复杂非均质结构体的动态应力场演化规律的测量方法与流程

本发明涉及应力测量技术领域，特别涉及一种复杂非均质结构体的动态应力场演化规律的测量方法。

背景技术：

准确直观地显示与表征岩石、混凝土等复杂非均质材料以及工程结构的应力场演化，是众多工程技术领域内科学家和工程师长期追求的目标，也是解决诸多工程实际问题的基础和关键。

现有的应力场测量方法主要包括实验测量和数值模拟显示两个方面。在实验测量方面主要是现场监测，实验室测量等方法，其主要依靠传感器进行局部点的测量，难以形成全场的应力分布，而且测量的费用较大；数值模拟虽然能很好的展示应力场的分布，但是其计算精度容易受到材料参数、模型网格划分及边界条件设定的影响。

现有技术中还存在一种较为成熟的全场应力测量方法，即光弹性方法，一般通过确定条纹级数来量化应力场的分布规律。然而，该实验方法受限于处理一些简单几何形状的模型，对内嵌有孔隙、裂隙、颗粒等非连续结构的模型，因产生的光弹条纹的分布特征具有异常的复杂性，传统的量化方法则难以适用；而且，即便是近些年发展起来的数字光弹法，也无法实现复杂结构体在固定光场条件下受连续加载的较高外部荷载时全局应力场的提取与量化。

技术实现要素：

本发明提供一种复杂非均质结构体的动态应力场演化规律的测量方法，以解决现有数字光弹性法中无法实现复杂结构体在固定光场条件下受连续加载的较高外部荷载时全局应力场提取与量化的问题。

为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：

一种复杂非均质结构体的动态应力场演化规律的测量方法，包括：

通过3d打印技术制备复杂非均质结构体的透明光敏树脂模型，作为试件；

将所述试件置于圆偏振光暗场的光路中，对所述试件进行连续应力加载并录像；

根据录像生成的视频，得到连续变化的多张全场应力条纹灰度图像；

根据所述连续变化的多张全场应力条纹灰度图像，得到图像中各个位置像素点的灰度值变化数列；

根据灰度值与条纹级数之间的关系以及所述图像中各个像素点的灰度值变化数列，计算得到连续加载条件下的全场条纹级数，进而计算得到连续加载条件下的全场应力值。

优选的，所述通过3d打印技术制备复杂非均质结构体的透明光敏树脂模型，包括：

基于ct扫描技术获取所述复杂非均质结构体的内部复杂孔隙结构；

对所述内部复杂孔隙结构进行数字重构，生成数字模型；

将所述数字模型导入3d打印机，打印得到所述透明光敏树脂模型。

优选的，所述将所述试件置于圆偏振光暗场的光路中，对所述试件进行连续应力加载并录像，包括：

将所述试件置于圆偏振光暗场的光路中，通过应力加载装置对所述试件进行连续应力加载，并通过高清数码摄像机对所述试件中全场应力条纹变化全过程进行录像。

优选的，所述根据录像生成的视频，得到连续变化的多张全场应力条纹灰度图像，包括：

将录像生成的视频按照10帧/秒转化为连续变化的多张图片；

对所述多张图片分别进行图像处理，得到多张全场应力条纹灰度图像。

优选的，所述根据所述连续变化的多张全场应力条纹灰度图像，得到图像中各个位置像素点的灰度值变化数列，包括：

分别提取所述连续变化的多张全场应力条纹灰度图像上各个相同位置像素点的灰度值，构成所述各个像素点的灰度值变化数列。

优选的，所述计算得到连续加载条件下的全场条纹级数，包括：

分别计算得到各个位置像素点条纹级数的整数部分和小数部分。

优选的，所述计算得到各个位置像素点条纹级数的整数部分，包括：

将各个位置像素点的灰度值变化数列转换为变化曲线；

计算得到所述变化曲线中波峰和波谷的平均值；

根据所述平均值以下的波谷数量，得到相应位置像素点条纹级数的整数部分。

优选的，计算得到各个位置像素点条纹级数的小数部分，包括：

根据所述变化曲线y与条纹级数的小数部分x之间的余弦函数关系y＝i(1-cos(x/2π))，计算得到各个位置像素点条纹级数的小数部分。

优选的，所述计算得到连续加载条件下的全场应力值，包括：

将所述全场条纹级数与光学条纹常数相乘，得到所述全场应力值。

本发明提供的所述复杂非均质结构体的动态应力场演化规律的测量方法，通过制备复杂非均质结构体的透明光敏树脂模型，作为试件；将所述试件置于圆偏振光暗场的光路中，对所述试件进行连续应力加载并录像；再根据录像生成的视频，得到连续变化的多张全场应力条纹灰度图像；然后由根据所述连续变化的多张全场应力条纹灰度图像，得到图像中各个位置像素点的灰度值变化数列；最后根据灰度值与条纹级数之间的关系以及所述图像中各个像素点的灰度值变化数列，计算得到连续加载条件下的全场条纹级数，进而计算得到连续加载条件下的全场应力值；因此本方法能够实现复杂非均质结构体在固定光场条件下受较高外部荷载时的全局动态应力场演化规律的提取与量化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的复杂非均质结构体的动态应力场演化规律的测量方法的流程图；

图2是本发明另一实施例提供的复杂非均质结构体的透明光敏树脂模型的结构示意图；

图3a是本发明另一实施例提供的非均质结构动态应力场光弹性条纹图；

图3b是本发明另一实施例提供的非均质结构动态应力场光弹性条纹图；

图3c是本发明另一实施例提供的非均质结构动态应力场光弹性条纹图；

图4a是本发明另一实施例提供的非均质结构的量化动态应力场示意图；

图4b是本发明另一实施例提供的非均质结构的量化动态应力场示意图；

图4c是本发明另一实施例提供的非均质结构的量化动态应力场示意图；

图5是本发明另一实施例提供的复杂非均质结构体的动态应力场演化规律的测量方法的部分流程图；

图6是本发明另一实施例提供的复杂非均质结构体的动态应力场演化规律的测量方法的部分流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明提供一种复杂非均质结构体的动态应力场演化规律的测量方法，以解决现有数字光弹性法中无法实现复杂结构体在固定光场条件下受连续加载的较高外部荷载时全局应力场提取与量化的问题。

具体的，该复杂非均质结构体的动态应力场演化规律的测量方法，参见图1，包括：

s101、通过3d打印技术制备复杂非均质结构体的透明光敏树脂模型，作为试件；

在具体的实际应用中，通过3d打印技术，采用veroclear材料打印试件，得到的试件如图2所示。

s102、将试件置于圆偏振光暗场的光路中，对试件进行连续应力加载并录像；

具体的，圆偏振光暗场的光路可以采用单色光源；或者圆偏振光暗场的光路采用白光光源，但此时需要在摄像机的镜头前装配单色光滤镜。

通过对试件进行连续应力加载，可以得到应力场的动态变化过程。通过录像即可捕捉并记录全场应力条纹变化的全过程。

s103、根据录像生成的视频，得到连续变化的多张全场应力条纹灰度图像；

对视频进行图像提取，进行提取的时间间隔越短，得到的图像数量越多；得到的应力场变化过程越精确详细。具体的时间间隔可以视其具体应用环境而定，此处不做具体限定，均在本申请的保护范围内。

s104、根据连续变化的多张全场应力条纹灰度图像，得到图像中各个位置像素点的灰度值变化数列；

某一位置像素点的灰度值即可体现其光强大小。

s105、根据灰度值与条纹级数之间的关系以及图像中各个像素点的灰度值变化数列，计算得到连续加载条件下的全场条纹级数，进而计算得到连续加载条件下的全场应力值。

由于采用透明光敏树脂模型作为试件，该试件在圆偏振光暗场的光路中，其某一位置像素点的光强大小，与该位置像素点的条纹级数存在特定的关系；该关系适用于每个位置像素点，因此可以计算得到连续加载条件下的全场条纹级数。

优选的，将该全场条纹级数与光学条纹常数38.6n/mm相乘，即可得到全场应力值。

图3所示为通过该复杂非均质结构体的动态应力场演化规律的测量方法，获得的非均质结构动态应力场光弹性条纹图，其中图3a为压力为5kn时的应力场光弹性条纹图，图3b为压力为7kn时的应力场光弹性条纹图，图3c为压力为9kn时的应力场光弹性条纹图。

图4所示为通过该复杂非均质结构体的动态应力场演化规律的测量方法，获得的非均质结构的量化动态应力场，其中图4a为压力为5kn时的应力场，图4b为压力为7kn时的应力场，图4c为压力为9kn时的应力场。

本实施例提供的该复杂非均质结构体的动态应力场演化规律的测量方法，基于在固定光场条件下连续加载非均质结构获取的数字化图像，根据像素点光强的变化规律来快速地确定全场的条纹级数；因此本方法能够实现复杂非均质结构体在固定光场条件下受较高外部荷载时的全局动态应力场演化规律的提取与量化。该方法对复杂的非连续结构，对于动态应力场具有很好的适用性。同时具有实验操作简单，可重复性强，应力场量化结果准确性高等特点，对促进和扩大光弹性法测量技术的工程实际应用具有重要意义。

本发明另一实施例提供了一种具体的复杂非均质结构体的动态应力场演化规律的测量方法，在上述实施例及图1的基础之上，优选的，步骤s101，参见图5，包括：

s201、基于ct扫描技术获取复杂非均质结构体的内部复杂孔隙结构；

s202、对内部复杂孔隙结构进行数字重构，生成数字模型；

s203、将数字模型导入3d打印机，打印得到透明光敏树脂模型。

具体的，用工业ct扫描复杂非均质结构体，比如砂岩岩芯，获取内部复杂孔隙结构；然后根据实际应用环境选取其局部进行数字重构，生成数字模型；再导入3d打印机，使用veroclear材料打印得到如图2所示的试件。

优选的，步骤s102，包括：

将试件置于圆偏振光暗场的光路中，通过应力加载装置对试件进行连续应力加载，并通过高清数码摄像机对试件中全场应力条纹变化全过程进行录像。

具体的，该应力加载装置可以是单轴试验机或其他加载装置，其加载速率可以为0.5mm/min，此处不做具体限定，可以视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

另外，该高清数码摄像机可以采用sonyhdr-sr12e，其动态分辨率为1440×1080，此处不做具体限定，可以视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

优选的，步骤s103，参见图6，包括：

s301、将录像生成的视频按照10帧/秒转化为连续变化的多张图片；

s302、对多张图片分别进行图像处理，得到多张全场应力条纹灰度图像。

在具体的实际应用中，可以通过视频截取，得到4500张图像，此处仅为一种示例，并不做具体限定。

该图像处理工作包括但不限于：中值滤波、阈值分割、伪影处理，灰度化处理等一系列处理工作，此处不做具体限定，可以视其具体应用环境而定，能够得到清晰的全场应力条纹灰度图像即可，均在本申请的保护范围内。

优选的，步骤s104，包括：

分别提取连续变化的多张全场应力条纹灰度图像上各个相同位置像素点的灰度值，构成各个像素点的灰度值变化数列。

具体的，分别提取连续的多张全场应力条纹灰度图像上相同位置像素点的灰度值，也即光强，构成一个连续变化的数列，该数列反映了同一位置像素点在整个连续加载过程中光强的变化情况，即条纹级数的变化情况。

优选的，步骤s105，包括：

分别计算得到各个位置像素点条纹级数的整数部分和小数部分。

其中，计算得到各个位置像素点条纹级数的整数部分，包括：

将各个位置像素点的灰度值变化数列转换为变化曲线；

计算得到变化曲线中波峰和波谷的平均值；

根据平均值以下的波谷数量，得到相应位置像素点条纹级数的整数部分。

具体的，生成光强在加载时间上的变化曲线，并进行滤波处理，得到相对光滑的曲线。然后根据靠近波峰、波谷平均值的一条直线，将曲线转换成能精确判断波峰、波谷数量的波动曲线；即将在连续变化的光强曲线中，大于平均值的点等于一个较大的值，小于平均值的点等于一个较小的值；则光强曲线被转化为跳跃变化的波动曲线，通过波动变化特征，直接判断波峰、波谷的数量。然后根据波谷的数量，就可以直接判断条纹级数的整数部分。

另外，计算得到各个位置像素点条纹级数的小数部分，包括：

根据变化曲线y与条纹级数的小数部分x之间的关系y＝i(1-cos(x/2π))，计算得到各个位置像素点条纹级数的小数部分。

分析光强变化曲线未确定部分余弦函数变化特征，因为光强变化曲线y是光程差的余弦函数，光程差除以2π即为条纹级数的小数部分x。因此，按照反余弦函数变化，即可计算得到剩余部分条纹级数，即为条纹级数的小数部分。

其余的工作原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。