一种应变局部化带间距演变规律的多维同步优化测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种应变局部化带间距测量技术，属于岩土力学、岩土工程、实验力 学、地质力学、工程材料力学性能测试等领域。
【背景技术】
[0002] 应变局部化是在材料破坏之前观察到的应变集中于狭窄的带状区域内的现象，应 变局部化按载荷类型可以划分为剪切应变局部化、拉伸应变局部化和压缩应变局部化。应 变局部化现象可以在不同的层次上被观察到，例如，晶粒尺度上的网状滑移线、工程尺度上 的交叉的小断层和地壳尺度上的网状地质构造和地震带都可归结于应变局部化现象（王 学滨，潘一山.地质灾害中的应变局部化现象.地质灾害与环境保护，2001，12(4):1-5; 王学滨，赵扬锋，代树红等.地震块体模型的共辄剪切破裂带数值模拟.防灾减灾工程学 报，2004, 24(2) :119-125)。应变局部化现象往往以网络形式存在，这样，应变局部化带间距 的测量就成为应变局部化现象研究中不可回避的重要问题。
[0003] 目前，应变局部化带间距的测量主要采用两种方法：采用尺子和数字图像技术测 量肉眼可见的裂纹面之间的间距，以此作为应变局部化带的间距。实际上，这种测量方法 的误差很大，测量结果因人而异，工作量大，难于实现自动化、批量、高效率测量，所获取的 数据量有限，而且，测量的是裂纹面的间距，并非应变局部化带的间距。应变局部化带在启 动及发展过程中，由于变形阶段的不同和应力场的调整，应变局部化的方向及位置将发生 适当的变化。没有任何理论证明，应变局部化带间距等同于裂纹面间距。欲准确测量应变 局部化带间距，必须着眼于应变场，在裂纹出现之前，应变场已变得不均匀，这种变化仅凭 肉眼一般不容易观测到，不断发展的数字图像相关方法（王学滨，杜亚志，潘一山.基 于DIC粗-细搜索方法的单轴压缩砂样的应变分布及应变梯度的实验研究.岩土工程学 报，2012, 34(11) :2050-2057 ;王学滨，杜亚志，潘一山·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.工程力学，2013, 30(7) :282-287;王学滨，杜亚 志，潘一山.单轴压缩湿砂样局部及整体体积应变的数字图像相关方法观测.岩土工程学 报，2014, 36 (9) :1648-1656)为应变场的精确测量提供了便利条件。数字图像相关方法是 一种光测力学方法，具有测量设备简单、对测量环境要求低、测量精度高的优点。
[0004] 本发明提出采用数字图像相关方法测量应变局部化带的间距。以亚像素数字图像 相关方法和双三次样条插值方法获得的光滑性较好的应变场作为依据，将唯一应变局部化 带间距的测量问题归结于一个多维同步优化问题，利用群智能算法，通过不断同步迭代，逐 渐缩小各条应变局部化带数据与试探解答（各线段）之间的偏差，最终实现兼顾所有数据 的唯一的应变局部化带角度和应变局部化带间距的测量。
【发明内容】
[0005] 为了解决现有的应变局部化带间距测量方法的精度低、效率低、获取数据量有限 及所得结果不唯一的问题，本发明提供了一种基于数字图像相关方法的应变局部化带间距 演变规律的多维同步优化测量方法，提高了测量的效率、精度，可以获取丰富的数据量，所 得结果唯一。
[0006] 本发明的特征在于，包括如下步骤：
[0007] 步骤1 :利用拍摄设备（数码相机或CCD摄像头）获取在加载条件下试样一个包 含散斑表面的数字图像；
[0008] 步骤2 :利用亚像素数字图像相关方法，获取试样表面的变形场：水平线应变ε x、 垂直线应变ey、剪切应变Yxy及最大剪切应变γ
[0009] 步骤3 :设置计算区域，获取每条应变局部化带中央及其附近的应变数据，该计算 区域可以是包含多条应变局部化带的1个四边形区域，也可是包含1条应变局部化带的四 边形区域的集合；
[0010] 对于计算区域是包含多条应变局部化带的1个四边形区域的情形：
[0011] 首先，设置包含多条应变局部化带的1个四边形计算区域；
[0012] 之后，根据应变场，确定走向一致的应变局部化带的数目m ;
[0013] 之后，利用插值方法，获取计算区域内光滑性较好的各种应变场；
[0014] 最后，利用粗估的被测应变局部化带角度和宽度，设置多个狭长四边形区域，每个 狭长四边形区域仅包含1条应变局部化带，获取每条应变局部化带中央及其附近的应变数 据；
[0015] 对于计算区域是包含1条应变局部化带的四边形区域的集合的情形：
[0016] 首先，根据应变场，确定走向一致的应变局部化带的数目m ;
[0017] 之后，利用粗估的被测应变局部化带角度和宽度，设置多个狭长四边形区域作为 计算区域，每个狭长四边形区域仅包含1条应变局部化带；
[0018] 之后，利用插值方法，获取计算区域内光滑性较好的各种应变场；
[0019] 最后，获取每条应变局部化带中央及其附近的应变数据；
[0020] 步骤4 :对于每条应变局部化带，设置η个迭代初值和有关的迭代参数，对于任一 初值（一系列平行线段），初值的维数为m+1，其中包括1个斜率和m个截距，利用群智能算 法，通过不断同步迭代，获取各条线段共同的斜率和各自不同的截距；
[0021] 步骤5 :利用平行线之间距离公式，计算任意两条相邻应变局部化带的间距。
[0022] 进一步地，其中，所述获取在加载条件下试样一个包含散斑表面的数字图像进一 步为：若试样表面的天然纹理可作为散斑场，则不必人工制作散斑场，否则，利用油漆、颜 料、墨水等喷涂人工散斑场，利用试验机或加载装置对试样进行加载，同时，利用拍摄设备 记录散斑场的图像。
[0023] 进一步地，其中，所述利用亚像素数字图像相关方法，获取试样表面的变形场进一 步为：选择若干记录的图像，设置有关的计算参数和计算模式，使用亚像素数字图像相关 方法计算图像的位移场和应变场，应变场通过对位移场进行中心差分获得，最大剪切应变
[0024]
Cl)
[0025] 进一步地，其中，所述走向一致的应变局部化带是指应变局部化带网络中其角度 基本相同的若干应变局部化带的集合。
[0026] 进一步地，其中，所述获取每条应变局部化带中央及其附近的应变数据进一步为： 设置临界应变参数，将超过该参数的数据作为被测应变局部化带的数据。
[0027] 进一步地，其中，所述狭长四边形区域的宽度方向尺寸可取为材料平均颗粒直径 的20~60倍，即应变局部化带宽度的1~3倍；所述临界应变参数由经验确定，一般可取 为计算区域内γ_最大值的60%以上。
[0028] 进一步地，其中，所述迭代初值包括各条应变局部化带所对应线段的共同斜率的 初值和不同截距的初值，故初值的维数比应变局部化带的数目m多1，设任一个迭代初值为 Ω1= {k ^bll, 其中，Ic1为共同斜率的初值，Ib ll, 为不同截距的初 值。
[0029] 进一步地，其中，所述群智能算法可在粒子群优化算法、遗传算法、差分进化算法 等算法中进行选择。
[0030] 进一步地，其中，所述各条线段共同的斜率和各自不同的截距是指由这些参数确 定的m条线段与各条应变局部化带中央及其附近的应变数据最为接近，即偏差达到最小
[0031]
( 2 )
[0032] 其中，下标1代表η个迭代初值中的任一个，I = 1~n ;Cl代表第i条应变局部 化带的数据数目，通常，不同应变局部化带的数据数目不同，i