三维DIC在铸铁拉伸试验中的应变测量精度研究

基于三维数字图像相关方法(3D-DIC)的拉伸实验研究了铸铁的拉伸力学性能,分别得到了应力-应变曲线、弹性模量、抗拉强度、延伸率等拉伸力学性能参数．将3D-DIC应力-应变的测试结果与目前实验中使用广泛的接触式引伸计方法的实验结果作了对比,得到两者的应力-应变曲线基本重合,弹性模量相差不超过4%．此外,还对3D-DIC和机械引伸计的应变绝对误差和相对误差作了详细比较,实验表明3D-DIC在铸铁拉伸力学性能测试中具有足够的应变测量精度,完全可以取代传统引伸计成为一种有效的非接触式变形测量手段．     

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。     

材料力学性能显微测试系统

介绍了适用于毫、微米量级材料的力学性能测试系统,该系统包括微型加力装置、显微镜及数字图像处理系统。通过计算机控制,加力机构可以对微小试件按力或位移控制方式加载,载荷大小通过传感器直接由计算机数字化。试件的变形测量采用数字图像相关技术,通过序列图像分析方式,获得试件在不同外力作用下对应的变形,从而获得该材料的应力应变关系。在利用显微镜对微细观图像进行放大时,图像的畸变会影响相关计算的精度,本文采用了精度极高的正交栅板,对成像系统进行标定,有效地消除了高放大倍数下的图像畸变。图像相关技术对被测物体的表面处理非常敏感,本文也对这一问题进行了讨论,并给出两个不同的应用实例。第一个为材料性能试验,对厚度为0.1mm的铝材进行单向拉伸,给出了材料的应力应变关系;第二个为稳态裂纹扩展试验,对用人牙制作的紧凑拉伸试件进行测试,获得裂尖后的COD曲线。实验表明,该测试系统在微细观力学实验中具有广阔的应用前景。     

白光散斑相关法多尺度分析Portevin-Le Chatelier剪切带变形

在适当的温度、应变率或预变形下,合金材料的拉伸试验中,将会出现伴随雪崩式剪切变形带的锯齿形塑性失稳、即PLC(Portevin-Le Chatelier)效应。本文利用图像相关求位移场的方法,对恒定加载应变率下(10-4/s),拉伸铝合金(A2017)试件时出现的PLC效应从宏观剪切带变形到微观晶粒变形等多尺度进行了观察和定量化的分析。通过对PLC效应发生时采集的试件表面的白光散斑图进行相关运算,得到试件表面剪切变形区域各点的精细位移,并在此基础上计算出剪切带区域的应变分布及剪切带的宽度。实验结果显示,当PLC效应发生时,剪切带区域的应变曲线呈台阶型,带的前后边缘应变梯度较大,中间近似呈平台状,带外区域应变值接近零,塑性拉伸变形主要集中在带内。     

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。     

中应变率下材料动态拉伸关键参数测试方法

通过高速液压伺服材料试验机进行金属材料的中等应变率动态拉伸力学性能测试。为获取精确的动态拉伸载荷数据,提出了一种拉伸载荷的间接测量方法,在不改变试验机原有结构的情况下,解决了试验机自带载荷传感器测试数据在塑性段振荡导致材料真正动力学行为被掩盖的问题;通过数字图像相关的非接触测量方式进行动态拉伸应变的测量。实验验证表明,提出的载荷和应变测试方法可实现金属材料动态拉伸试验中的力学性能参数测试。     

基于双线性位移模式数字图像相关方法的误差分析及应用

探讨数字图像相关方法测试结果的误差分布规律对提高该方法的测试精度具有重要意义。本文从理论上分析了基于双线性位移模式数字图像相关方法的子区变形场测试误差分布规律,结果表明,当试件的真实变形可由双线性位移模式描述时,变形场最大测试误差通常出现在子区的边界或节点处。因此,若试件发生均匀拉伸等常应变变形,可利用相关系数选取一个最优子区,认为测得最优子区中心应变为试件真实应变。零变形实验验证了该测试方法的可靠性。最后对手机导光板试件在单轴拉伸载荷下的数字图像进行分析,并利用本文方法测试了其弹性常数。     

用数字图象法测量砼成形早期的变形特性

本文应用数字图像测量系统，对砼试件在成形早期最初２６小时的变形场进行了非接触的定量测量，得到了砼成形早期收缩应变随时间变化的曲线。整个测量过程简便直接，表明数字图像测量方法完全可用来对砼结构的位移场进行非接触的精密测量，在配备了相应的光学观察仪器后，也可用来测量一般的应变场，从而将为土建结构的定量测试提供新的有力手段。     

基于数字图像相关方法的矿用扁平接链环模型接触变形实验研究

采用分割辅助数字图像相关方法,针对矿用扁平接链环模型在多齿啮合状态下的接触变形进行了实验分析,测量了该结构在承受拉伸载荷时的全场变形分布,并对其接触面附近区域的应变集中现象进行定性与定量分析。实验以Φ26mm×92mm规格的梯齿型接链环模型为研究对象,提出了相应的多分辨率方法进行接触变形场测量。方法中仅采用单个相机实现多分辨率测试,从而避免了传统多分辨率方法中的图像修正误差。采用降采样后的图像计算试件的全场变形,以实现高效的应变分布分析以及应变集中区域定位;采用高分辨率图像进行局部变形计算,以分析应变集中区域的变形分布。实验结果表明,接链环第Ⅱ对和第Ⅲ对啮合齿的齿根部发生的变形最大,是接链环的薄弱部位。该实验结果为梯齿型接链环的变形规律分析和结构设计提供了有效的实验依据。     

基于超高速相机的数字图像相关性全场应变分析在SHTB实验中的应用

基于超高速相机和数字图像相关性全场应变分析方法对传统的分离式Hopkinson拉杆(SHTB)实验系统进行改进,获得尼龙和铝合金材料的动态拉伸应力应变曲线,验证了数字图像相关性全场应变分析在SHTB实验中的有效性。实验结果显示:该方法测量的平均应变与应变片测量结果一致性很好, 而传统的SHTB实验原理计算的应变结果则明显偏大,需要对试件原始标距进行修正后才能获得有效的试件应变,并且在试件的材料和几何尺寸不变的条件下标距修正不依赖于应变率。基于数字图像相关性全场应变测量,讨论了应变均匀性问题:脆性的尼龙试件在标距范围内应变均匀性良好,而韧性的铝合金试件表现出比较严重的应变不均匀性,归因于颈缩变形的影响。     

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.     

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。     

铅飞层中斜冲击波对碰马赫反射行为实验研究

采用线阵多普勒光纤探针测速技术（Doppler pins system，DPS）和高速光电分幅相机照相两种精密诊断技术，对铅飞层中斜冲击波对碰后的反射行为进行了观测。获得了飞层对碰部位速度-时间历史曲线和凸起形貌演化图像，给出了凸起轮廓发展演化过程、压力分布等实验数据和信息。结合冲击波反射理论，对铅飞层对碰区动力学现象进行了分析和解释，证实铅飞层中斜冲击波对碰后发生了马赫反射。     

Wavelet spatial scaling for educing dynamic structures in turbulent open cavity flows

In this work a methodology was developed for the selection of wavelet spatial scales to educe dynamic structures in turbulent cavity flows. The wavelet transform was applied to both the temporal signal and spatial fields to extract structures from the oscillating shear layer. The dominant frequencies were identified from the temporal transform of the shear layer oscillations, and then the corresponding wavelength was obtained using the relation U_cT=λ at each frequency. The wavelet spatial scaling was examined and a one-to-one relationship was established with respect to the wavelength. At each spatial scale, the transformed images of vorticity, velocity, and pressure fluctuations captured the vortical structures. Using this methodology, the dynamic vortical structures were extracted from the turbulent open cavity flows. Energy analysis was performed to examine the contributions of each structure.     

Discrete element analysis of the mechanical properties of deep-sea methane hydrate-bearing soils considering interparticle bond thickness

Due to increasing global energy demands, research is being conducted on the mechanical properties of methane hydrate-bearing soils (MHBSs), from which methane hydrate (MH) will be explored. This paper presents a numerical approach to study the mechanical properties of MHBSs. The relationship between the level of MH saturation and the interparticle bond thickness is first obtained by analyzing the scanning electron microscope images of MHBS samples, in which is the bridge connecting the micromechanical behavior captured by the DEM with the macroscopic properties of MHBSs. A simplified thermal-hydromechanical (THM) bond model that considers the different bond thicknesses is then proposed to describe the contact behavior between the soil particles and those incorporated into the discrete element method (DEM). Finally, a series of biaxial compression tests are carried out with different MH saturations under different effective confining pressures to analyze the mechanical properties of deep-sea MHBSs. The results of the DEM numerical simulation are also compared with the findings from triaxial compression tests. The results show that the macromechanical properties of deep-sea MHBSs can be qualitatively captured by the proposed DEM. The shear strength, cohesion, and volumetric contraction of deep-sea MHBSs increase with increasing MH saturation, although its influence on the internal friction angle is obscure. The shear strength and volumetric contraction increase with increasing effective confining pressure. The peak shear strength and the dilation of MHBSs increase as the critical bond thickness increases, while the residual deviator stress largely remains the same at a larger axial strain. With increasing the axial strain, the percentage of broken bonds increases, along with the expansion of the shear band.     

平面可压基频涡卷非线性演化行为数值研究

采用高精度迎风/对称紧致混合差分算法,对可压自由剪切层转捩区中的几种典型展向大尺度涡作用型态进行了直接数值模拟,通过施加给定来流条件下的线性最不稳定黏性基频扰动及其亚谐扰动,以被动守恒标量技术给出了基频涡卷的饱和、撕裂、融合以及三涡对并等细节结构。分析显示,亚谐振动相差是促生基频涡卷不同非线性演化过程的重要因素之一,可对扰动量的发展变化,以及剪切层厚度和混合效率产生直接影响,计算结果同实验流动显示图像十分相似,表明了主导线性扰动的非线性耦合效应与一些实际涡作用行为间的内联系。     

非均质结构PBX炸药的动态压缩过程模拟

采用离散元方法,构建了考虑PBX炸药晶体颗粒与黏结剂非均匀性的计算模型,通过在炸药试样两端采用相向飞片加载、将原SHPB实验的应力边界替代为速度边界的方法,开展了PBX炸药的动态压缩数值模拟研究,再现了考虑PBX炸药非均质特性的SHPB实验过程,获得了不同加-卸载路径下炸药应力应变曲线以及相应的损伤破坏图像。模拟结果表明:在动态压缩过程中,虽然PBX炸药处于整体应力平衡,由于PBX高度非均质性,内部应力分布并不均匀,晶体间应力以应力桥形式传递;应力曲线为试样整体平均,试样内局部所受真实应力可能高于曲线峰值应力;出现卸载回滞曲线的试样发生局部损伤破坏,而完全软化曲线的试样发生整体失稳破坏。     

粘性土各向异性特性的PFC数值模拟

本文采用PFC^2D来建立能够反映粘性土微观结构的模型,对不同方向的切样分别进行剪切试验,得到不同方向上剪切的应力应变曲线、剪应变-体应变曲线,求得不同方向上的弹性模量、泊松比、体积模量和剪切模量4个参数,得到其变化规律。粘性土各个方向上剪切强度峰值强度基本沿竖直方向对称分布,呈现出由竖直方向到水平方向剪切的峰值强度由大到小的变化规律。     

Evaluation of steerable filter for detection of fibers in flowing suspensions

Steerable filters are concluded to be useful in order to determine the orientation of fibers captured in digital images. The fiber orientation is a key variable in the study of flowing fiber suspensions. Here, digital image analysis based on a filter within the class of steerable filters is evaluated for suitability of finding the position and orientation of fibers suspended in flowing suspensions. In sharp images with small noise levels, the steerable filter succeeds in determining the orientation of artificially generated fibers with well-defined angles. The influence of reduced image quality on the orientation has been quantified. The effect of unsharpness and noise is studied and the results show that the error in orientation is less than 1° for moderate levels. Images from two flow cases, one laminar shear flow and one turbulent, are also analyzed. The fiber orientation distribution is determined in the flow-vorticity plane. For the laminar case a comparison is made to a robust, but computationally more expensive, method involving convolutions with an oriented elliptic filter. A good agreement is found when comparing the resulting fiber orientation distributions obtained with the two methods. For the turbulent case, it is demonstrated that correct results are obtained and that the method can handle overlapping fibers.     

Experimental investigation of the interaction between a plane wall jet and a parallel offset jet

The dual-jet flow generated by a plane wall jet and a parallel offset jet at an offset ratio of d/w = 1.0 has been investigated using Particle Image Velocimetry (PIV). The particle images are captured, processed, and subsequently used to characterize the flow in terms of the 2D velocity and vorticity distributions. Statistical characteristics of the flow are obtained through ensemble averaging of 360 instantaneous velocity fields. Also presented is a time series of instantaneous flow fields to illustrate the dynamic interaction between the two jets. Results reveal that the near field of the flow is characterized by a periodic large-scale Karman-like vortex shedding similar to what would be expected in the wake of a bluff body. The existence of the Karman-like vortices results in periodic interactions between the two jets; in addition, these vortices produce noticeable impact on the jet outer layers, i.e., the free shear layer of the offset jet and the wall boundary layer of the wall jet. A schematic of vortex/shear layer interaction is proposed to illustrate the flow pattern.