DCM 相位梯度提取技术在光力学图像信息识别中的应用

为解决相位去包裹对光力学图像处理的影响问题,本文将一种直接从数字编码傅立叶变换或相移条纹图中逐相素提取相位梯度的方法应用于光力学图像信息识别中。该方法是一个广泛应用于光纤传感器中的微分正交乘法器(DCM)的正、余弦相位检波技术。这一技术算法简单,不需计算反正切,不受相位去包裹方法标准的限制,非常适于应用在以相位梯度作为最终所需识别的信息的光力学图像处理中。本文以载波等达因条纹图应力场计算及四幅图相移等达因法求板的接触应力为例,对该技术在光力学图像信息识别中的应用进行了论证。     

基于G2值法的二维光弹颗粒体系力链研究

力链是颗粒体系研究中的重要概念，是微观现象的集中体现，对宏观颗粒物质体系起着重要作用。采用光弹方法对受竖向荷载作用的混合直径颗粒体系进行加压实验，结合数字图像处理技术和G²值法(彩色梯度均方值算法),分析了颗粒体系在竖向荷载作用下几何结构的变化以及接触力、力链网络的分布情况。首先通过数字图像处理技术统计出颗粒体系在不同竖向荷载作用下的接触向量角度分布情况，发现其集中分布区间只是在区间分布频率上出现小幅波动，竖向荷载的增大并不会对整体分布产生影响。然后通过G²值法求出了颗粒体系的G²值，并对单个颗粒的G²值和平均接触力F的关系进行了拟合，结果表明，光弹颗粒的G²值随着F的增大而增大，接触点少的颗粒G²值反而偏大。接着通过拟合公式计算出单个颗粒的接触力，根据其与平均接触力的比值频率统计结果画出接触力频率分布曲线，从曲线结果来看，竖向荷载的增大能够让颗粒体系中直径较小的颗粒接触力更加接近平均接触力，分布更加统一；直径较大的颗粒能够支撑起更多的荷载并接触到更多其他...     

凹形多面体离散单元的水平集函数接触算法

多面体模型理论上可构造任意颗粒形态,然而受单元接触算法的限制,仅用于凸形颗粒材料的离散元模拟。对于具有凹形特征的多面体单元,单个接触点的搜索算法难以精确计算单元间的作用力。考虑多面体单元间存在单个或多个接触点的计算特性,本文发展了适用于凸形和凹形多面体颗粒材料的水平集函数接触算法。该方法通过点-三角形单元距离计算方法和奇-偶数判定方法建立多面体单元的零水平集函数和空间水平集函数,并对水平集函数进行三线性插值,可得到多面体单元间的单个或多个接触点。为检验水平集函数接触算法的可靠性,对球形和凹形多面体颗粒材料的堆积和倒塌过程进行离散元模拟,并分析颗粒形状对堆积密度和休止角的影响规律。     

渐开线齿轮接触应力测量实验方法研究

采用光弹性三维剪应力差法对接触应力进行了研究.根据相似原理将模型在载荷作用下进行应力冻结;通过模型切片及分析对渐开线齿轮接触应力进行测量,并采用赫兹接触理论和有限元方法分析渐开线齿轮的接触应力.试验结果表明,接触正应力小于Hertz接触理论解及有限元计算结果.因接触点的应力梯度很大,剪应力差法受网格密度的制约,均化了接触点的实际应力梯度.但是,其误差仍在合理范围内,完全可以满足工程需要.试验测量值与赫兹接触应力理论值及有限元结果的比较表明,该方法是合理可行的.     

基于DIC的颗粒间接触力计算及力链分析

首次利用数字图像相关方法(Digital Image Correlation method,DIC),依据牛顿力学理论和颗粒线性动量平衡,分析了集中力作用下的二维钢珠颗粒体系,定量地获得了颗粒间接触力。采用CCD相机进行观测并采集了集中力作用下钢珠颗粒体系的变形图像;利用数字图像相关方法对采集的序列图像进行处理,获得了全场位移及应变,并根据胡克定律求得全场应力。对每个颗粒面积区域内各点应力值求和并取平均,获得各个颗粒的平均应力。对采集的数字图像进行图像分析,得到各个颗粒及接触点的排列结构。以颗粒平均应力和颗粒的排列结构作为初始条件,根据牛顿力学理论和颗粒线性动量平衡,最终获取了颗粒间接触力的大小和方向,实现了真实颗粒体系接触力的定量计算。另外从受力方面对集中力作用下颗粒体系内部力链的发展与演变进行了分析。研究结果表明:力链起源于加载位置,随着外荷载的部分耗散,颗粒间接触力逐渐发生变化,力链向四周扩展而形成力链网络。通过对不同压入深度颗粒间接触力变化和分布的分析,定量地描述了加载过程中颗粒间的滚动或滑动引起的力链断裂和重构的现象。     

基于移动时间窗和时空窗主成分分析组合特征的损伤识别方法

近年来，机器学习算法在结构损伤识别领域得到了广泛应用。已有研究表明，设计良好的输入特征能够适应多种算法，从而减少调参时间和计算成本，并提高算法的识别准确率。本文引入移动主成分分析和时空窗主成分分析方法提取损伤敏感的特征组合作为机器学习输入，使用双跨平面梁有限元模型生成的模拟应变数据对组合特征的损伤识别效果进行验证。结果表明，良好的特征向量组合对损伤更加敏感，不仅有助于识别在传感器周围发生的损伤，而且能有效地定位结构边缘和远离传感器位置处的损伤，从而提高算法的损伤识别效果。此外，多种噪声强度下的实验表明，组合特征具有良好的鲁棒性，能较好地适应外界环境的变化。     

关于几种新的极分解计算方法

对变形梯度极分解的计算方法进行了分析,给出极分解计算的四种新方法：（１）增量叠加法;（２）基于伸长张量不变量（近似）计算法;（３）确定主转动轴计算法;（４）坐标变换法．增量叠加极分解计算方法将为建立以伸长张量为应变度量的大变形大转动有限元分析方法提供基础．本文还给出了伸长张量物质时间导数的简洁表达式     

水表面波微振幅测量

采用一种非接触光学方法——Fourier变换光栅法，对受外激励的连续变化的水表面波进行实验测量，获得变形光栅图像，通过对变形光栅图像进行反演计算，获得连续变化的水表面波振幅，是定量测量变化快的非定常运动的微幅波的一种全场测量手段。     

考虑等效曲率的超二次曲面单元非线性接触模型

基于连续函数包络的超二次曲面单元可有效地描述自然界和工业生产中的非球体颗粒形态, 并通过非线性迭代方法精确计算单元间的接触力. 对于具有复杂几何形态的超二次曲面单元, 线性接触模型不能准确地计算不同接触模式下的作用力. 考虑超二次曲面单元相互作用时不同颗粒形状及表面曲率的影响, 本文发展了相应的非线性黏弹性接触模型. 该模型将不同接触模式下的法向刚度和黏滞力统一表述为单元间局部接触点处等效曲率半径的函数; 切向接触作用则借鉴基于Mohr-Coulomb摩擦定律的球体单元非线性接触模型的计算方法. 为检验超二次曲面单元接触模型的可靠性, 对球形颗粒间的法向碰撞、椭球体颗粒间的斜冲击过程、圆柱体的静态堆积和椭球体的动态卸料过程进行离散元模拟, 并与有限元数值结果及试验结果进行对比验证. 计算表明, 考虑接触点处等效曲率半径的超二次曲面非线性接触模型可准确地计算单元间的接触碰撞作用, 并合理地反映非球形颗粒体系的运动规律. 在此基础上进一步分析了不同长宽比和表面尖锐度对卸料过程中颗粒流动特性的影响, 为非球形颗粒材料的流动特性分析提供了一种有效的离散元方法.      

基于块体离散元法的多面体接触重叠算法

近年来随着非连续介质力学方法的发展,离散元法成为了颗粒材料的物理力学特性研究的重要工具。而对于任意形状复杂块体,精确的接触检测算法一直是离散元法的难题之一。本文基于几何对偶理论,在耦合模拟器CoSim (Coupling Simulator)的块体离散元框架下开发了多面体接触重叠算法。该算法融合了GJK (Gilbert-Johnson-Keerthi)和快速凸包等算法,能够准确计算重叠多面体,进而从接触重叠体中提取接触点、法线方向、接触面积和嵌入深度等接触特性。通过颗粒碰撞测试和砌体结构破坏试验,验证了该算法的准确性和适用性,能够解决多面体的接触问题。     

Contact forces in anisotropic frictional granular materials

The probability density functions (PDFs) of contact forces in anisotropic, cohesionless and frictional granular materials are studied numerically and theoretically. Using discrete element simulations of biaxial deformation of a large two-dimensional assembly consisting of 200,000 disks, it is observed that the PDFs for the normal and tangential components of the contact forces depend significantly on contact orientation. The PDFs exhibit exponential decay and the PDF for the tangential component of the contact forces is not always symmetrical with respect to zero tangential force. The shape of the PDF for the normal component of the contact forces changes with shear strain. A qualitative explanation for this change is given that is related to the biaxial deformation mechanism in which the disrupted contacts are predominantly oriented in the direction of the minor principle stress.A maximum entropy method is employed to study these PDFs theoretically, using a prescribed stress tensor as constraint. It is found that the theoretical results correspond qualitatively to many of the results obtained from the discrete element simulations. Discrepancies between theory and simulations are attributed to the fact that the kinematics have not been taken into account in the theory.     

二维小接触问题的焦散线分析

本文是以一组聚碳酸脂园盘试件,用焦散线法对小接触问题所进行的一系列实验分析,其中包括一个滚柱轴承的模拟分析,定量地得到了接触面宽度和面上的应力。对小接触奇异应力场给出可靠的定量结果,这是其他实验力学手段目前难以解决的。此外,本文的实验分析结果也与理论计算相当一致。     

Experimental investigation of wave velocity and dynamic contact stresses in an assembly of disks

Dynamic photoelasticity and strain-gage techniques are employed to study wave propagation and dynamic load transfer in granular media. The granular medium is modeled as one- and two-dimensional deterministic and random arrays of circular disks of polyester material Homalite 100. The dynamic loading is achieved by explosive excitation. The experimental data are analyzed to determine the wave velocities, to identify the characteristic load transfer paths, and to quantitatively obtain the dynamic contact forces in the granular assembly. It is observed that the wave-propagation and dynamic-load-transfer phenomenon depends on the disk diameter and the obliqueness and flexibility of the load-transfer paths. The wave speed drops significantly in the first few granules after which the decay is more gradual. The load transter is characterized by the contact length and the friction between the contacting granules. The peak loads drop as the distance of the contact points from the point of explosive loading increases. For two-dimensional wave propagation, the load-transfer paths and the magnitude of contacting forces depend on the angles made by the normals of the contacting disks at the contact point.     

磁头/磁盘滑动接触下磁盘温度及热退磁临界条件的研究

采用二维轴对称有限元模型计算磁头/磁盘滑动接触下,铝质磁盘的稳态温度和热应力场以及热退磁临界条件.结果表明:磁盘温度在极短时间内升至摩擦稳态值,然后缓慢线性升高到最终稳态值;经过充分热传导和热交换后磁盘的温度梯度较小,此时磁层内的热应力集中分布于磁盘固定端边缘附近;磁盘的稳态温度和热应力均随速度增大而增大,且载荷越大其值增大越快;热应力小于1.2 GPa时所对应的速度和载荷为安全工况;温升大于373 K时所对应的工况将导致磁盘退磁.     

Contact laws between solid particles

This paper presents a comprehensive study for the contact laws between solid particles taking into account the effects of plasticity, strain hardening and very large deformation. The study takes advantage of the development of a so-called material point method (MPM) which requires neither remeshing for large deformation problems, nor iterative schemes to satisfy the contact boundary conditions. The numerical results show that the contact law is sensitive to impact velocity and material properties. The contact laws currently used in the discrete element simulations often ignore these factors and are therefore over-simplistic. For spherical particles made of elastic perfectly plastic material, the study shows that the contact law can be fully determined by knowing the relative impact velocity and the ratio between the effective elastic modulus and yield stress. For particles with strain hardening, the study shows that it is difficult to develop an analytical contact law. The same difficulty exists when dealing with particles of irregular shapes or made of heterogeneous materials. The problem can be overcome by using numerical contact laws which can be easily obtained using the material point method.     

Inter-contact force analysis of impacted disk assembly by dynamic caustics

The caustic method was utilized to study the contact force transmission in disk assemblies under impact load. The mapping equations were obtained based on the first invariant of the stress components in the disk subject to a normal concentrated force, and a characteristic dimension of the maximum size in the caustic curve was proposed to evaluate the contact force between the disks. Transient patterns of the caustic shadows were recorded by means of a high-speed camera of off-focus imaging, then the histories of the inter-contact forces among the disks were obtained with respect to the conditions of different masses and heights of the falling hammers. The influence of the impact loading and impulsive velocity was analyzed with respect to the force responses of the disk assembly, the double-peak phenomenon with comparison to the initial masses, and the energy dissipation of the systems under impact of different momentums. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10125211)     

三维摩擦接触问题不动点算法

三维摩擦接触问题具有多重非线性性质,使求解变得比较困难,为了解决此问题,建立了三维摩擦接触问题的模型,介绍了一种非光滑混合不动点算法.该算法克服了在接触面上由于可能的滑动状态有无穷多个而难以确定的难点,算法未引入人工变量,计算量较小,计算结果精确满足接触状态条件,收敛性得到保证.根据此算法编制程序,将叠合悬臂梁算例数值计算结果与商用有限元软件进行比较,也表明了不动点算法的有效性.     

基于变形场测量数据主元压缩的模型参量反求方法

利用主元分析法对数字图像相关技术所测结构变形信息进行数据压缩,并进一步用于力学模型未知参量的反求计算。首先,为降低数字图像相关技术所测庞大数据的应用成本,提出利用主元分析法对结构表面变形场数据进行压缩,实现在保留结构表面变形信息主要特征的前提下显著降低数据量的目的;其次,针对压缩后的数据建立了基于最小二乘法的力学模型参量反求模型,并利用高斯牛顿法进行求解;最后,以具体算例从计算精度、收敛速度和抗噪性等方面验证了数据压缩对模型参量反求的效果。研究结果表明,所提方法在显著降低使用数据量的前提下,能够有效提高力学模型参量反求计算的收敛速度,特别是对于包含多个模型参数的反求问题,具有较高的精度和较好的稳定性。     

有限长滚子黏滑接触分析

有限长线接触在齿轮传动与滚子轴承中广泛存在,滚子端部的应力集中严重影响机械零件的疲劳寿命. 本文中基于矩阵法和重叠半空间模型方法建立了有限长滚子黏滑接触的数值计算模型,利用共轭梯度法和快速傅里叶变换方法对模型进行了求解;并且分析了滚子自由端面和不同切向力对滚子黏滑接触的影响. 结果表明:当两有限长滚子的自由端面完全重合时,切应力在端面不会出现应力集中现象,端面的黏着区域相比于中间截面的黏着区会缩小. 此外,随着切向力的增大,端面黏滑区域的切应力增大.      

随机并行梯度下降图像匹配方法

基于灰度的图像匹配方法具有匹配精度高等优点, 但在实时性方面还存在不足。本文提出一种基于随机并行梯度下降优化算法的快速图像匹配方法,该方法同时对匹配图像间所有的变形参数施加相互统计独立的随机扰动, 然后计算扰动前后待匹配图像间性能评价函数的改变量, 并用这一改变量对变形参数进行更新, 进行迭代运算, 最终实现快速的最优变形参数估计及图像匹配。将SPGD匹配方法用于对仿真和真实的图像序列中的目标进行跟踪,均证明了该匹配方法能进行正常匹配, 匹配精度和最小二乘方法相当, 但速度要较最小二乘匹配方法快。