表明:沥青混合料反射裂纹扩展行为经历微裂纹萌生、微裂纹发展阶段、微裂纹向宏观裂缝转变、宏观裂缝快速发展4个阶段。反射裂纹扩展由主裂纹扩展以及次裂纹扩展构成,且次裂纹扩展速率高于主裂纹。采用logistic函数对混合料疲劳反射裂纹扩展量进行拟合是可靠的。研究成果对于完善沥青路面设计及其耐久性评价具有重要意义。

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。

基于二维数字图像相关技术的块系花岗岩超低摩擦效应实验研究

基于国内外超低摩擦效应的实验研究现状,设计了块系花岗岩超低摩擦效应模拟实验。制作了中心含圆柱形洞室的花岗岩立方体模型试样,运用自主研发的实验设备研究了在静荷载的基础之上施加动态荷载后块系花岗岩的变化特征。实验过程中采用二维数字图像相关测试方法(2D-DIC),获得了试件表面的全场位移信息,依据位移信息求出块体加速度值,利用牛顿第二定律对试件受力分析,求得了块系岩体摩擦力随时间的变化曲线。结果表明:2D-DIC测试技术能够准确的测得石块的位移变化,依据位移变化可以证实伴随着水平向扰动荷载作用,洞口上方岩块左右两侧节理间隙逐步增大,岩块间的摩擦力降低,且摩擦力的变化周期与扰动荷载的周期相同;利用2D-DIC测试技术是有效的,从实验的角度验证了超低摩擦效应的存在。

用数字图像相关技术进行红砂岩细观裂纹损伤特性研究

通过对红砂岩试样应变响应和表面裂纹图像的同步观测试验,以及试样表面细观裂纹萌生、扩展图像信息的采集和量化方法的研究。提出了用数字图像相关技术处理不同含水状态下红砂岩试样动态变形过程中的灰度分布图;并去除微裂纹,探讨了红砂岩动态损伤状态与其宏观力学之间的关联。为了获得试样微观预制裂纹扩展的定量描述,引入裂纹损伤度与损伤张量2个物理量,定量评价了含水状态下红砂岩预制细观裂纹动态渐进扩展损伤特性,进一步了解了单轴压缩状态下细观裂纹扩展的演化规律。

双相钢板料的单向拉伸断裂失效研究(Ⅰ)——数字图像相关技术试验

通过数字图像相关技术试验研究了双相钢平板单向拉伸试件的拉伸变形和断裂失效过程,与理论结果对比分析了集中性失稳带的分布和方向。试验研究结果表明,试件的变形过程包括均匀变形、分散性失稳、集中性失稳和拉断4个阶段;集中性失稳的区域呈"×"形分布,与加载方向约成57o;起裂点位于局部颈缩截面的中心点处;双相钢的延伸率为18%。

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。

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。

混凝土测试中光强对数字图像相关测量精度的影响研究

在复杂光照条件下采用数字图像相关技术(DIC)测量混凝土结构表面应变场时,光强变化会引起图像的退相关效应。针对此问题,基于传统2D-DIC测量系统,探究了光强变化对DIC测量精度与计算效率的影响规律。试验结果表明:平均灰度190为最优光强;以最优光强下的图片作为参考图像,光强增大时应变误差呈指数增长,光强减小时应变误差呈线性增长;计算时间与计算点匹配率对光强的小范围波动不敏感,但光强的剧烈变化会导致计算时间增加1~3倍以及25%的计算点匹配失败。结合图像质量评估指标,验证了实验结果的准确性。为了获得高质量的图像,本文建立了绿光带通滤波成像系统,该系统在外界环境光剧烈变化条件下依然能够保持图像的亮度与对比度基本不变,应变误差与计算效率均接近于最优光强。相对于传统2D-DIC测量系统,绿光带通滤波成像系统可较好地应用到室外环境测量。

基于数字图像相关技术的裂纹扩展测量

常用的管道钢断裂韧度测试方法包括夏比冲击试验(CVN)、落锤撕裂试验(DWTT)、裂纹尖端张开位移(CTOD)试验、裂纹尖端张开角(CTOA)试验、双试件法等。双试件法对低韧性材料的测试结果比高韧性材料的要准确,对于表征高韧性的钢管材料的断裂韧度来说,CVN和DWTT方法会受与韧性断裂扩展没有关系的能量耗散的影响,CTOA被很多国内外的学者认为测量结果准确度高,简便易行,是比较方便好用的止裂判据。在对金属裂纹扩展各种测试方法进行系统分析的基础上,研究了基于数字图像相关技术的稳定裂纹扩展阻力测量技术,开发了一种高精度快速测量硬件和软件处理系统,实际应用证明了该系统的实用性和可靠性。

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。

数字图像相关技术在高温热膨胀系数测量中的应用

目的测量热结构材料在高温环境下的热膨胀系数,方法将数字图像相关（DIC）技术和通电加热技术相结合,建立高温热变形测量系统。该系统使用CCD相机采集不同温度下试样的表面图像,经DIC方法分析处理得到被测材料随温度升高产生的变形和应变,进一步计算得到相应温度下的热膨胀系数。测量紫铜、石墨分别在600-800℃,600-1200℃范围内的热膨胀系数,并与文献数据进行比较。结果使用该实验系统测量得到了紫铜和石墨分别在600-800℃,600-1200℃范围内的热膨胀系数,与文献参考值吻合较好。结论该测量方法可精确得到导电材料的热应变及热膨胀系数,测量温度上限可达1200℃。

相关掩模技术与数字图像处理数学模型的构建

传统影像处理与数字图像处理在生产图像信息产品的应用过程中各有对方暂时无法替代的优点。相关掩模图像增强技术是随着遥感技术的发展而兴起的一种用传统影像处理方法进行图像处理技术,利用相关掩模技术可推导出数字图像处理中相应处理的算法,说明传统影像处理与数字处理是不可分割的。在生产图像信息产品的应用过程中,两者相互促进、取长补短,利用各自的优点生产优质产品。

基于数字图像相关技术的混凝土剪切破坏实验研究

剪切破坏是工程实际中混凝土破坏的主要形式之一,而对其进行全场非接触的观测和研究却仍面临着一些困难,因而结合数字图像相关技术(digital image correlation,DIC)对混凝土的直接剪切破坏问题开展实验研究。分别对旧混凝土、未凿毛新旧结合混凝土及凿毛新旧结合混凝土三种不同类型的试样进行剪切破坏时的对照实验,具体对破坏时的应力应变分布,破坏断面情况,破坏时强度大小等进行比较。实验中将混凝土边缘外表层切除,以展现出的内部纹理作为数字图像相关技术所需要的自然散斑场;采用高分辨率的数字相机对发生剪切变形的混凝土表面进行图像采集,再通过DIC技术进行后处理以获得剪切破坏过程中变形场的分布。实验结果表明在承受剪切载荷时,经过凿毛处理的新旧结合混凝土粘合面的应变范围、应变分布复杂程度、应变数值均大于未凿毛处理试件,因而确定凿毛新旧结合混凝土试件的抗剪强度大于未凿毛新旧结合混凝土试件;研究结果同时验证了DIC技术在混凝土剪切破坏测试中的有效性和可靠性,即DIC技术可以更直观和全面地获得混凝土剪切应变分布情况,适用于混凝土结构剪切破坏的监测。