基于CT图像和改进的差分盒维数法的混凝土细观损伤研究

摘要

通过混凝土CT图像可以直观地看出混凝土细观损伤状态，但是如何定量描述其损伤状态，目前还未找到公认、合理的方法。混凝土细观损伤裂缝的结构、分布和演化过程都表现出强烈的分形特征。本文采用分形方法来描述混凝土损伤过程，并用混凝土损伤区域的分维值D来定量描述其内部损伤演化行为，对建立混凝土损伤本构关系具有重要意义。
　　本文的主要研究内容总结如下：
　　（1）通过CT扫描获得了混凝土试件在单轴拉压条件下各个断面不同应力阶段的CT图像。利用CT图像的二值化处理，描述了混凝土的裂纹萌生、开裂、贯通和破损的全过程。通过对混凝土损伤演化过程的分析，发现混凝土CT图像中微裂纹的分布形态具有很强的分形特征。
　　（2）详细介绍了分形维数的各种计算方法并对其适用条件进行了讨论，用差分盒维数法计算得到的分形维数来描述混凝土损伤演化过程较为合适的。
　　（3）传统差分盒维数法（Differential Box Counting method或DBC）的优点是可以准确、高效地来估计图像的分形维数；缺点是，盒子的高度和标号影响覆盖裂纹的精准度。因此本文提出了一种改进的差分盒维数法方法。
　　（4）采用改进后差分盒维数法分析混凝土CT图像中细观裂缝的演化过程。改进后的差分盒维数法和传统差分盒维数法计算得到的分形维数趋势是一样的。但由于改进的方法避免了传统DBC方法的缺陷，如盒子不能精准地覆盖裂纹等。因此改进后的方法得到的分形维数可以更恰当地描述混凝土损伤演化过程。
　　（5）用改进后的差分盒维数法得到的分形维数结果建立基于分形维数的损伤变量Dpi表达式，得到了损伤变量Dpi与混凝土损伤过程中各个应力阶段的分形维数D的关系曲线并验证了损伤变量 Dpi的适用性。结果表明基于改进后差分盒维数法得到的分形维数建立的损伤变量与分形维数有相同的变化规律，能够定量化描述混凝土试件损伤发展过程中各应力阶段的损伤演化程度并能很好地反映混凝土材料宏观力学特性。
　　本文的创新点是首次用改进后差分盒维数法的思想来计算混凝土损伤过程中各应力阶段的分形维数值，并基于此建立了损伤变量表达式。

目录

声明

1 绪论

1.1 混凝土细观损伤定量研究背景及意义

1.2 混凝土细观研究的国内外现状

1.3 目前存在的问题

1.4 主要研究内容

1.5 主要研究方法

1.6 本文技术路线

2 CT扫描技术及其在单轴拉压条件下混凝土破损过程的CT试验研究

2.1 CT试验扫描技术研究

2.2 试验前期准备工作

2.3 单轴压缩条件下混凝土CT试验

2.4 单轴拉伸条件下混凝土CT试验

2.5 本章小结

3 混凝土CT细观损伤的分形方法研究

3.1 分形理论简介

3.2 分形的应用

3.3 盒维数法及裂纹分形维数的估算

3.4 Matlab程序的实现步骤

3.5 本章小结

4 改进后的差分盒维数法方法介绍及其与传统差分盒方法的比较

4.1 传统差分盒方法改进的原因

4.2 改进后的差分盒维数法

4.3 传统差分盒维数法对混凝土CT图像的分析

4.4 改进后差分盒维数法对混凝土CT图像的分析

4.5 传统差分盒方法与改进后差分盒方法的计算结果比较

4.6 本章小结

5 损伤变量Dpi的建立及其适用性验证

5.1 损伤变量建立的方法

5.2 损伤变量Dpi的建立

5.3 试验结果分析

5.4 损伤变量Dpi的适用性验证

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录