虚位移场方法在石墨材料力学参数测量中的应用

光测实验技术在现代力学研究中得到了广泛的应用。对于材料力学参数如杨氏模量和泊松比的测量,可利用典型加载试验如拉伸试验、弯曲试验并结合光测方法(如云纹和数字图像相关技术)得到位移值,利用载荷信息和应变场信息通过计算获得相关的力学参数。本文利用虚位移场方法测量石墨材料的力学参数。结合石墨材料的三点弯曲实验,由数字图像相关法测量得到试件表面的非均匀变形场。通过选择两组不同的虚位移场,可以反算出材料的力学参数:杨氏模量和泊松比。结果表明这种方法可以有效测量石墨材料的弹性参数。该方法可望在材料力学行为检测中得到推广应用。     

数字图像相关方法在闭孔泡沫铝压缩试验中的应用

为了了解相对密度与胞孔结构对闭孔泡沫铝力学性能的影响,本文采用放大成像及数字图像相关技术对两种不同密度的泡沫纯铝试样进行了实验研究.利用数字图像相关方法对泡沫纯铝变形前后的图像进行相关计算,获得了弹性范围内静态压缩情况下闭孔泡沫铝材料表面的全场变形及局部孔结构的变形,同时根据试验结果计算了试件的名义弹性模量.实验结果表明泡沫铝整体孔结构的变形与泡沫金属材料相对密度有关,而单个孔结构的变形主要与孔壁面光滑程度和皱褶有关.实验结果还表明图像相关方法能够有效地应用于闭孔泡沫金属的力学性测量和评估的研究.     

结构多源不确定性反问题的流形学习求解方法

针对同时考虑测量不确定性和模型不确定性的工程反问题,提出了基于混合度量和流形学习的多源不确定性计算反求方法,高效地实现了未知结构参量的不确定性度量与识别.测量响应中的不确定性采用概率模型进行度量,建模参量的不确定性采用非概率多边凸集模型进行度量.通过建立模型参量与待反求参量累积分布函数之间的流形学习映射模型,实现了测量不确定性反问题与模型不确定性反问题的解耦,将复杂的多源不确定性反问题转化为少数测量不确定性反问题.在此转化过程中,流形学习方法将高维的累积分布函数曲线转化为低维流形空间中特征参数,通过模型参量与特征参数之间的映射模型,实现给定模型参量下相应的反求参量概率分布函数的快速预测.进一步利用衍生λ-PDF和降维积分方法,将测量不确定性反问题转化为少数确定性反问题进行求解,并利用P-box模型对反求参量的不确定性进行度量.本文提出的方法不仅能实现反求参量的高效识别,而且能准确地量化测量不确定性和模型不确定性对反求参量的综合影响.     

基于机器学习软骨细胞的时间依赖性力学行为及本构参数反演

探究软骨细胞机械负载下的力学特性对于理解软骨细胞的正常和病理状态以及骨性关节炎的病因至关重要. 基于软骨细胞有限元计算模型的力学响应与其本构参数之间的高度复杂非线性, 本文提出了分别利用双向深度神经网络TW-Deepnets模型和随机森林RF模型并结合有限元方法来识别软骨细胞本构参数的两种反演方法. 首先, 建立了软骨细胞的无侧限压缩实验有限元模型, 收集MSnHS本构参数空间点与对应的有限元计算模型的压缩反作用力响应数据集. 其次, 结合贝叶斯超参数优化算法搭建了用于软骨细胞本构参数反求的TW-Deepnets模型和RF模型, 对有限元收集的数据进行训练, 并利用单个软骨细胞受到50%压缩程度下的实验数据对软骨细胞的MSnHS本构参数进行了反求. 最后, 通过与实验曲线的对比验证了所提出的反演方法的有效性, 并引入决定系数R2对两种模型的预测准确性进行了对比评估, 检验了模型对各本构参数的预测性能, 分析了MSnHS本构模型中各参数影响软骨细胞力学响应的重要性占比. 结果表明, 本研究提出的本构参数反演方法能够有效获取软骨细胞的本构参数值, 从而准确描述软骨细胞的时间依赖性力学特性, 该方法也可进一步推广到生物细胞在静态或动态负载条件下的复杂参数反演问题.      

橡胶材料弹性模量数字图像相关测定法

利用数字图像相关方法测量了小应变下柔性橡胶的弹性模量.用CCD相机记录单轴压缩实验中圆柱体橡胶试样表面人工散斑图像,作为数字图像相关测量技术中的变形信息载体.分析了镜头畸变对位移测量的影响,运用数字图像相关法得出小应变范围内像胶的应力应变曲线,计算出橡胶的弹性模量.并与采用千分表所得到的结果进行了比较,两者符合较好.实...     

基于H - Matrices的结构特征值问题加速研究

提出遗传双重互易法,利用遗传矩阵结构（Hierarchical Matrices , H - Matrices）加速双重互易边界元法（DRBEM）结构特征值问题分析过程并压缩数据存储。通过自适应交叉拟合算法对遗传矩阵中的相容子块使用低阶秩块拟合,减少参与矩阵运算数据规模,降低计算消耗的内存空间。针对规模和效率的不同计算环境要求提出两种求解优化策略,即完全遗传双重互易法(PHDM)和混合遗传双重互易法(MHDM),以求针对性提高数值计算效果。数值算例验证了所提方法的效率以及数据压缩效果。     

基于图像分析法的水稻茎秆力学性能测量与分析

水稻茎秆力学性能的准确描述是水稻抗倒伏力学分析的关键。由于茎秆是由生物活性材料组成的形状不规则柔性结构,传统的测试方法难以对其力学性能进行准确测量。以南方水稻为研究对象,采用拉伸试验机对水稻茎秆进行了拉伸试验。首先采用传统的应变片方法测量应变,继而探索采用图像分析法实现非接触、高精度地测量水稻茎秆的截面尺寸、拉伸变形。用数字摄像机记录不同荷载水平下试件表面的数字图像,采用数字图像相关分析法(DIC)进行分析,通过两种方法计算茎秆的轴向应变;将完成拉伸实验的试件切片,采集其横截面的数字图像,通过数字图像分析技术得到其几何特性,并对大量实验数据进行了统计分析,实现了对水稻茎秆弹性模量、抗弯刚度等的合理描述。实验结果表明,采用传统的应变片测量求得的水稻茎秆的弹性模量的离散性极大,超出样本差异性的范围,而采用数字图像分析方法得到的弹性模量、抗弯刚度的结果有一定的离散性,但分布比较合理,比较准确地反映了水稻茎秆相关的力学性能。     

考虑侧面摩擦的侧限压缩模型的数值解法

海上箱筒型基础结构下沉到位后,舱内土体的受力变形可以看作是侧限压缩模型问题,上部荷载引起的侧壁摩擦力与土体应力之间的关系较为复杂。本文通过简化模型,列出了侧限压缩模型的平衡微分方程,分析了方程解析计算时存在的难点,结合摩擦应力边界条件的特点,构造函数迭代法对该方程进行数值求解,展示了计算的收敛过程,得到接触侧面上水平应力和土体表面位移的非线性分布规律,并将其结果与ABAQUS数值模拟结果进行了对比。结果表明,函数迭代法收敛速度较快,计算过程稳定,对其他存在变量耦合边界条件的微分方程数值求解有一定的参考价值。     

考虑侧面摩擦的侧限压缩模型的数值解法

海上箱筒型基础结构下沉到位后，舱内土体的受力变形可以看作是侧限压缩模型问题，上部荷载引起的侧壁摩擦力与土体应力之间的关系较为复杂。本文通过简化模型，列出了侧限压缩模型的平衡微分方程，分析了方程解析计算时存在的难点，结合摩擦应力边界条件的特点，构造函数迭代法对该方程进行数值求解，展示了计算的收敛过程，得到接触侧面上水平应力和土体表面位移的非线性分布规律，并将其结果与ABAQUS数值模拟结果进行了对比。结果表明，函数迭代法收敛速度较快，计算过程稳定，对其他存在变量耦合边界条件的微分方程数值求解有一定的参考价值。     

非连续数字图像相关方法在裂纹重构中的应用

数字图像相关方法作为一种新的非接触式位移测量方法,在力学工程中有广泛的应用前景,然而受限于标准方法对图像变形的连续性要求,这种高效的测量方法在断裂力学领域的推广受到了限制. 为解决这一问题,提出采用引入子区分离数学模型,代替标准方法的连续模型,来对非连续区域进行精确识别和匹配的非连续数字图像相关方法. 研究子区被裂纹等非连续分割后原始像素点的位移情况,并引入裂纹张开向量用以表征被分割子区的主区和副区的位移关系;从而建立子区分离模型的数学表达式,并且为所提出的模型设计相应的图像相关算法;然后将所提出的非连续数字图像相关方法应用于重构平板拉伸试验开裂过程中图像的位移. 研究结果表明,相比于标准的数字图像相关方法,所提出的非连续数字图像相关方法解决了图像相关法在非连续区域失效的问题,提高了数字图像相关方法对位移测量的正确率,特别是能够准确重构裂纹面及附近的位移场,其测量精度能够达到亚像素级别.      

Digital image processing for non-linear system identification

Emerging digital image processing techniques demonstrate their potential applications in engineering mechanics, particularly in the area of system identification involving non-linear characteristics of mechanical and structural systems. The objective of this study is to demonstrate the proof-of-concept that the techniques permit the identification non-intrusively and remotely. First, the efficacy of the digital image processing method is shown by identifying the friction behavior between two solids that are assumed to be governed by the Coulomb friction model. The inverse analysis is carried out to validate the proposed method of identifying model parameters. Studies further illustrate that the digital imaging procedure and inverse analysis algorithms developed for the friction problem can be extended for identification of non-linear mechanical and structural characteristics. One illustration utilizes the second example, where relative motion between a model structure and a shaking table is measured by digitally processing the analogue image provided by a video tape recorded during a shaking table test of a model structure base isolated by a hybrid isolation device consisting of friction and elastomeric components. Third, constitutive relationship for a non-linear elastomeric membrane is identified by digitally processing images of its deformed states under tension. The relationship is postulated to follow the Mooney-Rivlin function. Schemes developed are verified with iterative non-linear finite-element program that is valid in the finite deformation range. Emerging cost-effective hardware and software systems for high-performance data acquisition and processing are quite promising to the implementation of the techniques by removing most, if not all, of its existing limitations.     

数字图像相关法在相似材料模拟试验中的应用

利用相似材料模拟试验研究印度某矿长壁开采采场厚硬顶板的破断规律,针对试验中传统的位移测量法的不足,引入了数字图像相关法。通过恰当布设模型、合理控制光照强度,实时用高分辨率数码相机拍摄模型在开采过程中的表面变形图像,借用数字照相图像分析与结果可视化应用软件系统GeoDPDM对序列照片进行相关性分析,得到了开采过程中上覆岩层变形的位移场和应变场。将分析结果与传统测量方法所得结果对比,得到两种方法具有较高的一致性,并将测试精度提高到0.6mm/pixel,成功实现了大范围模型变形的全场、非接触式测量。     

基于时序变形预测的数字图像相关加速方法

利用数字图像相关求解连续变形物体的位移场和应变场时,会遇到处理速度非常慢的问题,原因是相关算法计算量大且忽略了物体在时间轴上的变形规律。本文提出了一种基于变形预测的数字图像相关方法,该方法利用物体在时间轴上的变形规律,通过已经得到的变形值来预测后面时刻的变形初值。首先分析了物体在时间轴上的变形规律,然后结合实际应用对其进行修正,得到物体下一步变形的初值,最后通过NR方法(Newton-Raphson Method)得到物体的位移场和应变场。通过计算机模拟和金属试件拉伸实验并结合GPU(Graphic Processing Unit)编程验证了该方法的有效性。计算机模拟和金属试件拉伸实验的计算结果表明,该方法能够在计算精度保持不变的情况下,使计算速度提高4~7倍。     

MEASUREMENT OF LÜDERS BAND IN SMALL SIZE LOW CARBON STEEL SPECIMEN BY 3D DIGITAL IMAGE CORRELATION METHOD

吕德斯效应是多种金属和合金材料由于屈服阶段的不均匀变形而在材料表面产生条带状褶皱的现象,它会使冲压件表面质量降低. 为了防止它的出现,对吕德斯效应进行研究变得非常重要. 采用小视场(15mm×15 mm)下三维数字图像相关方法对小尺寸低碳钢试件在单轴拉伸载荷作用下的变形场进行测量,实际观测了小尺寸试件的吕德斯效应,结合理论模型解释了其形成机理,并分析了吕德斯带传播过程中应变及应变率的变化规律.实验研究表明,运用三维数字图像相关方法测量试件表面变形场,实现了对小尺寸低碳钢试件的吕德斯带演化过程以及颈缩、断裂等细观力学行为的观测,该方法是研究材料变形细观机理的一种有效测量手段.     

Plastic instability studied experimentally on a semi-crystalline polymer through thermomechanical heat source identification: the flow stress concept revisited

Micromechanical deformation phenomena such as those leading to macroscopic viscoelastic and plastic behavior must be studied from a thermodynamic viewpoint, as they induce complex and partly irreversible heat effects. Calorimetric measurements of the intrinsic volumetric thermomechanical heat sources (THS) activated in the material bulk during mechanical loads can produce valuable information with respect to that aim. They can be based on infrared imaging if submitted to inverse algorithms that allow a correct reconstruction of THS to be produced. Here, an inverse method relying on a diffusion-advection heat transfer model is applied to experimental temperature maps recorded during tensile tests. These are made on a semi-crystalline polymer that shows a strong development of plastic instabilities. Along with simultaneous kinematic observables produced with a digital image correlation system, the competition between advection and diffusion phenomena may be clearly established. 1-D profiles of the reconstructed THS and measured strain rates illustrate clearly that thermomechanical effects associated with necking onset and propagation follow the kinematic variable in a rather direct manner. Finally, we show for tensile experiments that THS estimations lead to analyze plasticity as a rheological behavior controlled by the flow stress, responsible of necking development and propagation.     

基于仿真和智能算法骨骼肌超弹性本构参数的反演方法研究

从事高强度的体力工作者经常会发生肌肉软组织的损伤, 因此对骨骼肌的变形特性和应力分布的研究受到了越来越多的重视. 获取正确的本构参数对于生物软组织的力学行为的研究至关重要, 而本构参数的确定本质上是一个逆过程, 具有很大的挑战性. 本文分别采用K近邻(K-nearest neighbor, KNN)模型和支持向量机回归(support vector machine regression, SVR)模型并结合非线性有限元仿真, 提出了两种确定骨骼肌本构参数的反演方法. 首先建立了骨骼肌压缩的有限元模型, 对其压缩条件下的变形特性进行了有限元仿真, 得到了相应的变形特性及应力分布规律, 同时也建立了骨骼肌组织的名义应力和主伸长之间非线性关系的数据集. 其次, 分别利用KNN模型和SVR模型搭建了针对骨骼肌组织进行本构参数反演的机器学习智能算法, 对相应的数据集进行训练, 结合单轴压缩实验的实验数据预测了材料的本构参数. 最后, 对分别基于KNN模型和SVR模型对骨骼肌超弹性本构参数的误差结果进行了分析, 通过引入相关系数$R$和决定系数$R^{2}$对采用两种反演方法的有效性进行数值上的验证. 结果表明, 利用KNN模型和SVR模型结合有限元仿真是确定骨骼肌超弹性本构参数的有效、准确的方法, 该方法也可进一步推广到其他类型的非线性软组织的本构参数反演.      

Error Assessment in Stereo-based Deformation Measurements

Increasing interest in the use of digital image correlation (DIC) for full-field surface shape and deformation measurements has led to an on-going need for both the development of theoretical formulae capable of providing quantitative confidence margins and controlled experiments for validation of the theoretical predictions. In the enclosed work, a series of stereo vision experiments are performed in a manner that provides sufficient information for direct comparison with theoretical predictions using formulae developed in Part I. Specifically, experiments are performed to obtain appropriate optimal estimates and the uncertainty margins for the image locations/displacements, 3-D locations/displacements and strains when using the method of subset-based digital image correlation for image matching. The uncertainty of locating the 3-D space points using subset-based pattern matching is estimated by using theoretical formulae developed in Part I and the experimentally defined confidence margins for image locations. Finally, the uncertainty in strains is predicted using formulae that involves both the variance and covariance of intermediate variables during the strain calculation process. Results from both theoretical predictions and the experimental work show the feasibility and accuracy of the predictive formulae for estimating the uncertainty in the stereo-based deformation measurements.     

Quantitative assessment of the surface crack density in thermal barrier coatings

In this paper, a modified shear-lag model is developed to calculate the surface crack density in thermal barrier coatings（TBCs）. The mechanical properties of TBCs are also measured to quantitatively assess their surface crack density. Acoustic emission（AE） and digital image correlation methods are applied to monitor the surface cracking in TBCs under tensile loading. The results show that the calculated surface crack density from the modified model is in agreement with that obtained from experiments. The surface cracking process of TBCs can be discriminated by their AE characteristics and strain evolution. Based on the correlation of energy released from cracking and its corresponding AE signals, a linear relationship is built up between the surface crack density and AE parameters, with the slope being dependent on the mechanical properties of TBCs.     

一种考虑旋转位移分量的数字图像相关法及其精度分析

提出了一种新的考虑旋转位移分量的数字图像相关法[CD2]旋转相关匹配法,其特点是先对图像子区进行预旋转,再进行相关匹配、相关系数、整像素和亚像素位移的计算。在物体产生旋转位移分量时,该方法可有效提高变形前后图像子区间的相关系数和位移计算精度。通过斜拉伸、剪切和悬臂梁弯曲实验,对旋转相关匹配法和直接相关匹配法进行了对比研究,并用灰度梯度法计算旋转后新图像子区和变形后图像子区间的亚像素位移。结果表明,在旋转位移分量小于10°的情况下,相比于直接相关匹配法,旋转相关匹配法可以得到更高的相关系数;在用灰度梯度法计算亚像素位移条件下,位移精度与试件位移不产生旋转时的直接相关匹配相当。