CN108106973B - 一种基于透明光弹材料同时测量饱和颗粒介质应力和位移的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于试验力学测试技术领域，一种基于透明光弹材料同时测量饱和颗粒介质应力和位移的方法。实验应力光弹法，利用透明颗粒介质在受力变形时产生光学各向异性的特点，以偏振光透过模型，由于应力的存在，产生光的暂时双折射现象，再透过分析镜后产生光的干涉，在屏幕上显示出具有明暗条纹的现象；利用同色条纹图像，可得到模型中的应力状态和分布。本发明方法通过透明光弹颗粒材料和折射系数相匹配的孔隙液体配置成饱和多孔颗粒介质材料，可以用来研究自然界中饱和多孔颗粒材料内部包括岩土材料等在外力作用下的变形机理和应力分布的规律，降低研究成本，理解颗粒材料力学行为的内在机理。
Description
技术领域
本发明属于试验力学测试技术领域，涉及测量饱和颗粒介质的应力和位移的一种方法，特别涉及到采用透明光弹颗粒介质和折射系数相匹配的孔隙液体以及数字图像相关技术测量颗粒内部应力和颗粒发生位移的一种方法。
背景技术
颗粒材料在自然界和工业界中是普遍存在的，如砂石材料、玻璃珠、谷物、工业上的药品等。在受到外部荷载或自重作用下的应力和变形是科研人员和工业界人士都比较关注的一个重要问题。由于颗粒材料在外力的作用下应力和位移是复杂的，而且颗粒数量众多，所以测量颗粒材料内部的应力和位移是一个比较困难的问题，目前变形的测量已经可以借助X-ray层析成像和CT扫描技术实现，但是由于这些技术比较昂贵，难以得到普及应用。另外，颗粒材料集合体内应力的测量目前还没有比较好的方法。因此，本发明提出了一种基于透明光弹颗粒材料测量饱和颗粒介质内部应力和位移的方法。
发明内容
本发明提出一种基于透明光弹颗粒材料测量饱和颗粒材料内部应力和位移的方法，目的是揭示颗粒材料内部变形的规律和应力场的分布，从而有助于分析颗粒材料在外力作用下的变形机理。
实验应力光弹法，利用透明颗粒介质在受力变形时产生光学各向异性的特点，以偏振光透过模型，由于应力的存在，产生光的暂时双折射现象，再透过分析镜后产生光的干涉，在屏幕上显示出具有明暗条纹的现象；利用同色条纹图像，可得到模型中的应力状态和分布。
本发明的技术方案：
一种基于透明光弹材料测量饱和颗粒介质应力和位移的方法，步骤如下：
步骤一，颗粒介质的配置：采用透明光弹材料颗粒，借助阿贝折射仪测出与透明光弹材料颗粒材料折射系数相匹配的孔隙液体；将透明光弹材料颗粒利用“落砂法”填充到模型箱中，在模型箱底部形成一层，之后利用软管沿模型箱壁从下向上慢慢充满孔隙液体，最终配制成饱和颗粒材料介质，即饱和透明光弹颗粒模型5；
步骤二，采集设备安置：采集设备包括数字相机1、计算机2、分析镜片3、扇面激光光源4、饱和透明光弹颗粒模型5、偏振镜片6和光源7，分析镜片3、饱和透明光弹颗粒模型5、偏振镜片6和光源7同轴，光源7依次通过偏振镜片6、饱和透明光弹颗粒模型5和分析镜片3后，被数字相机1捕捉，数字相机1与计算机2连接；扇面激光光源4位于饱和透明光弹颗粒模型5正下方，用于提供扇形激光光源；
步骤三：在饱和颗粒材料介质表层放置加载板，加载试验机通过加载板将外力施加到透明光弹材料颗粒上；施加荷载前，打开扇面激光光源4，照射饱和透明光弹颗粒模型5，扇面激光和透明光弹材料颗粒介质相互作用产生激光散斑，同时设定好数字相机1的位置、焦距和采集时间间隔；
步骤四，施加荷载：对配制的饱和颗粒材料介质施加荷载，在饱和颗粒材料介质内引起应力和变形以及颗粒的运动；同时启动数字相机1的图像采集功能，连续施加到荷载一定值后停止加载；
步骤五：设置偏振片：正交平面偏振光场中分析镜3(检偏镜)的初始角度β＝45°，α、β分别为偏振镜片6(起偏镜)和分析镜片3与参考轴x夹角，α初始角度为135°，θ为饱和透明光弹颗粒模型5第一主应力σ1与参考轴x夹角θ＝60°；同步旋转分析镜片3的角度β，得到相应的图片；偏振镜片6的设置如图2；
步骤六，图像采集：采用白光四步相移法和黄光六步相移法，用数字相机1记录透明光弹材料颗粒受荷载运动过程中的两幅光弹性条纹图，然后利用光弹应力分析的原理和处理方法分析透明光弹材料颗粒内部的应力，利用两幅光弹性条纹图的相关性分析间隔时间Δt内透明光弹材料颗粒发生的位移；把第一幅图像划分为n个子窗口，把第二幅图像也划分成n个子窗口，然后对第一幅图中的每个子窗口和第二幅图中的每个子窗口进行相关系数运算，相关系数最大的子窗口就是第一幅图中的子窗口发生变形和位移后对应的窗口；若计算得到第一幅图中的子窗口I1中心位置为(m,n)，它对应第二幅图中的子窗口I2中心的位置为(m+s,n+t)，则第一幅图中的子窗口I1分别在两个方向上发生了s和t个像素的位移；
步骤七：利用数字相机1标定参数，计算子窗口中心的实际位置和s,t对应的实际位移值sw，tw；
步骤八：得到应力，绘制力链：光源7通过偏振镜片6进入饱和透明光弹颗粒模型5，在饱和透明光弹颗粒模型5内产生相位差，根据应力光学定律，得到主应力差；通过白光四步彩色相移法，由于饱和透明光弹颗粒模型5内各点的主应力方向是不同的，获得特定角度的等倾线；通过黄光六步相移法得到等色线，处理图片，进而得到主应力数值的分布曲线；之后根据应力的分布大小，相应的绘制力链的大小。
本发明的有益效果：本发明方法通过透明光弹颗粒材料和折射系数相匹配的孔隙液体配置成饱和多孔颗粒介质材料，可以用来研究自然界中饱和多孔颗粒材料内部包括岩土材料等在外力作用下的变形机理和应力分布的规律，降低研究成本，理解颗粒材料力学行为的内在机理。
附图说明
图1是基于透明光弹材料测量饱和颗粒介质应力和位移的装置。
图2是正交平面偏振光场原理图。
图3是图2中各个角度之间的关系示意图。
图中：1数字相机；2计算机；3分析镜片；4扇面激光光源；
5饱和透明光弹颗粒模型；6偏振镜片；7光源。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
一种基于透明光弹颗粒材料测量饱和颗粒材料内部应力和位移的方法，由人工配置的饱和透明光弹颗粒介质材料，侧面放置的激光发生器和透镜，加载控制装置，数字相机和内插图像采集卡的PC机组成。饱和透明颗粒模型试样前后放置分析镜片3和偏振镜片6，光源7放置在偏振镜片后面。
激光器提供连续激光光源，通过柱面透镜产生扇面激光，进入透明光弹颗粒模型后产生激光散斑效应。外部荷载通过一个压板作用在表层透明颗粒介质上并向下扩散。在荷载的连续施加过程中，透明光弹颗粒受到外力发生变形和运动。数字相机在不同时刻拍摄透明颗粒介质内的激光散斑平面图像。对不同时刻的两幅图像进行相关性分析，从而获取颗粒运动的位移和速度值及矢量图。最后结合数字相机的标定参数得到实际的位移和速度值，从而得到饱和透明颗粒介质在外荷载作用下产生的应力、变形和位移。
一种基于透明光弹材料测量饱和颗粒介质应力和位移的方法，步骤如下：
步骤一，颗粒介质的配置：采用直径为2-4cm的透明光弹材料颗粒，借助阿贝折射仪测出与透明光弹材料颗粒材料折射系数相匹配的孔隙液体；将透明光弹材料颗粒利用“落砂法”填充到模型箱中，在模型箱底部形成一层，之后利用软管沿模型箱壁从下向上慢慢充满孔隙液体，最终配制成饱和颗粒材料介质，即饱和透明光弹颗粒模型5；
步骤二，采集设备安置：采集设备包括数字相机1、计算机2、分析镜片3、扇面激光光源4、饱和透明光弹颗粒模型5、偏振镜片6和光源7，分析镜片3、饱和透明光弹颗粒模型5、偏振镜片6和光源7同轴，光源7依次通过偏振镜片6、饱和透明光弹颗粒模型5和分析镜片3后，被数字相机1捕捉，数字相机1与计算机2连接；扇面激光光源4位于饱和透明光弹颗粒模型5正下方，用于提供扇形激光光源；
步骤三：在饱和颗粒材料介质表层放置加载板，加载试验机通过加载板将外力施加到透明光弹材料颗粒上；施加荷载前，打开扇面激光光源4，照射饱和透明光弹颗粒模型5，扇面激光和透明光弹材料颗粒介质相互作用产生激光散斑，同时设定好数字相机1的位置、焦距和采集时间间隔；
步骤四，施加荷载：对配制的饱和颗粒材料介质施加荷载，在饱和颗粒材料介质内引起应力和变形以及颗粒的运动；同时启动数字相机1的图像采集功能，连续施加到荷载一定值后停止加载；
步骤五：设置偏振片：正交平面偏振光场中分析镜3(检偏镜)的初始角度β＝45°，α、β分别为偏振镜片6(起偏镜)和分析镜片3与参考轴x夹角，α初始角度为135°，θ为饱和透明光弹颗粒模型5第一主应力σ1与参考轴x夹角θ＝60°；同步旋转分析镜片3的角度β分别为0、π/8、π/4和3π/8，得到4副图片，偏振镜片6的设置如图2；
步骤六，图像采集：采用白光四步相移法和黄光六步相移法，用数字相机1记录透明光弹材料颗粒受荷载运动过程中的两幅光弹性条纹图，然后利用光弹应力分析的原理和处理方法分析透明光弹材料颗粒内部的应力，利用两幅光弹性条纹图的相关性分析间隔时间Δt内透明光弹材料颗粒发生的位移；把第一幅图像划分为n个子窗口，把第二幅图像也划分成n个子窗口，然后对第一幅图中的每个子窗口和第二幅图中的每个子窗口进行相关系数运算，相关系数最大的子窗口就是第一幅图中的子窗口发生变形和位移后对应的窗口；若计算得到第一幅图中的子窗口I1中心位置为(m,n)，它对应第二幅图中的子窗口I2中心的位置为(m+s,n+t)，则第一幅图中的子窗口I1分别在两个方向上发生了s和t个像素的位移；
步骤七：利用数字相机1标定参数，计算子窗口中心的实际位置和s,t对应的实际位移值sw，tw；
步骤八：得到应力，绘制力链：光源7通过偏振镜片6进入饱和透明光弹颗粒模型5，在饱和透明光弹颗粒模型5内产生相位差，根据应力光学定律，得到主应力差；通过白光四步彩色相移法，由于饱和透明光弹颗粒模型5内各点的主应力方向是不同的，获得特定角度的等倾线；通过黄光六步相移法得到等色线，处理图片，进而得到主应力数值的分布曲线；之后根据应力的分布大小，相应的绘制力链的大小。
Claims (1)
1.一种基于透明光弹材料测量饱和颗粒介质应力和位移的方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一，颗粒介质的配置：采用直径为2-4cm的透明光弹材料颗粒，借助阿贝折射仪测出与透明光弹材料颗粒材料折射系数相匹配的孔隙液体；将透明光弹材料颗粒利用“落砂法”填充到模型箱中，在模型箱底部形成一层，之后利用软管沿模型箱壁从下向上慢慢充满孔隙液体，最终配制成饱和颗粒材料介质，即饱和透明光弹颗粒模型(5)；
步骤二，采集设备安置：采集设备包括数字相机(1)、计算机(2)、分析镜片(3)、扇面激光光源(4)、饱和透明光弹颗粒模型(5)、偏振镜片(6)和光源(7)，分析镜片(3)、饱和透明光弹颗粒模型(5)、偏振镜片(6)和光源(7)同轴，光源(7)依次通过偏振镜片(6)、饱和透明光弹颗粒模型(5)和分析镜片(3)后，被数字相机(1)捕捉，数字相机(1)与计算机(2)连接；扇面激光光源(4)位于饱和透明光弹颗粒模型(5)正下方，用于提供扇形激光光源；
步骤三：在饱和颗粒材料介质表层放置加载板，加载试验机通过加载板将外力施加到透明光弹材料颗粒上；施加荷载前，打开扇面激光光源(4)，照射饱和透明光弹颗粒模型(5)，扇面激光和透明光弹材料颗粒介质相互作用产生激光散斑，同时设定好数字相机(1)的位置、焦距和采集时间间隔；
步骤四，施加荷载：对配制的饱和颗粒材料介质施加荷载，在饱和颗粒材料介质内引起应力和变形以及颗粒的运动；同时启动数字相机(1)的图像采集功能，连续施加到荷载一定值后停止加载；
步骤五：设置偏振片：正交平面偏振光场中分析镜(3)的初始角度β＝45°，α、β分别为偏振镜片(6)和分析镜片(3)与参考轴x夹角，α初始角度为135°，θ为饱和透明光弹颗粒模型(5)第一主应力σ1与参考轴x夹角θ＝60°；同步旋转分析镜片(3)的角度β，得到相应的图片；
步骤六，图像采集：采用白光四步相移法和黄光六步相移法，用数字相机(1)记录透明光弹材料颗粒受荷载运动过程中的两幅光弹性条纹图，然后利用光弹应力分析的原理和处理方法分析透明光弹材料颗粒内部的应力，利用两幅光弹性条纹图的相关性分析间隔时间Δt内透明光弹材料颗粒发生的位移；把第一幅图像划分为n个子窗口，把第二幅图像也划分成n个子窗口，然后对第一幅图中的每个子窗口和第二幅图中的每个子窗口进行相关系数运算，相关系数最大的子窗口就是第一幅图中的子窗口发生变形和位移后对应的窗口；若计算得到第一幅图中的子窗口I1中心位置为(m,n)，它对应第二幅图中的子窗口I2中心的位置为(m+s,n+t)，则第一幅图中的子窗口I1分别在两个方向上发生了s和t个像素的位移；
步骤七：利用数字相机(1)标定参数，计算子窗口中心的实际位置和s，t对应的实际位移值sw，tw；
步骤八：得到应力，绘制力链：光源(7)通过偏振镜片(6)进入饱和透明光弹颗粒模型(5)，在饱和透明光弹颗粒模型(5)内产生相位差，根据应力光学定律，得到主应力差；通过白光四步彩色相移法，由于饱和透明光弹颗粒模型(5)内各点的主应力方向是不同的，获得特定角度的等倾线；通过黄光六步相移法得到等色线，处理图片，进而得到主应力数值的分布曲线；之后根据应力的分布大小，相应的绘制力链的大小。
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