基于DSCM-FEM的岩石力学参数反演研究
发布时间：2021-07-18 07:12
岩石力学参数是水利水电工程、交通工程和矿业工程等岩石力学理论分析和数值计算的基础数据,由于岩石为具有明显非均质特性材料,使得岩石工程分析中的力学参数选取存在困难性。针对非均质岩石材料的力学参数反演问题,论文以数字散斑相关方法实测得到的岩石变形场数据为基础,构建数字散斑相关方法与有限单元法相结合的岩石力学参数反演方法,通过花岗岩三点弯曲实验和红砂岩单轴压缩实验方法,开展岩石边界条件、弹性参数和损伤参数的反演研究工作,为岩石工程设计中力学参数选取提供参考。在边界条件反演方面,开展了红砂岩单轴压缩实验,使用数字散斑相关方法和有限元方法相结合,分析了试件在加载过程中的位移场,推导了单元刚度矩阵和参数反演方程组,计算得到了弹性参数未知和已知条件下试件上下端面的边界条件。在弹性参数反演方面,构建了数字散斑相关方法和有限元模型修正法结合的力学参数反演流程,开展了花岗岩三点弯曲实验,分析了试件加载过程中的应变场,建立了与实验对应的有限元数值模型并提取了模型应力场,构建了弹性参数反演目标函数,最终计算得到了与实验最接近的弹性参数。在损伤参数反演方面,基于上述构建的反演流程,使用数字散斑相关方法计算了试件...
【文章来源】：北方工业大学北京市
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
数字散斑相关方法原理图
第二章DSCM-FEM力学参数反演方法研究9图2-1数字散斑相关方法原理图在计算过程中，一般基于“灰度不变假设”，即同一点（,）在运动过程中的灰度I不变，可以表示为[63]：2(+,+)=1(,)（2-1）在公式（2-1）中，2为目标图像灰度值，1为参考图像灰度值，u、v分别表示点P在x、y方向的位移分量。使用相关系数表示相关性：()=∑[1()1][2((;))2]Λ[∑[1()1]2Λ∑[2((;))2]2Λ]12（2-2）在公式（2-2）中，(;)=+(;)为坐标函数，(,)为包含所有位移参数的向量。使用相关搜索算法和计算函数，计算P点的水平位移u和竖向位移v[64]，其中N为相关窗口的半长，即在散斑图像中框选红色的计算区域，在计算区域中以当前所计算的像素点为中心，以2N+1为边长的黄色矩形搜索区域为当前像素点的相关窗口，如图2-2所示。图2-2计算区域和相关窗口常用的一阶位移函数可以表示为：{=0+++=0+++（2-3）Q*uP参考图像ΔxΔyQvP*计算图像0yx相关窗口
第二章DSCM-FEM力学参数反演方法研究10在公式（2-3）中，（,）为点(0,0)到(,)的距离。数字散斑相关方法图像采集系统主要由电荷耦合元件图像传感器、冷光源和计算机三部分组成，其中，电荷耦合元件图像传感器又被称为CCD相机，系统的组成示意图如图2-3所示。图像分析系统为VIC-2D计算软件，测量装置和操作简单，数据处理便捷。实验开始前，将CCD相机固定在三脚架上，调整位置和角度使CCD相机保持水平，待试件在试验机上调试完成后，调整CCD相机的亮度、远近和焦距，使得散斑图像的单个像素轮廓放大后清晰可见，在采集系统中对保存路径和采集速率进行设定；在实验过程中，CCD相机始终保持固定，对试件的散斑变形图像进行采集，每秒钟采集的图像数量保持不变，直到试件发生损坏，停止采集图像，对采集到的图像保存整理；实验结束后，使用数字散斑相关方法计算软件分析散斑图像中各个像素点的运动，计算得到的位移即为试件加载过程中的相对位移。图2-3实验系统示意图在每张拍摄的散斑图像中，数字散斑相关方法将图像转化为一个个具体数值，这些数值的最小单位是像素，在长度向像素转化的过程中，一个像素的实际长度称为物面分辨率，每次拍摄的图像物面分辨率不同，由CCD相机的远近、焦距等参数决定[65]。数字散斑相关方法使用相关搜索算法进行计算时，其精度范围为像素量级，而在常规的实验中，测量精度的要求一般比像素量级还要高，还需要对像素的下一个量级——亚像素进行计算，从而满足实验的精度要求[66-68]，一般的计算思路为使用相关算法进行插值，计算对象为灰度值或相关系数，以此来得到亚像素散斑图像[69]，使用数字散斑相关方法拍摄的质量较好的散斑图像中，进行亚像素量级的计算，位移测量精度可以进一步达到像素量级的1%?
【参考文献】：
期刊论文
[1]单轴荷载下大理岩声发射时空演化特征研究[J]. 董志凯,李浩然,欧阳作林,杨起帆,刘博. 地下空间与工程学报. 2019(S2)
[2]循环加卸载下花岗岩非均匀变形演化的声发射特征试验研究[J]. 杨小彬,韩心星,刘恩来,张子鹏,王逍遥. 岩土力学. 2018(08)
[3]单轴循环加卸载岩石非均匀变形演化特征[J]. 杨小彬,韩心星,刘恩来,张子鹏,汪腾蛟,张立辉. 煤炭学报. 2018(02)
[4]红砂岩变形演化及声发射主频特征实验研究[J]. 宋义敏,邢同振,赵泽鑫,邓琳琳. 煤炭学报. 2017(S2)
[5]岩石单轴压缩变形场演化的声发射特征研究[J]. 宋义敏,邢同振,赵同彬,赵泽鑫,高平波. 岩石力学与工程学报. 2017(03)
[6]结合DIC技术的车用复合材料参数反演方法[J]. 杨思满,姜潮,倪冰雨. 机械科学与技术. 2016(12)
[7]岩石弹性模量的试验研究[J]. 麻江峰. 山西水利科技. 2016(04)
[8]岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型研究（Ⅱ）:参数反演及数值模拟[J]. 王军祥,姜谙男,宋战平. 岩土力学. 2015(12)
[9]基于隧洞超前地质探测和地应力场反演的岩爆预测研究[J]. 邱道宏,李术才,张乐文,崔伟,苏茂鑫,谢富东. 岩土力学. 2015(07)
[10]基于Hooke-Jeeves算法的挠性粘接件的高效内聚反演分析[J]. 周清春,鞠玉涛,周长省. 工程力学. 2015(04)
硕士论文
[1]岩石摩擦滑动失稳机制及声发射演化特征研究[D]. 邓琳琳.北方工业大学 2019
[2]岩石细观损伤可视化系统开发及孔裂隙结构演化规律研究[D]. 张洁莹.太原理工大学 2019
[3]变形特征分析中散斑测量数据的处理与开发[D]. 刘燕琪.东华理工大学 2017
[4]数字图像相关方法在应变测量中的应用研究[D]. 张睿诚.重庆大学 2017
[5]弹性力学边界条件反演问题的有限元方法[D]. 陈亮.合肥工业大学 2014
[6]率相关粘接结构的界面力学性能研究[D]. 卓振芳.福州大学 2011
[7]岩体地应力场的一种非线性反演新方法研究[D]. 袁风波.中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所） 2007
[8]基于ANSYS和小波神经网络的初始地应力场反演及围岩流变分析[D]. 黄亚哲.河海大学 2007
本文编号：3289106
【文章来源】：北方工业大学北京市
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
数字散斑相关方法原理图
第二章DSCM-FEM力学参数反演方法研究9图2-1数字散斑相关方法原理图在计算过程中，一般基于“灰度不变假设”，即同一点（,）在运动过程中的灰度I不变，可以表示为[63]：2(+,+)=1(,)（2-1）在公式（2-1）中，2为目标图像灰度值，1为参考图像灰度值，u、v分别表示点P在x、y方向的位移分量。使用相关系数表示相关性：()=∑[1()1][2((;))2]Λ[∑[1()1]2Λ∑[2((;))2]2Λ]12（2-2）在公式（2-2）中，(;)=+(;)为坐标函数，(,)为包含所有位移参数的向量。使用相关搜索算法和计算函数，计算P点的水平位移u和竖向位移v[64]，其中N为相关窗口的半长，即在散斑图像中框选红色的计算区域，在计算区域中以当前所计算的像素点为中心，以2N+1为边长的黄色矩形搜索区域为当前像素点的相关窗口，如图2-2所示。图2-2计算区域和相关窗口常用的一阶位移函数可以表示为：{=0+++=0+++（2-3）Q*uP参考图像ΔxΔyQvP*计算图像0yx相关窗口
第二章DSCM-FEM力学参数反演方法研究10在公式（2-3）中，（,）为点(0,0)到(,)的距离。数字散斑相关方法图像采集系统主要由电荷耦合元件图像传感器、冷光源和计算机三部分组成，其中，电荷耦合元件图像传感器又被称为CCD相机，系统的组成示意图如图2-3所示。图像分析系统为VIC-2D计算软件，测量装置和操作简单，数据处理便捷。实验开始前，将CCD相机固定在三脚架上，调整位置和角度使CCD相机保持水平，待试件在试验机上调试完成后，调整CCD相机的亮度、远近和焦距，使得散斑图像的单个像素轮廓放大后清晰可见，在采集系统中对保存路径和采集速率进行设定；在实验过程中，CCD相机始终保持固定，对试件的散斑变形图像进行采集，每秒钟采集的图像数量保持不变，直到试件发生损坏，停止采集图像，对采集到的图像保存整理；实验结束后，使用数字散斑相关方法计算软件分析散斑图像中各个像素点的运动，计算得到的位移即为试件加载过程中的相对位移。图2-3实验系统示意图在每张拍摄的散斑图像中，数字散斑相关方法将图像转化为一个个具体数值，这些数值的最小单位是像素，在长度向像素转化的过程中，一个像素的实际长度称为物面分辨率，每次拍摄的图像物面分辨率不同，由CCD相机的远近、焦距等参数决定[65]。数字散斑相关方法使用相关搜索算法进行计算时，其精度范围为像素量级，而在常规的实验中，测量精度的要求一般比像素量级还要高，还需要对像素的下一个量级——亚像素进行计算，从而满足实验的精度要求[66-68]，一般的计算思路为使用相关算法进行插值，计算对象为灰度值或相关系数，以此来得到亚像素散斑图像[69]，使用数字散斑相关方法拍摄的质量较好的散斑图像中，进行亚像素量级的计算，位移测量精度可以进一步达到像素量级的1%?
【参考文献】：
期刊论文
[1]单轴荷载下大理岩声发射时空演化特征研究[J]. 董志凯,李浩然,欧阳作林,杨起帆,刘博. 地下空间与工程学报. 2019(S2)
[2]循环加卸载下花岗岩非均匀变形演化的声发射特征试验研究[J]. 杨小彬,韩心星,刘恩来,张子鹏,王逍遥. 岩土力学. 2018(08)
[3]单轴循环加卸载岩石非均匀变形演化特征[J]. 杨小彬,韩心星,刘恩来,张子鹏,汪腾蛟,张立辉. 煤炭学报. 2018(02)
[4]红砂岩变形演化及声发射主频特征实验研究[J]. 宋义敏,邢同振,赵泽鑫,邓琳琳. 煤炭学报. 2017(S2)
[5]岩石单轴压缩变形场演化的声发射特征研究[J]. 宋义敏,邢同振,赵同彬,赵泽鑫,高平波. 岩石力学与工程学报. 2017(03)
[6]结合DIC技术的车用复合材料参数反演方法[J]. 杨思满,姜潮,倪冰雨. 机械科学与技术. 2016(12)
[7]岩石弹性模量的试验研究[J]. 麻江峰. 山西水利科技. 2016(04)
[8]岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型研究（Ⅱ）:参数反演及数值模拟[J]. 王军祥,姜谙男,宋战平. 岩土力学. 2015(12)
[9]基于隧洞超前地质探测和地应力场反演的岩爆预测研究[J]. 邱道宏,李术才,张乐文,崔伟,苏茂鑫,谢富东. 岩土力学. 2015(07)
[10]基于Hooke-Jeeves算法的挠性粘接件的高效内聚反演分析[J]. 周清春,鞠玉涛,周长省. 工程力学. 2015(04)
硕士论文
[1]岩石摩擦滑动失稳机制及声发射演化特征研究[D]. 邓琳琳.北方工业大学 2019
[2]岩石细观损伤可视化系统开发及孔裂隙结构演化规律研究[D]. 张洁莹.太原理工大学 2019
[3]变形特征分析中散斑测量数据的处理与开发[D]. 刘燕琪.东华理工大学 2017
[4]数字图像相关方法在应变测量中的应用研究[D]. 张睿诚.重庆大学 2017
[5]弹性力学边界条件反演问题的有限元方法[D]. 陈亮.合肥工业大学 2014
[6]率相关粘接结构的界面力学性能研究[D]. 卓振芳.福州大学 2011
[7]岩体地应力场的一种非线性反演新方法研究[D]. 袁风波.中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所） 2007
[8]基于ANSYS和小波神经网络的初始地应力场反演及围岩流变分析[D]. 黄亚哲.河海大学 2007
本文编号：3289106
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