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光弹颗粒材料直剪实验研究

作　者: 杨荣伟
导　师: 程晓辉
学　校: 清华大学
专　业: 土木工程
关键词: 颗粒材料光弹实验力链排列结构各向异性数字图像处理技术
分类号: O348.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 51次
引　用: 1次
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内容摘要

众多学者认为,进一步促进岩土力学发展和变革的关键在于,从颗粒尺度来重新认识这门学科。众多的研究均表明,颗粒材料中平均强度力链和几何结构对材料宏观的力学和变形性质均起着重要的作用。本文借助光弹实验手段和数字图像处理方法,通过研制的直剪仪,初步探讨了颗粒材料在直剪作用下,颗粒几何结构和平均强度力链分布之间的关系。本文设计研制了直剪仪,并进行了光弹材料的制备和退火等前期准备工作,得到了本实验光弹颗粒的退火曲线。通过引入的平均彩色梯度的算法,实验拟合得到了,颗粒的平均接触力F和平均彩色梯度<G2>的关系曲线,该关系曲线是颗粒材料中平均强度力链识别的重要力学基础。本文对光弹实验拍摄得到的数码图像进行处理,识别得到了颗粒材料的几何位置信息,在此基础上,结合彩色梯度算法获取得到的光弹颗粒材料力学信息,最终识别得到颗粒材料中的接触向量角度分布图和平均强度力链分布图。基于数字图像处理获得的结果,建立平均配位数和剪切变形的关系,解释了直剪过程中的剪胀和剪缩现象;对直剪作用下的接触向量角度分布进行统计分析,并定义了“极化角区间”等概念,结果表明:初始阶段,颗粒材料的几何结构基本上呈现各向异性。在直剪过程中,随着剪应力的增大,其各向异性越来越明显,当达到峰值强度时,其各向异性最为明显。颗粒材料初始状态固有的各向异性对加载过程中几何结构的各向异性有较大的影响。同时,颗粒材料直剪过程中的接触向量角度分布,受到颗粒材料的初始状态固有的各向异性影响。本文还对接触向量初始极化角和平均强度力链分布进行分析,结果表明:当颗粒材料施加剪应力后,剪切力的逐渐增大诱发了几何结构的各向异性,出现了极化角区间,而几何结构的各向异性则导致了平均强度力链在这些极化角度区间内大量分布,从而引起平均强度力链分布的局部化。本文仅对平均强度力链和几何结构的关系进行初步的探讨,更加深入的研究仍在继续。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
第1章绪论  7-13
  1.1 研究背景和意义  7-9
    1.1.1 颗粒材料的研究背景和意义  7-8
    1.1.2 对力链的研究具有重要的意义  8
    1.1.3 光弹实验研究方法的应用背景  8-9
  1.2 国内外研究进展  9-12
    1.2.1 光弹实验技术的发展历史  9
    1.2.2 光弹性实验技术在颗粒力学中的应用  9-12
  1.3 课题研究内容及本文结构安排  12-13
    1.3.1 课题研究内容  12
    1.3.2 本文结构安排  12-13
第2章光弹实验原理及光弹颗粒直剪仪的研制和实验结果处理方法  13-34
  2.1 光弹实验基本原理  13-18
    2.1.1 光弹实验中的基本光学概念介绍  13-15
    2.1.2 应力—光学定理（Maxell 定理）  15
    2.1.3 圆偏光场通过受力模型后的光效应  15-18
  2.2 颗粒直剪仪的研制和光弹颗粒材料的退火实验  18-23
    2.2.1 实验装置  18-21
    2.2.2 光弹性材料参数及材料的退火实验  21-23
  2.3 实验方法及步骤  23-24
    2.3.1 实验方法  23
    2.3.2 实验步骤  23-24
  2.4 光弹颗粒实验结果处理方法  24-33
    2.4.1 应力条纹级数法  24-25
    2.4.2 间接测量相位差法  25
    2.4.3 数值拟合法  25-27
    2.4.4 基于灰度图像的经验标定方法  27-28
    2.4.5 基于 RGB 彩色图像的经验标定方法  28-33
  2.5 本章小结  33-34
第3章光弹数字图像处理方法及直剪实验数据分析  34-49
  3.1 数字图像处理方法  34-43
    3.1.1 颗粒几何位置信息的获取  34-40
    3.1.2 颗粒材料中平均强度力链上颗粒分布信息的获取  40-43
  3.2 直剪实验测得结果分析  43-48
    3.2.1 剪切应力，剪切变形和竖向变形关系  43-45
    3.2.2 剪切过程中的平均配位数变化规律  45-48
  3.3 本章小结  48-49
第4章接触向量方向分布和平均强度力链分布关系分析  49-66
  4.1 直剪过程中接触向量方向分布变化  49-54
    4.1.1 接触向量的方向（接触角）  49-50
    4.1.2 接触向量方向分布变化分析  50-54
  4.2 平均强度力链分布和接触向量角度分布的关系分析  54-65
    4.2.1 适用于平均彩色梯度的图片的选定  54-56
    4.2.2 平均强度力链分布方向分析  56-64
    4.2.3 接触向量初始极化角和平均强度力链极化角关系分析  64-65
  4.3 本章小结  65-66
第5章结论与建议  66-68
  5.1 主要结论  66-67
  5.2 对今后工作的建议  67-68
参考文献  68-71
致谢  71-72
附录A 本文程序SEARCHFORDISK.M的编制  72-79
附录B 程序COLORGRAD.M的编制  79-80
附录C 直剪作用下的接触向量方向分布变化  80-88
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  88

光弹颗粒材料直剪实验研究

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