预制裂隙类岩石试件表面变形场演化与裂隙扩展机理研究

我国东部矿区相继进入深部开采阶段,裂隙发育程度升高,开采扰动效应增强,围岩控制难度增大。为研究含裂隙岩石破坏机理,提高深部围岩控制效果,采用单轴抗压试验结合DIC技术研究了裂隙倾角对类岩石试件力学特性、表面变形场、裂隙扩展路径的影响。结果表明:预制裂隙与翼裂纹产生剪切互锁效应,含裂隙岩石应力-应变曲线呈双峰形态;裂隙倾角增大,岩石弹性模量和损伤程度升高,单轴抗压强度先降低后升高;确定了单轴抗压强度与裂隙倾角的定量关系,定义了含裂隙岩石破坏优势倾角,张开型裂隙优势倾角为45°;含裂隙岩石变形局部化现象始现于裂隙尖端,拉应力主导型启动应力为初始屈服强度的80%,剪应力主导型降至60%;变形集中带扩展路径与表面裂隙一致,应变值达到5.0%时,岩石变形由局部集中向裂隙发育阶段过渡;预制裂隙倾角为60°和75°时,岩石发生拉剪混合破坏,其他角度发生拉伸破坏;拉伸裂隙孕育时间长,两侧特征点水平位移曲线相互分离,剪切裂隙孕育时间短,两侧特征点纵向位移曲线相互分离;构建了预制裂隙类岩石试件GBM模型,岩石内部微裂纹以拉伸型为主,剪切型微裂纹随预制裂隙倾角增大呈先增多后减少趋势;DIC技术可预判岩石起裂位置、时间和裂隙扩展路径,为深部岩石破坏防控提供前兆信息。

土工三轴试验试样全表面变形测量的实现

应用基于亚像素角点识别的计算机图像处理技术,提出并实现了一种土工三轴试验试样全表面变形观测的图像测量方法。通过一台CMOS摄像机,借助放置于改制压力室中的平面反光镜,实现了对试样全表面变形的实时测量。在此基础上,对原始数据进行了畸变修正及像素当量归一化,并通过引入相邻时间间隔每个计算邻域内试样等向膨胀的计算假定,求得了试样全表面变形场。最后,以饱和砂土三轴排水剪切试验为例,探讨了全表面变形场在分析试样局部化变形中的应用。

混凝土粗糙表观对DIC测量误差的影响研究

混凝土构件在长期服役过程中受到风浪、温度应力、腐蚀等外部环境侵蚀,导致混凝土表观粗糙不平。采用数字图像相关技术(DIC)计算力学响应下的混凝土表面应变场时,粗糙表观超过相机景深会引起离焦现象致使散斑退相关,使得DIC测量误差增大。针对此问题,基于3D-DIC系统计算物体表面三维形貌并以Z轴高度极差与平均灰度共同表征混凝土表面粗糙度,结合DIC成像规律与混凝土表面粗糙度的大小预留足够的景深并通过混凝土三点弯实验验证。结果表明:对于粗糙度R_(S)(4.37mm,139)的混凝土,预留景深0.81mm,DIC数据平均偏差高达42%;预留景深4.48mm,DIC数据平均偏差仅12%。

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。

数字图像测量技术在土工三轴试验中的应用

将数字图像测量技术应用于常规土工三轴试验,解决了常规土工三轴试验传统变形测量中的一系列难题。自主研发了三轴图像测量系统,发展历程可概括为3个阶段:(1)基于边缘识别的三轴试样变形图像测量,通过跟踪边缘位置的变化确定土样的径向变形,识别橡皮膜上的白色标志线确定土样的轴向变形;(2)基于角点识别的三轴试样变形图像测量,用方形标志块将橡皮膜表面离散成若干单元,测量跟踪单元每一角点(节点)的位置,可得任意时刻的土样表面节点的位移,应用有限元技术,可以得到土样表面的位移(变形)场和应变场;(3)三轴土样变形全表面数字图像测量,以基于角点识别的前表面三轴试样变形测量为基础,增设一组平面镜,用一台摄像机实现了圆柱体土样360度全表面的变形测量,得到每一时刻的表面变形场和应变场。三轴土样变形数字图像测量系统具有传统测量方法无可比拟的优点,对于推动土力学,特别是土的本构关系研究具有重要价值。

基于3D-DIC技术岩石广义应力松弛特性试验研究

基于可视化三轴压缩伺服控制试验系统和三维数字图像相关技术(简称3D-DIC技术),开展了不同流变方向系数α下的广义应力松弛试验,对广义应力松弛过程中砂岩表面的应变演化规律进行了探讨。研究结果表明:在流变过程中若砂岩有发生破坏的趋势,其表面的轴向、径向应变场的应变集中区域逐步显现,轴向应变集中区域由层状离散分布逐渐向即将出现裂纹的位置集中,而径向应变场中在裂纹即将形成区域附近应变增长速率最快。不同表面位置轴向、径向应变差异的演化速率与其整体演化速率的变化趋势呈现正相关,在即将形成裂纹附近的轴向、径向应变变化量发展经历减速、等速、加速3个阶段,而远离裂纹处的应变则可能先增大后减小,不同位置应变值的等时曲线演化则预示裂纹即将形成的区域。随着流变方向系数α由0.3、0、-3.0、∞、3.0依次变迁,流变过程中轴向、径向应变场整体演化的均值与方差均上升,说明其演化速率加快,应变集中现象更显著,且砂岩破坏前后的应变场演化差异增大。

预弯曲变形对CP800复相钢力学性能的影响

对CP800复相钢进行冲压成型,制备预弯曲试样,并利用EBSD、X射线残余应力分析仪、拉伸试验机、DIC技术等研究预弯曲变形对钢的微观组织、残余应力和力学性能的影响。结果表明:预弯曲后残余应力分布情况呈现为拉-压-拉-压交替分布,即内表面(压缩层)呈现拉应力而外表面(拉伸层)呈现压应力,这种特殊分布情况会导致预弯曲后材料的屈服应力降低16%。同时,由于冷变形导致的材料硬化和位错强化效果,预弯曲后材料伸长率降低25%而抗拉强度增大24%。此外,预弯曲后内表面由于存在拉伸残余应力而导致更大的塑性应变和损伤,并早于外表面发生断裂。

基于ESPI技术的压力容器无损检测

在工业生产中对压力容器内部缺陷进行早期检测和诊断具有重要的应用价值。针对含有内部狭长形缺陷的球形薄壁压力容器，采用电子散斑干涉(ESPI）技术测试了容器表面的位移场，分析了其表面应变场。