数字云纹法及其在大变形测量中的应用

论文摘要

数字云纹技术是分析软材料大变形力学问题的有效实验方法。结合新的数学方法和图像处理技术,本文着重开展了两个方面的工作:一方面是深入地研究了适用于大变形测量的数字云纹测量技术;另一方面系统地研究了橡胶类材料大变形力学场的分区模型和各力学参量的分布特征。在橡胶类材料大变形测量的实验技术方面,首次提出了圆环栅数字云纹技术,实现了对实验位移场极坐标分布的直接测量。采用坐标变换及其逆变换技术,解决了对圆环变形栅和射线变形栅进行数字图像处理过程中遇到的困难,可以方便地实现变形栅线图和计算结果在两个坐标系统下的分析与转换。本文将数字云纹技术应用于橡胶类材料裂尖附近的大变形位移场与应变场的实验测量,系统地分析了裂尖附近区域大变形场的分布特征,首次从实验的角度证明了橡胶类材料大变形断裂问题裂尖场分区模型的存在。在变形过程中裂尖场确实存在有以θ=0为中心的扩张区和以θ=π/2为中心的收缩区。通过对应变场的分析,给出了收缩区与扩张区的边界线位置,讨论了各力学参量在不同扇区的一些分布特征:如极值方向、零线位置等。本文研究了不同载荷情况对分区模型的影响。本文对比分析了两种不同橡胶材料的裂尖场分区特征,结果表明材料性质变化对分区模型没有明显的影响。本文还分析了裂尖场的应变奇异性问题,分别得到了扩张区和收缩区的主应变奇异性指数。本文研制了一种适用于大变形测量的制栅技术,将这种简便的制栅技术与埋入法相结合,发展了测量物体内部截面变形场的体内栅数字云纹技术。本文利用小波变换对逻辑云纹进行图像处理,通过小波重构模拟出数字云纹条纹,将相移技术、条纹倍增和还原技术应用于数字云纹法,提高了大变形数字云纹技术的测量灵敏度,实现了对实验数据的自动化处理。这些数字云纹方法的提出,拓宽了云纹测量技术的应用范围。此外,本文还通过实验验证了这些方法的可行性。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 前言
• 1.1 本文选题的背景与意义
• 1.2 本文研究领域的发展与研究现状
• 1.2.1 大变形材料断裂与接触问题的研究现状
• 1.2.2 云纹法的发展与研究现状
• 1.3 本文主要工作
• 第二章 数字云纹法及其相移技术
• 2.1 数字云纹法
• 2.2 小波变换技术及其在数字云纹测量技术中的应用
• 2.3 相移技术和条纹倍增技术用于数字云纹法
• 2.3.1 数字云纹法中的相移技术
• 2.3.2 数字云纹法中的条纹还原与倍增技术
• 2.4 数字云纹法相关实验与分析
• 2.4.1 制栅技术和实验硬件配置
• 2.4.2 试件材料及其制备
• 2.4.3 数字云纹法图像处理程序流程
• 2.5 关于数字云纹实验中误差的几点讨论
• 2.6 本章小结
• 第三章 圆环栅及体内栅数字云纹技术
• 3.1 圆环栅数字云纹技术基本原理
• 3.1.1 圆环栅云纹的形成机理
• 3.1.2 圆环栅云纹条纹级数与位移的关系
• 3.1.3 圆环栅数字云纹技术中的坐标变换技术
• 3.1.4 圆环栅数字云纹技术中的相移技术
• 3.1.5 圆环栅数字云纹技术的数字仿真与实验流程
• 3.2 橡胶类材料大变形I型断裂实验
• 3.2.1 实验
• 3.2.2 实验结果分析
• 3.3 体内栅数字云纹技术
• 3.3.1 硅橡胶材料与刚性压头的接触实验
• 3.3.2 实验结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 橡胶类材料大变形断裂问题与分区模型的实验研究
• 4.1 橡胶类材料的基本力学性能实验
• 4.2 橡胶类材料大变形断裂问题的实验研究
• 4.2.1 橡胶类材料大变形断裂问题的位移场分析
• 4.2.2 平面大变形情况下位移与应变间的一般关系式
• 4.2.3 橡胶类材料大变形断裂问题的应变场分析
• 4.3 两种载荷作用下裂尖场的实验结果比较
• 4.4 两种橡胶类材料裂尖场的实验结果比较
• 4.5 刚性压头作用下大变形接触问题的实验分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢