双速时间序列DIC用于岩石的结构非均匀性演化研究

The loading process of rock specimen is accompanied by the evolution of its structural heterogeneity, which generally includes the damage and damage localization at the micro-scale, and the fracture and failure at the macro-scale. In this study, the data for structural heterogeneity is to be obtained by the specially designed experimental system, and is to be used to locate the different stages of the heterogeneity, then to analyze the mechanisms. The research details includes: i) Develops the two-speed data acquisition system, which can obtain both the low speed and the high speed data, both the optical and the electric data during loading. The system can also conduct the alignment for the data from different devices and assemble them into a uniform data series. ii) Develops the time-series mesh-DIC, which introduces the temporal smoothness of displacement into DIC model, try to improve the resolution and accuracy of DIC analysis of the low signal-to-noise and low resolution speckle images from rock loading experiment. iii) Deformation field evolution for different rock materials and different specimen styles is to be obtained by conducting experiments using the experimental systems and methods above. The characteristics evolution of structural heterogeneity is to be statistically analyzed from the deformation field evolution, and the stages of the heterogeneity are to be located and the mechanisms for different stages are to be analyzed. iv) Based on the analysis results for the structural heterogeneity, the analytical model is constructed from the aspect of non-continuous and non-homogeneous structure, to express the macro mechanical behavior of the specimen and to extensively analyze the mechanisms for the damage and fracture.

岩石的加载过程伴随着复杂的结构非均匀性演化，包括细观的损伤和损伤局部化，以及宏观的结构破裂及失稳。本研究用特殊设计的实验系统和方法获得结构非均匀性连续演化的数据，基于此对结构非均匀性不同阶段进行定位，进而对其机理进行分析。研究内容包括：①发展双速散斑图像和加载数据采集系统，能够将低速和高速、光与电信号的采集有效融合，将不同序列数据在时间轴上对齐、对准形成一个统一的时间序列；②发展引入位移场时间轴光滑性机制的时间序列mesh-DIC，提高岩石加载实验中低信噪比、低分辨率散斑图像DIC分析的分辨率和精度；③对不同岩石不同结构形式试件进行实验，基于变形场时间演化序列，用统计方法得到结构非均匀性特征演化曲线，从中定位和分析不同试件的结构非均匀性阶段并分析其机理；④基于结构非均匀性分析结果，从非均匀、非连续的结构层次对岩石试件宏观力学行为进行建模表征，深入分析试件的非线性力学行为及损伤、破坏机理。

岩石试件的加载过程伴随着复杂的结构非均匀性演化，包括细观损伤及其局部化，以及宏观的结构破裂和失稳。换句话说，一个岩石试件的加载过程事实上是材料由均匀演化为非均匀，结构由完整演化为非完整的过程。因此，要想准确表征岩石试件的力学行为，特别是后期的非线性和失稳行为，应准确测量并深入总结结构非均匀性演化过程，在考虑该演化过程的基础上进行力学建模。..本研究首先发展特殊的实验系统和方法，获得岩石试件非均匀性演化的数据，基于此对结构非均匀性演化的不同阶段进行准确定位和分析，进而基于“变结构”的思想对岩石试件的力学行为进行表征。项目研究的主要成果包括：.1）搭建了一套用于观测非均质脆性材料复杂变形场演化及破坏过程的双速散斑图像采集系统，能够实现试件加载过程中峰前慢速变形和峰后快速变形（失稳破坏）两个阶段的双速图像采集；.2）发展了考虑变形场时间连续性的时间序列数字图像相关（DIC）方法，以“数量换质量”，将多幅散斑图像“综合”分析，有效抑制了噪声对DIC测量精度的影响，提高了变形测量分辨率；.3）利用前述图像采集系统和变形场分析方法开展了岩石试件变形破坏实验，发展了变形场的统计分析方法，从变形场数据中分析得到了结构非均匀性演化过程，并发现了岩石损伤重要阶段与宏观力学行为的对应关系；.4）基于岩石结构非均匀演化与宏观力学行为的对应关系，提出岩石变形破坏过程的“变结构”模型，并基于该模型对岩石试件宏观力学行为进行了表征。.本项目研究中发展的实验方法和系统对于相关领域搭建基于高速图像的变形测量系统有重要的指导意义。特别地，本研究提出的基于结构非均匀性演化建模的思想，为准脆性材料失稳破坏的力学表征提供了新思路。.项目研究期间在本领域主流期刊如Experimental Mechanics，Measurement Science and Technology等杂志上共发表SCI收录论文8篇，并得到多次正面引用。研究期间，项目组成员参加学术会议近20次，发表学术会议论文8篇。研究期间还申请国家发明专利5项，获授权1项。