基于数字图像的岩石类材料破裂过程分析方法研究

摘要

岩石与混凝土材料的破裂过程一直是力学、材料和工程等学科的研究热点和难点之一。研究岩石类材料的破裂过程,对于评价岩石工程的安全状态,了解岩土工程结构的稳定性及采取合理的支护措施,提高岩石和地下结构工程的设计水平,具有重要的理论意义和工程实用价值。
　　 岩石、混凝土类材料在破裂过程中表现出来的宏观力学行为的非线性,源于其细观结构的非均匀性。在基本相同的试验和加载条件下,试件的真实细观结构和内部各种细观介质的力学特性对试件的应力和变形响应起决定作用。因此,进一步研究能有效的测量岩石类材料内部各细观介质空间分布的方法,确定每种介质的本构关系和描述参数,并引入到数值模型中,这样能够更全面、更符合自然规律地研究和观测岩石类材料的力学性能和破坏规律。
　　 本文综合了数字图像处理理论、矢量化转化技术和有限元数值计算方法,并结合细观损伤力学理论和强度理论,建立了能比较真实的反映岩石类材料细观结构的破裂过程分析数值模型,并对岩石、混凝土材料细观结构对其断裂破坏力学行为的影响与相关问题进行了研究,主要研究工作总结为以下几个方面:
　　 1.分析岩石类材料数字图像在不同颜色空间表现出的图像特征,利用数字图像处理中的图像分割、边缘检测、图像识别等方法实现了对岩石类材料细观结构的数字图像表征。
　　 2.借助矢量转化技术,建立了数字图像表征的细观结构与有限元网格模型之间的映射关系;并结合细观损伤力学理论和强度理论,给出细观单元本构关系的损伤力学描述,建立能比较真实的反映材料细观结构的破裂过程分析数值模型。
　　 3.采用Visual C++语言,编制了岩石类图像的处理软件DIPS,实现了与有限元之间的模型数据接口,利用Fortan90编制了二维弹性有限元计算模块,并引入数字图像表征的材料非均匀性,在Microsoft Visual C++Studio环境下编制了基于数字图像的岩石类材料破裂过程分析系统RFPA2D-DIP。
　　 4.研究了花岗岩细观结构对其力学性能和破裂过程的影响,分析了强度和弹性模量对细观结构的敏感性,进一步揭示单轴压缩载荷作用下,花岗岩轴向劈裂破坏机理,从细观层次分析了花岗岩强度各向异性的产生机理和围压对花岗岩强度、变形和破断角的影响。
　　 5.利用边缘检测的数字图像处理方法表征混凝土中界面的形状和分布,并与多阈值分割表征骨料形状与分布方法相结合,实现了对混凝土三相复合细观结构的数字图像表征,研究了骨料的形状与分布对混凝土中应力的分布影响及对裂纹的萌生和扩展的影响。
　　 6.在一定的假设条件下,采用连续切片的方法,对材料实体每隔一定的厚度获取其切片图像,采用切片图像表征的细观结构叠加的方法,重建材料的三维细观结构,利用自主开发DIPS软件和岩石破裂分析RFPA3D,建立了比较能真实的反映材料细观结构的三维数值模型,并利用并行计算技术,进了初步应用,研究了界面对加载过程中裂纹扩展的影响。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 岩石类材料破裂过程研究的意义

1.1.2 基于数字图像的岩石类材料破裂过程分析方法

1.2 实验研究现状

1.2.1 全过程应力应变曲线

1.2.2 实验观测

1.2.3 声发射定位

1.2.4 红外热像

1.3 理论研究现状

1.3.1 断裂破坏理论

1.3.2 统计细观损伤理论

1.4 数值研究现状

1.5 基于数字图像的数值方法研究进展

1.4 本文研究思路和主要研究内容

第二章 非均匀性表征与图像处理软件开发

2.1 数字图像处理的基本概念

2.1.1 数字图像的基本图像类型

2.1.2 彩色空间

2.2 图像数字化获取

2.3 非均匀性表征

2.3.1 材料ID的确定

2.3.2 材料区域的表征

2.4 数字图像处理软件开发

2.4.1 DIPS的数据结构

2.4.2 DIPS图像处理流程

2.5 小结

第三章 基于数字图像的破裂过程分析数值模型

3.1 破坏问题的研究尺度

3.2 数值模型的基本思路

3.3 材料非均匀性的DIP表征与有限元网格的关系

3.3.1 根据比例关系的映射方法

3.3.2 位图矢量化方法

3.4 细观单元的本构关系

3.4.1 拉伸损伤演化方程

3.4.2 剪切损伤演化方程

3.5 有限元应力计算

3.5.1 单元的刚度矩阵

3.5.2 总体刚度矩阵的形成与应力计算

3.5.3 求解器

3.6 RFPA2D-DIP进行材料破坏模拟分析的流程

3.6.1 裂纹萌生扩展过程的模拟

3.6.2 声发射的数值模拟

3.7 数值模型的对比验证

3.7.1 平台巴西盘数值试验

3.7.2 平台中心角对抗拉强度测定的影响

3.8 小结

第四章 细观结构对花岗岩断裂破坏力学行为的影响

4.1 引言

4.2 单轴数值模拟试验

4.2.1 数字图像获取与非均匀性表征

4.2.2 数值模型

4.2.3 单轴压缩数值模拟试验

4.2.4 单轴直接拉伸数值模拟试验

4.3 有侧压数值模拟试验

4.4 各向异性

4.4.1 单轴抗压强度的各向异性

4.4.2 间接拉伸强度的各向异性

4.5 与统计模型比较

4.6 小结

第五章 数值模型在混凝土断裂破坏研究中的应用

5.1 引言

5.2 混凝土细观结构的数字图像表征

5.3 基于数字图像的混凝土数值模型

5.4 混凝土压缩数值模拟试验

5.4.1 试件细观结构与组分

5.4.2 数值模拟结果分析

5.5 界面性质对混凝土拉伸破坏的影响

5.5.1 对拉伸破坏过程的影响

5.5.2 对应力应变曲线与抗拉强度的影响

5.6 小结

第六章 基于数字图像的三维数值模型

6.1 引言

6.2 数值模型的建立

6.2.1 三维模型的基本思路

6.2.2 非均质材料“概念”模型

6.2.3 三维模型的数字图像处理

6.2.4 基于数字图像的三维数值模型

6.2.5 并行计算

6.3 算例

6.3.1 无界面

6.3.2 有界面

6.4 小结

第七章 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 工作展望

参考文献

致谢

发表论文情况

作者简介