基于数字图像相关技术的鼓风机叶片动态应变试验

针对鼓风机叶片在共振中因大变形而引起的裂纹或断裂问题,基于双目立体视觉原理和数字图像相关法,并结合振动学理论,研究了小尺寸风机叶片在振动过程中的变形及动态应变。结果表明:叶片的最大应变位于叶根处,且整体应变随着正弦振动的激励呈现交变状态;与应变片法测得的应变和激光测振仪测得的位移相比,采用VIC-3D数字图像相关法测得叶片根部的应变和位移相对误差分别约为4.0%和3.5%,该测量方法易于操作,测量精度高。

3D打印成型的尼龙11力学性能变化及先进测试方法

尼龙11(PA11)在3D打印成型后有良好的力学性能,是理想的计算机辅助设计(CAD)性能验证手段。3D打印工艺对材料力学性能的改变是关注热点,以PA11为原料,通过3D打印机激光选区烧结(SLS)成型后,分别通过应变片、动态振动及非接触全场应变等测量方法准确测量3D打印成型后的PA11材料的力学性能中的弹性模量E和泊松比μ,分析PA11材料在3D打印成型工艺下相对于注塑工艺由于致密性下降,从而改变了力学性能,弹性模量表现为下降而泊松比表现为增大。无损的动态振动测量和非接触全场应变测量相比常规应变片测量能获得更多数据,且试验误差均比常规应变片测量方法的结果小,是近年来的测试发展新方向。

基于数字图像技术的LY12铝合金形变分析

利用VIC-3D数字图像技术、有限元模拟和万能电子试验机,对无孔和有孔LY12铝合金材料进行了应力演变分析和断口分析。结果表明:VIC-3D系统测得的应变云图与有限元法得到的相似,但有限元法得到的云图数值偏小;随着应力的增加,裂纹沿垂直于拉伸应力的方向扩展,当应变及应变速率均达到最大值时试样发生断裂;试样断口主要为韧窝型断口,表明该材料具有较好的韧性。

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DIC技术的3D打印节理试件破裂机制研究

为了准确表征不同角度预制节理岩石在单轴压缩下的变形破坏模式,基于3D打印技术制作了节理模型用于模拟岩体中的结构面,通过水泥砂浆的浇筑得到含不同角度预制节理的岩石试件并进行单轴压缩试验,同时采用数字图像相关技术(DIC)观测、分析试验过程中试件裂纹产生、扩展以及贯通过程。结果表明:随着预制节理从0°增加到90°,试件强度与峰值应变均呈现先降低后升高的变化趋势,0°和45°试件弹性模量相对于完整试件有所降低。基于DIC检测结果,0°、30°、45°及60°试件裂纹皆从预制节理尖端部位起裂,各角度试件的起裂应力与试件强度变化规律一致。各角度试样起裂时在剪应力控制下以剪切翼型裂纹形式起裂,0°与45°试件裂纹在扩展过程由剪切发展为张拉型裂纹,30°和60°试件以剪切裂纹形式贯穿始终,90°试件从底部起裂并最终表现为张拉破坏。研究还发现,下翼起裂角θ2和上翼起裂角θ1之间存在明显的线性正相关关系,关系式为θ2=0.828 6θ1+12.185,且起裂应力大小变化与峰值应力变化一致,皆随节理角度的增加先减小后增大。

基于DIC的3D打印交叉节理试件破裂机制研究

为研究交叉节理的存在对岩体破裂机制的影响,采用3D打印技术制备了可模拟岩体交叉结构面的节理模型,通过相似材料浇筑形成含预制交叉节理的试件,并基于数字图像相关技术(DIC)分析了单轴压缩下试件裂纹起裂、扩展及破坏模式。研究结果表明:采用3D打印技术制作的闭合节理模型,可以有效替代传统的切割、插缝等方法形成的张开型节理裂隙。基于此展开的试验结果表明,交叉节理存在会显著降低试件强度,且随着交叉角度的增大,试件强度先升高后降低,在45°和60°之间达到最大值,峰值应变与强度呈现相反的变化规律;裂纹扩展过程可分为微裂隙闭合阶段、微破裂发展阶段、主节理起裂扩展阶段和次节理迅速延伸阶段,这与应力-应变曲线各阶段一一对应。研究还发现,在交叉节理岩体中,次节理对破裂的影响主要体现在峰后阶段,结合最大畸变能理论表明,其对主节理尖端应力分布影响较小,主节理对岩体的破坏起绝对控制作用,这对岩体工程有一定的指导意义。

3D打印复合材料拉伸变形的声发射监测

3D打印技术为复合材料制备提供了一种新方法。为了研究不同打印层厚度(t)对3D打印复合材料拉伸变形和损伤演化的影响,采用COMBOT-200打印机打印了3种不同打印层厚度的复合材料。采用声发射(acoustic emission, AE)和数字图像相关(digital image correlation, DIC)技术研究了拉伸加载下3D打印复合材料的力学行为和损伤演化。通过声发射信号分析、聚类分析和全局应变分析,清晰揭示了其失效机理。结果表明:随着打印层厚度的增加,3D打印复合材料的破坏载荷减小,单位时间内AE信号累积撞击数迅速增加;拉伸载荷下AE信号分为三类,分别为基体开裂、纤维脱黏和纤维断裂。在相同载荷范围内,试件表面应变值随打印层厚度的增加而增大。当试样接近拉伸破坏时,材料的表面应变急剧增加,表明试样接近断裂。利用AE和DIC相辅相成的无损检测技术,可以同时获得3D打印复合材料在拉伸载荷下的声发射响应和表面应变场信息,揭示其损伤演化和断裂机理。AE和DIC技术的结合为3D打印复合材料的健康监测提供了参考。

基于3D打印和DIC技术的裂隙网络模型变形破裂特征及填充物影响效应

由于工程岩体内部裂隙分布的复杂性,含裂隙网络的物理模型制作是困扰岩石力学试验研究的关键问题之一。提出了一种以水溶性材料为打印基材,以聚乳酸材料为支撑底座的裂隙网络模型3D打印方法。利用打印材料的水溶特性,提出了一种裂隙网络类岩石模型试件制备方法。利用数字图像相关方法,定量研究了裂隙网络类岩石模型试件加载过程中的变形破裂特征,并进一步分析了填充物的影响规律。试验结果表明:采用3D打印技术可以实现复杂裂隙网络模型的制备,模型试件力学特性具有很好的可重复性;裂隙网络类岩石模型试件应力-应变曲线在峰前出现多次明显的应力跌落,而峰后曲线呈现出塑性应变软化现象;DIC技术可以捕捉裂隙网络类岩石模型试件加载全过程的全局应变场,其变形破裂过程表现出应变局部化渐进演化特性,反映了裂纹萌生、扩展及贯通规律;不同的裂隙填充工况会影响模型试件的力学参数和应变场分布,这体现了所提出制备方法的优势,即能够填充符合工程实际情况的裂隙填充物。

基于3D打印模型试验的含结构面异形隧洞的变形破坏研究

隧洞交叉段稳定性受围岩结构面影响较大,物理模型试验是研究结构面影响机制的有效手段。针对模型难以制备的技术瓶颈,采用3D打印增减材技术制备含非贯通结构面的异形隧洞模型。基于数字图像相关技术与内窥摄像头观测模型在单轴加载下的破坏过程,评估打印路径对隧洞模型破坏模式的影响,并研究结构面倾角对异形隧洞破坏机制的影响规律。结果表明,3D打印路径对隧洞模型破坏模式的影响较小,采用3D打印增减材方法制备结构面起控制作用的隧洞模型具有有效性及可行性;含软弱填充物的非贯通结构面导致围岩应力向两侧岩柱卸荷,客观上保护了洞室,提高了隧洞的安全性;当结构面尖端距隧洞较远时,模型表现为贯通裂纹造成的岩柱失稳破坏,当结构面尖端位于隧洞附近时,模型表现为洞顶块体分离破坏;隧洞交叉段扩挖后形成的异形隧洞与常规隧洞的破坏机制不同,其拱结构效应明显减弱。

光固化3D打印在复杂裂隙岩体研究中的探索

由于岩体结构的复杂性,如何重构含裂隙网络的物理模型试件是岩石力学试验研究面临的难题之一。本工作提出了一种基于光固化3D打印技术的裂隙网络类岩石试件制备方法。结合数字图像相关方法对裂隙网络类岩石试件加载过程进行非接触式全场变形测量,并引入应变场方差这一指标,定量研究了裂隙岩体变形破坏演化规律及前兆异常特征。试验结果表明:采用光固化3D打印技术可实现裂隙岩体的复杂物理模型重构。裂隙网络类岩石试件的变形破坏过程类似于真实裂隙岩体,可划分为压密、弹性变形、裂纹扩展以及峰后阶段,其应力-应变曲线出现峰后多台阶式跌落特征。综合强度参数、峰后力学特征和试验过程中块体弹射现象来看,制备的3D打印试件可用于模拟裂隙硬岩。采用数字图像相关方法可实现裂隙岩体变形场的动态捕捉,其变形破坏过程表现出明显的应变局部化特征。加载过程中应变场方差的演化过程可划分为初始分异、稳定分异、加速分异以及加加速分异阶段。应变场方差在新生裂纹萌生后呈现出持续增长的趋势,而在进入不稳定裂纹扩展阶段后呈现为陡增趋势,可视为两个前兆点。研究成果可为复杂裂隙岩体的物理重构以及失稳预警提供新的思路。

含水平裂隙的3D打印类岩石试件力学特性研究

为探究裂隙张开度对裂隙岩体力学特性的影响机制,利用3D砂型打印技术制备含水平裂隙的类岩石试件,考虑不同的裂隙张开度,对其进行单轴压缩试验;通过有限元数值模拟从应力分布的角度解释试验现象;结合数字图像相关方法进行非接触式全场变形观测,定量分析裂纹萌生、扩展以及贯通行为。研究结果表明:通过3D砂型打印技术制备的裂隙类岩石试件具有更接近于天然岩石的物理力学特性,且试验结果具有很好的可重复性,测试所得的力学参数变异系数小于0.046;含不同水平裂隙张开度的类岩石试件应力■应变曲线大致相似,峰值强度随着裂隙张开度的增加而逐渐减小,最后趋于稳定;裂隙张开度的增加导致试件起裂应力逐渐增大,但裂纹均起裂于裂隙中部,这与主应力最大值及其分布位置有关;数字图像相关方法可实现试件加载过程的应变全场测量,应变局部化带的渐进演化反映了裂纹起裂、扩展以及贯通行为;计算裂纹扩展路径周边的位移矢量分布,识别出张拉、剪切、拉剪3种位移场类型,发现裂隙张开度的改变不会影响试件破坏模式,均表现为拉剪混合破坏。研究有助于进一步加深裂隙岩体力学特性的认识,也为3D打印技术在岩石力学试验的应用提供参考。

岩腔深度对危岩失稳机制的影响分析

为研究岩腔深度对危岩体失稳机制的影响,采用3D打印技术制备4种危岩理想概化模型,开展冰冻试验,结合数字图像相关(digital image correlation,DIC)方法对危岩破坏全程进行非接触式、实时变形观测。基于DIC计算得到的全场变形数据,从精细化角度定量分析主控节理面相对位移演化规律和危岩失稳破坏机制。研究结果表明:岩腔型危岩失稳机制与岩腔深度密切相关,当岩腔深度小于危岩体宽度时,危岩体表现为旋转张拉破坏;当岩腔深度等于危岩体宽度时,危岩体表现为拉剪破坏。此外,危岩体失稳时间具有随岩腔深度的增加而缩短的规律。研究结果可为量化揭示危岩体失稳机制提供1种新的思路。

基于DIC技术的含不同节理密度类岩石试件破裂机制研究

为研究节理密度对岩体强度特征及破坏模式的影响,以石英砂和呋喃树脂为打印基材,采用3D砂型打印技术制备含有不同节理密度的类岩石试件。对3D砂型打印试件进行单轴压缩试验,采用数字图像相关(DIC)方法进行非接触式全场变形测量,从细观力学角度定量分析裂纹萌生、扩展以及贯通行为。试验结果表明:3D砂型打印完整试件的应力-应变曲线形态、压拉强度比与真实岩石相似,属于一种类岩石材料;不同节理密度试件的应力-应变曲线变化过程大致相似,可划分为初始压密、线弹性变形、破裂发展以及残余强度4个阶段;试件力学参数随着节理密度εf的增加而减小,两者之间呈指数衰减关系;通过计算试件表面应变场和位移矢量分布,发现试件变形场分布、裂纹扩展演化均与节理密度密切相关;随着节理密度的增大,试件破坏模式由轴向拉伸破坏(εf=0.280%)过渡到混合破坏(εf=1.193%),最后转变为拉贯通带破坏(εf≥1.712%),而当节理密度超过阈值2.739%,拉贯通带内的块体发生转动,重现了书斜式断层旋转这类地质构造。

口颌系统有限元模型的验证

有限元模拟已广泛应用于颞下颌关节(TMJ)的生物力学研究,但口颌系统有限元模型的有效性缺乏验证,本研究通过对比实验模型和有限元模型中下颌骨和关节囊的应变验证了有限元模型的有效性。实验模型的上下颌采用透明材料进行3D打印,关节囊用硅橡胶灌注,韧带用橡皮筋代替。在两侧下颌角、下颌体上共布置4个应变花,用于测量下颌对应测试点的应变。将左侧关节囊喷上散斑,用于数字图像相关法(DIC)测量。将上下颌骨、关节囊、韧带组装之后放置在试验台进行加载。

动态应变测试技术在汽车试验中的应用

针对汽车路谱采集和台架试验中传统接触式应变采集方法的局限性,提出了运用动态应变测试技术(Vic-3D)测量系统来进行非接触式特殊工况的应变采集,突破了接触式测量需要全场测量等的技术瓶颈.介绍了数字图像相关方法(DIC)的基本原理及算法公式,对基于DIC技术的Vic-3D测量系统试验流程进行了阐述.通过对汽车扭力梁进行局部应变采集试验,将Vic-3D测量与传统电阻应变片式测量进行了结果比对,发现2组数据相差较小,验证了Vic-3D系统对于应变测量的广泛性与准确性.

利用弹性膜测量明渠流底摩擦应力

水环境中壁面摩擦应力的测定是一项重要的工作。本文的主要工作是将一种新型的测量方法 S3F法(sensor-surface stress-sensitive film method)用于水动力研究中常见的明渠流底部摩擦应力测量。测量结果与实验间接壁剪切应力测量使用ADV测速测量的结果进行了比较,两种方法得到的结果具有较好的一致性,展示了S3F法在水环境流体力学的边壁摩擦应力中的研究价值。