基于测点优化的亚像素数字图像相关方法

鉴于传统数字图像相关（DIC）方法采用的布点方式（水平成行,垂直成列）很可能会将一些测点分布在散斑质量较差的位置,提出了一种基于测点优化、Newton-Raphson（N-R）迭代与粒子群优化（PSO）算法的DIC方法。首先,通过在原始测点周围寻找散斑质量较好的区域来优化测点位置;然后,采用基于N-R迭代与PSO的粗细搜索方法计算优化后（非均匀分布）测点的位移场;最后,采用二维格林样条插值算法对该位移场进行插值以获得原始测点处的位移场,再由中心差分方法获得应变场。对3幅散斑质量差别较大的散斑图上的测点进行了优化,并将传统方法和提出方法获得的应变的各种结果进行了比较。研究发现,当样本子区尺寸在21~41 pixel之间时,对于平均灰度梯度处于10~20 pixel-3,且预加应变量处于0.01~0.05之间的散斑图,采用该方法可以获得较好的测量结果,这与优化测点位置有关。若采用该方法仅对原始测点中分布在散斑质量较差位置处的那些测点进行优化,有望获得更为理想的测量结果。     

考虑一阶和二阶位移梯度的数字图像相关方法在剪切带测量中的比较

当剪切带中存在二阶位移梯度或应变梯度时,研究了两种数字图像相关(DIC)方法在测量位移、应变及应变梯度中的表现。以基于梯度塑性理论的剪切带的位移解作为基础,通过Matlab仿射变换制作了具有不同平均剪切应变和应变梯度的虚拟剪切带。通过对其计算和分析得到了下列结果:当剪切带的平均剪切应变和应变梯度较高时,与只考虑一阶位移梯度的DIC方法相比,考虑二阶位移梯度的DIC方法优势明显,获得的位移、应变及应变梯度结果与理论解比较吻合,由于DIC方法测量的是平均应变,因此,剪切带中心的峰值应变将被低估;当剪切带的平均剪切应变和应变梯度较低时,剪切带中心的峰值应变可能被高估,受标准偏差的影响,考虑二阶位移梯度的DIC方法没有优势。基于上述研究结果,在单向压缩应力控制加载条件下,对砂样从开始加载至宏观裂纹出现之前变形过程中的3种应变场的4种结果进行了分析。由于应变不超过0.25,因而考虑二阶位移梯度的DIC方法的结果并无优势。     

煤体破坏过程感应电荷再认识与井下应用实践

为发展和完善煤岩动力破坏感应电荷监测技术及理论,以单轴压缩试验为基础,再认识了煤体破坏过程感应电荷变化规律与主控因素,提出了带电煤屑弹射过程的感应电荷产生机理;分析了感应电荷及其干扰信号的频域特征与影响要素,研究了感应电荷与煤体应力、应变能与变形破坏之间的定性关系,建立了受载煤体与感应电荷信号的损伤统计关系,分析了感应电荷与煤体能量的演化特征,进而提出了煤体应力与感应电荷的量化关系;研发了适用于井下复杂条件下煤岩电荷监测装备,在辽宁红阳三矿与河南平顶山十一矿开展了应用实践,分析了感应电荷与煤岩动力破坏、超前支承压力及巷道变形的相关性。结果表明：高幅值感应电荷信号产生的主因不是煤体的压电效应,而是煤体裂纹扩展、破裂面滑移摩擦与带电煤屑弹射的综合作用,特别是带电煤屑弹射到传感器时,感应电荷信号幅值将会突增;感应电荷信号以低频为主,干扰信号主频与外部供电网络谐波频率一致,但不同煤体的感应电荷信号主频分布范围存在差异;感应电荷强度与应力大小关系非直接相关,与应力非线性变化程度直接相关,特别是与应力降幅度呈正相关关系;感应电荷强度可直接反映煤体破坏程度,也可通过分析外载环境以及感应电荷信号和煤体...     

基于梯度塑性理论的岩样峰后变形特征研究

提出了单轴压缩的岩样在受到剪切破坏条件下的全部变形特征,即轴向、侧向、环向、体积应变及峰后泊松比的解析式。弹性应变采用虎克定律描述;塑性应变依赖于局部化带尺寸,由梯度塑性理论确定。在弹性及应变软化阶段,由于分别采用了线弹性及线性应变软化的本构关系,轴向应力-轴向应变曲线、轴向应力-侧向应变曲线、轴向应力-体积应变曲线及轴向应变-体积应变曲线都具有双线性特征。然而,在软化阶段,轴向应力-峰后泊松比曲线却是非线性的;峰后泊松比是变化的,可能超过0.5,这与泊松比不同。由轴向应变及侧向应变计算得到的体积应变依赖于试样的几何尺寸,因此,在软化阶段,轴向应力-体积应变曲线的斜率并非材料本构参数。以往的力学模型很难采用解析式描述全部变形特征,这充分体现了这里所采用力学模型的优越性。     

加载速度对随机缺陷岩样破坏过程的影响

在单轴平面应变压缩条件下,采用FLAC模拟加载速度对具有随机材料缺陷岩样破坏过程的影响.采用编写的FISH函数规定随机缺陷及统计发生破坏的单元数.密实岩石服从莫尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为.缺陷破坏之后经历理想塑性行为.随着加载速度的提高,强度及其对应的应变提高,峰后应力-变形曲线变得平缓.在加载过程中,每10个时步内破坏单元数-轴向应变曲线中存在破坏单元数有显著增加的3个区段.随着加载速度的提高,该曲线的区段2及3变得开阔,区段2的峰值降低,区段3的峰值提高.在初始加载阶段和缺陷全部破坏之前,加载速度较高时的破坏单元总数-轴向应变曲线比较平缓,这是由于加载速度较高时试样内部的裂隙传播和应力转移不充分,当应变小于一定值时,在应变相同时,破坏单元数较少.破坏单元总数-应变曲线表明,随着加载速度的提高,试样最终遭受到更严重的破坏.     

基于剪切应变梯度塑性理论的断层岩爆失稳判据

应用应变梯度塑性理论及能量准则，提出了断层岩爆的失稳判据的解析解。断层带被视为一维剪切问题，断层带尺寸由岩石内部长度确定。断层带的一半及带外一侧的弹性岩石被视为一个系统。得到了依赖于断层带尺寸的断层带的耗散势能及峰后刚度表达式。应用能量准则，得到了断层带-围岩系统的失稳判据，它不仅与岩石材料的本构参数有关，也与岩石结构的几何尺寸有关，说明系统的稳定性具有尺寸效应。断层岩爆失稳判据与矿柱岩爆失稳判据具有类似性。目前的断层岩爆失稳判据的优越性在于：断层带的宽度、断层带的耗散势能、峰后刚度及失稳判据等都可以解析表示；而且，断层带内部具有不均匀的(塑性)剪切应变，这一点与有关的实际观测结果相符合。     

ANALYSIS OF SIZE EFFECT，SHEAR DEFORMATION AND DILATION IN DIRECT SHEAR TEST BASED ON GRADIENT- DEPENDENT PLASTICITY

1 INTRODUCTION The direct shear test is a widely used soil or rock test that provides essential design data in stability analysis of slope,foundation and rockburst and so on. The test is inevitably subject to criticisms because of the non-uniformity of stress and strains,which may facilitate the occurrence of progressive failure along the potential shear plane[1]. However,the test is the standard method for the measurement of plane strain strength parameters. To obtain a full understan…     

软化模量对岩样全部变形特征的影响

采用FLAC内嵌语言编制了计算平面应变压缩岩样轴向、侧向、体积应变及泊松比的FISH函数。研究了软化模量对剪切带图案及岩样全部变形特征的影响。在峰值强度之前及之后,岩石的本构模型分别为线弹性模型及莫尔–库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。结果表明,随着软化模量(脆性)的增加,剪切带倾角由Arthur向Coulomb倾角转变,Coulomb、Roscoe及Arthur理论对此不能解释,可能是未考虑渐进破坏;剪切带宽度降低,这可采用基于梯度塑性理论且考虑剪胀的剪切带宽度的公式予以定性的解释;岩样可以达到的最小体积增加;岩样失稳破坏的前兆越来越明显;峰后的轴向应力–轴向应变曲线、轴向应力–侧向应变曲线、侧向应变–轴向应变曲线、泊松比–轴向应变曲线及体积应变–轴向应变曲线均有稍微变陡峭的趋势,可采用基于梯度塑性理论的单轴压缩岩样受到剪切破坏时的解析解对前2种曲线的数值解的合理性进行定性的解释。     

岩样单轴拉伸损伤不均匀性分析——第一部分：基本理论

研究了损伤变量(率)的局部化特征。基于非局部理论，将损伤变量作为非局部变量，它与局部损伤变量及其二阶梯度有关。岩石的本构关系取为双线性应变软化。利用弹性区与损伤局部化区域交界处的交界条件(局部损伤变量为零)及损伤局部化区域的宽度为局部损伤变量达到最大值时所对应的宽度的假设，得到了应变软化阶段局部损伤变量、局部损伤变量率及损伤局部化区域的宽度的解析解。此外，在应变软化阶段，拉应力、拉应变及非局部损伤变量的关系与经典损伤模型在应变软化阶段的定义方式不相同，其差别在于非局部损伤变量前的系数是2而不是l。这样定义的优越性是可以保证局部损伤变量的最大值为l，意味着在损伤局部化区域的中部试样完全被拉断，与人们的常识相符。局部损伤变量在损伤局部化区域的平均值就是非局部损伤变量，而且，最大局部损伤变量是平均损伤变量的2倍。