CN113466066B - 一种基于dic技术的混凝土材料疲劳变形量及裂缝宽度的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于DIC技术的混凝土材料疲劳变形量及裂缝宽度的测量方法，属于材料疲劳测量技术领域。操作步骤如下：(1)试验准备，在试件表面制作散斑，散斑喷涂面为试件采集面；(2)图像采集，对试件进行疲劳加载试验，试验开始后采用DIC技术对试件采集面的图像信息进行采集；(3)分析处理采集图像得到试件疲劳加载过程的变形规律。本发明通过DIC技术采集疲劳全过程的变形图像，对图像进行计算处理后，可以对特定疲劳寿命下的裂缝宽度、高度、数量展开分析，对理论研究，工程应用具有重要意义。

Description

一种基于DIC技术的混凝土材料疲劳变形量及裂缝宽度的测 量方法

技术领域

本发明涉及一种基于DIC技术的混凝土材料疲劳变形量及裂缝宽度的测量方法，属于材料疲劳测量技术领域。

背景技术

在循环荷载作用下材料会产生相应的变形并且产生疲劳裂缝，而裂缝宽度每时每刻也不尽相同，但是目前疲劳变形量以及裂缝宽度存在难以测量的问题。而对加载过程中试件裂缝宽度以及变形量分析，可以掌握材料疲劳过程中的变形特性，对研究混凝土的疲劳特性有重要指导意义。

目前，混凝土疲劳过程中变形数据的采集大多是采用应变片、LVDT以及夹式引伸计进行采集。这些方法虽然操作简便，但是只能测得某一点处的数据或整体宏观变形的数据；其次，测点位置一旦出现裂缝应变片极易失效，因此无法获取充足的有效数据，特别是对于一些高韧性混凝土材料，变形较大且裂缝较多，使用常规应变片难以对其疲劳变形全过程进行采集，更无法对裂缝发展过程进行追踪。

同时在疲劳加载过程中，裂缝位置不易预测，使用常规方法很难检测到疲劳加载过程中裂缝的宽度、发展规律以及高度变化，如果在加载过程中停机卸载检测裂缝宽度，会导致部分裂缝出现宽度回缩甚至闭合，这使得现有研究成果中对循环荷载作用下裂缝的发展情况，特别是裂缝宽度、高度变化的研究较少。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于DIC技术的混凝土材料疲劳变形量及裂缝宽度的测量方法，通过DIC技术采集疲劳全过程的变形图像，对图像进行计算处理后，可以对特定疲劳寿命下的裂缝宽度、高度、数量展开分析，追踪裂缝发展过程，对理论研究，工程应用具有重要意义。

术语解释：

DIC技术(数字图像处理技术)：是一种通过分析数字图像获取变形数据的光学非接触测量方法，可以实时采集，其原理主要是数字图像匹配技术与双目立体视觉技术。该方法首先对两个高速相机进行平面标定，进而实时采集各变形阶段的散斑图像并利用数字图像相关算法实现物体表面变形点的匹配，而后根据变形点的视差数据以及平面标定得到的相机参数重建物面计算点的三维坐标，最终通过比较每一变形阶段测量区域内各点的三维坐标变化得到物面的全场变形信息。

拉格朗日插值法：为拉格朗日插值公式，指的是在节点上给出节点基函数，然后做基函数的线性组合，组合系数为节点函数值的一种插值多项式，原理图如图2所示。

线性插值也叫两点插值，已知函数y＝f(x)在给定互异点x₀,x₁上的值为y₀＝f(x₀)，y₁＝f(x₁)线性插值就是构造一个一次多项式：P₁(x)＝ax+b，使它满足条件：P₁(x₀)＝y_0，P₁(x₁)＝y₁；

其几何解释就是一条直线，通过已知点A(x₀,y₀)，B(x₁,y₁)可以求取两点之间点的值。

本发明的技术方案如下：

一种基于DIC技术的混凝土材料疲劳变形量及裂缝宽度的测量方法，操作步骤如下：

(1)试验准备，在试件表面制作散斑；

(2)图像采集，对试件进行疲劳加载试验，试验开始后采用DIC技术对试件进行图像信息采集；

(3)分析处理采集图像得到试件疲劳加载过程的变形规律。

优选的，步骤(1)中，散斑制作过程为：首先对试件采集面进行打磨，打磨结束后先喷涂哑光白底漆，再喷涂哑光黑漆，制作完成散斑。

进一步优选的，散斑反光率为2％～5％，哑光白底漆和哑光黑漆的光泽度均为20及以下。

优选的，步骤(2)中，图像信息采集使用的相机为高速工业相机，像素为500万及以上，分辨率为2448*2048。

优选的，步骤(2)中，图像采集与疲劳加载同步进行，同时开始，图像采集频率与疲劳加载频率相同或呈等比例倍数。

优选的，步骤(3)中，疲劳加载是一个长期加载过程，为保证数据的完整可靠，每循环1000次，对图像采集数据进行一次分析处理。

优选的，步骤(3)中分析处理步骤如下：

①选择分析区域，在图像采集完成后，根据试验需求选择分析区域，②划分分析网格，具有多裂缝开裂的高韧性水泥基复合材料，裂缝位置随机且密集，参考试验所得裂缝间距，网格划分尺寸选取为1～15pixel；单点开裂的普通混凝土材料，开裂方式多为单一裂缝，为减小计算量，网格划分尺寸选取为15～20pixel；

③选择参考点，参考点的选取应避开大变形位置，如高韧性水泥基复合材料的弯曲疲劳试验中，底部纯弯段拉应变可达2％～3％，因此在选择参考点时应避开跨中纯弯段底部，在分析区域端部，变形较小的位置进行选取；而对于普通混凝土材料，整体变形量较小，因此不存在上述问题，可以在分析区域任意选取参考点。

④匹配图像，若使用2个及以上的相机进行采集则需要图像匹配，若使用单相机采集则无需匹配；

⑤计算分析，对于图像中的缺失点，使用插值法计算任一缺失点的值(x’，y’)，缺失点因为散斑制作不清晰或采集偏差产生，通过距离缺失点最近的两点(x0，y0)，(x1，y1)估计缺失点的值，假设y＝f(x)是一条直线，通过已知的两点(x0，y0)，(x1，y1)选取拉格朗日插值法计算函数f(x),x’＝(x0+x1)/2,然后通过y’＝f(x’)求出y’，以此来估计缺失点的值。

⑥变形量分析，通过点-点距离及点坐标变化获取应变量和挠度值：

通过点-点距离的方法求取应变量，具体是指：求取变形前裂缝所处分析网格两侧两点之间的距离L，以及变形前、后该两点之间的横坐标的变化量ΔL，计算变化率ΔL/L，即应变量；疲劳加载为波形加载，存在峰值与谷值，峰值时拍摄的图像信息中得出的应变量为最大拉应变，谷值时拍摄的图像信息中得出的应变量为最小拉应变，以疲劳寿命为横坐标，拉应变为纵坐标创建最大拉应变、最小拉应变与疲劳寿命的关系图；

点-点距离：原理是“虚拟引伸计”，通过两点之间的距离变化值计算两点之间的变形量，可以表述为：分析网格点之间的距离变化，通过距离变化反应变形量的发展。

通过点坐标变化求取挠度值，具体是指：在裂缝位置选取分析点，然后创建竖向点-点距离，变形前、后该两点之间的纵坐标的变化量即为挠度值；

⑦裂缝位置及数量分析，在分析区域底部创建截线，截线的长度贯穿整个分析区域，分析沿截线方向的应变量变化，创建单一加载循环下试件轴线方向的应变分布图，如图6所示，横坐标为沿试件轴线长度，沿试件轴线长度为截线长度，图中正(应变突变)峰值表示裂缝，根据正峰值的位置以及数量，得到裂缝的位置与数量，即正峰值的位置为裂缝的位置，正峰值的数量等于裂缝的数量，负峰值是图像分析中出现的数值计算误差；

⑧裂缝宽度分析，根据分析网格划分尺寸，分层创建截线，首先通过步骤⑦确定裂缝的位置与数量，确定裂缝位置后，在每层截线方向上裂缝所在分析网格的两侧选取两点，创建点-点距离，变形前、后该两点之间距离的变化量即为裂缝宽度，将每层截线上的裂缝宽度整合在一起即可得到裂缝形状；

⑨裂缝高度分析，根据步骤⑥分析的应变量数据，使用matlab软件创建应变场云图，根据应变场云图确定裂缝高度发展位置，在裂缝高度发展位置创建分析点，分析点纵坐标即为裂缝高度；

优选的，步骤④中，使用matlab软件进行匹配图像，具体过程为，首先对相机进行平面标定，实时采集各变形阶段的散斑图像并对物体表面变形点进行匹配，然后根据变形点的视差数据以及平面标定得到的相机参数重建物面计算点的三维坐标，最终通过比较每一变形阶段测量区域内各点的三维坐标变化得到物面的全场变形信息。

优选的，步骤⑦中，对于弯曲变形试件，根据变形情况在试件侧面底部受拉边缘创建直截线或圆弧截线，变形情况较小创建直截线，如图3中的长虚线所示，变形情况较大创建圆弧截线，如图4中的粗实线所示；

对于拉伸或压缩试件，在中轴线位置处创建直截线，如图5中粗实线所示。

本发明的有益效果在于：

本发明通过DIC技术采集疲劳全过程的变形图像，对图像进行计算处理后，可以对特定疲劳寿命下的裂缝宽度、高度、数量展开分析，对理论研究，工程应用具有重要意义。

附图说明

图1为本发明步骤(3)中的分析处理步骤流程图；

图2为拉格朗日插值法原理图；

图3为本发明的数据分析原理图；

图4为本发明的弯曲试件截线示意图；

图5为本发明的拉伸试件截线示意图；

图6为单一加载循环下试件轴线方向的应变分布；

图7为本发明的裂缝分层截线划分示意图；

图8为本发明的散斑制作过程图；

图9为本发明的匹配图像过程图；

图10为本发明的最大拉应变、最小拉应变与疲劳寿命的关系图；

图11为本发明的应变场云图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

本实施例提供一种基于DIC技术的混凝土材料的弯曲疲劳变形量及裂缝宽度的测量方法，操作步骤如下：

(1)试验准备，在试件表面制作散斑；

(2)图像采集，对试件进行疲劳加载试验，试验开始后采用DIC技术对试件进行图像信息采集；

(3)分析处理采集图像得到试件疲劳加载过程的变形规律。

步骤(3)中，疲劳加载是一个长期加载过程，为保证数据的完整可靠，每循环1000次，对图像采集数据进行一次分析处理。

步骤(3)中分析处理步骤如下，过程如图1所示：

①选择分析区域，在图像采集完成后，根据试验需求选择分析区域，对于弯曲变形试件，选取跨径范围作为分析区域，如400mm×100mm×100mm的四点弯曲试件，其分析区域选为支座间(跨径)300mm×100mm的区域；对于拉压变形试件，选取整个试件采集面作为分析区域；

②划分分析网格，具有多裂缝开裂的高韧性水泥基复合材料，裂缝位置随机且密集，参考试验所得裂缝间距，网格划分尺寸选取为1～15pixel；单点开裂的普通混凝土材料，开裂方式多为单一裂缝，为减小计算量，网格划分尺寸选取为15～20pixel；

③选择参考点，参考点的选取应避开大变形位置，如高韧性水泥基复合材料的弯曲疲劳试验中，底部纯弯段拉应变可达2％～3％，因此在选择参考点时应避开跨中纯弯段底部，在分析区域端部，变形较小的位置进行选取；而对于普通混凝土材料，整体变形量较小，因此不存在上述问题，可以在分析区域任意选取参考点。

④匹配图像，若使用2个及以上的相机进行采集则需要图像匹配，若使用单相机采集则无需匹配；

⑤计算分析，对于图像中的缺失点，使用插值法计算任一缺失点的值(x’，y’)，缺失点因为散斑制作不清晰或采集偏差产生，通过距离缺失点最近的两点(x0，y0)，(x1，y1)估计缺失点的值，假设y＝f(x)是一条直线，通过已知的两点(x0，y0)，(x1，y1)选取拉格朗日插值法计算函数f(x),x’＝(x0+x1)/2,然后通过y’＝f(x’)求出y’，以此来估计缺失点的值。

⑥变形量分析，通过“点-点距离”及点坐标变化获取应变量和挠度值：

通过点-点距离的方法求取应变量，具体是指：求取变形前裂缝所处分析网格两侧两点之间的距离L，以及变形前、后两点之间的横坐标的变化量ΔL，计算变化率ΔL/L，即应变量；疲劳加载为波形加载，存在峰值与谷值，峰值时拍摄的图像信息中得出的应变量为最大拉应变，谷值时拍摄的图像信息中得出的应变量为最小拉应变，以疲劳寿命为横坐标，拉应变为纵坐标创建最大拉应变、最小拉应变与疲劳寿命的关系图，如图10所示；

点-点距离：原理是“虚拟引伸计”，通过两点之间的距离变化值计算两点之间的变形量，可以表述为：分析网格点之间的距离变化，通过距离变化反应变形量的发展。

通过点坐标变化求取挠度值，具体是指：在裂缝位置选取分析点，然后创建竖向点-点距离，变形前、后两点之间的纵坐标的变化量即为挠度值；

⑦裂缝位置及数量分析，在分析区域底部创建截线，截线的长度贯穿整个分析区域，分析沿截线方向的应变量变化，创建单一加载循环下试件轴线方向的应变分布图，如图6所示，横坐标为沿试件轴线长度，沿试件轴线长度为截线长度，图中正(应变突变)峰值表示裂缝，根据正峰值的位置以及数量，得到裂缝的位置与数量，即正峰值的位置为裂缝的位置，正峰值的数量等于裂缝的数量，负峰值是图像分析中出现的数值计算误差；

弯曲变形试件，根据变形情况在试件侧面底部受拉边缘创建直截线或圆弧截线，变形情况较小创建直截线，如图3中的长虚线所示，变形情况较大创建圆弧截线，如图4中的粗实线所示；

⑧裂缝宽度分析，根据分析网格划分尺寸，分层创建截线，如图7所示，首先通过步骤⑦确定裂缝的位置与数量，确定裂缝位置后，在每层截线方向上裂缝所在分析网格的两侧选取两点，创建点-点距离，变形前、后该两点之间距离的变化量即为裂缝宽度，将每层截线上的裂缝宽度整合在一起即可得到裂缝形状；

⑨裂缝高度分析，根据步骤⑥分析的应变量数据，使用matlab软件创建应变场云图，如图11所示，根据应变场云图确定裂缝高度发展位置，在裂缝高度发展位置创建分析点，分析点纵坐标即为裂缝高度。

实施例2：

一种基于DIC技术的混凝土材料疲劳变形量及裂缝宽度的测量方法，操作步骤如实施例1所述，不同之处在于，步骤(1)中，散斑制作过程为，首先对试件采集面进行打磨，打磨结束后先喷涂哑光白底漆，再喷涂哑光黑漆，制作完成散斑，制作过程如图8所示。目前制作散斑的方法包括散斑印章、散斑贴纸、激光散斑以及人工喷涂散斑，考虑到疲劳加载为动态过程，特别是对于高韧性水泥基材料，变形量较大，因此选择人工喷涂的方式进行散斑制作，保证疲劳加载过程中散斑位置的稳定，利于图像匹配以及后期选点分析；为保证相机采集过程中，散斑图像的清晰，控制散斑反光率在2％～5％，哑光白底漆和哑光黑漆的光泽度均为20。

实施例3：

一种基于DIC技术的混凝土材料疲劳变形量及裂缝宽度的测量方法，操作步骤如实施例1所述，不同之处在于，步骤(2)中，图像信息采集使用的相机为高速工业相机，像素为500万及以上，分辨率为2448*2048。

步骤(2)中，图像采集与疲劳加载同步进行，同时开始，图像采集频率与疲劳加载频率相同或图像采集频率为加载频率的1/2，如加载频率为10Hz，图像采集频率为每秒钟采集5张。

实施例4：

一种基于DIC技术的混凝土材料疲劳变形量及裂缝宽度的测量方法，操作步骤如实施例1所述，不同之处在于，步骤④中，使用matlab软件进行匹配图像，具体过程为，首先对相机进行平面标定，实时采集各变形阶段的散斑图像并对物体表面变形点进行匹配，然后根据变形点的视差数据以及平面标定得到的相机参数重建物面计算点的三维坐标，最终通过比较每一变形阶段测量区域内各点的三维坐标变化得到物面的全场变形信息，匹配图像过程如图9所示。

Claims (5)

1.一种基于DIC技术的混凝土材料疲劳变形量及裂缝宽度的测量方法，其特征在于，操作步骤如下：

(1)试验准备，在试件表面制作散斑；

(2)图像采集，对试件进行疲劳加载试验，试验开始后采用DIC技术对试件进行图像信息采集；

(3)分析处理采集图像得到试件疲劳加载过程的变形规律；

步骤(1)中，散斑制作过程为：首先对试件采集面进行打磨，打磨结束后先喷涂哑光白底漆，再喷涂哑光黑漆，制作完成散斑；

散斑反光率为2％～5％，哑光白底漆和哑光黑漆的光泽度均为20及以下；

步骤(3)中分析处理步骤如下：

①选择分析区域，在图像采集完成后，根据试验需求选择分析区域，对于弯曲变形试件，选取跨径范围作为分析区域；对于拉压变形试件，选取整个试件采集面作为分析区域；

②划分分析网格，具有多裂缝开裂的高韧性水泥基复合材料，裂缝位置随机且密集，网格划分尺寸选取为1～15pixel；单点开裂的普通混凝土材料，开裂方式多为单一裂缝，为减小计算量，网格划分尺寸选取为15～20pixel；

③选择参考点，参考点的选取避开大变形位置；

④匹配图像，若使用2个及以上的相机进行采集则需要图像匹配，若使用单相机采集则无需匹配；

⑤计算分析，对于图像中的缺失点，使用插值法计算任一缺失点的值(x’，y’)，通过距离缺失点最近的两点(x0，y0)，(x1，y1)估计缺失点的值，假设y＝f(x)是一条直线，通过已知的两点(x0，y0)，(x1，y1)选取拉格朗日插值法计算函数f(x),x’＝(x0+x1)/2,然后通过y’＝f(x’)求出y’，以此来估计缺失点的值；

⑥变形量分析，通过点-点距离及点坐标变化获取应变量和挠度值：

通过点-点距离的方法求取应变量，具体是指：求取变形前裂缝所处分析网格两侧两点之间的距离L，以及变形前、后该两点之间的横坐标的变化量ΔL，计算变化率ΔL/L，即应变量；疲劳加载为波形加载，存在峰值与谷值，峰值时拍摄的图像信息中得出的应变量为最大拉应变，谷值时拍摄的图像信息中得出的应变量为最小拉应变，以疲劳寿命为横坐标，拉应变为纵坐标创建最大拉应变、最小拉应变与疲劳寿命的关系图；

通过点坐标变化求取挠度值，具体是指：变形前、后该两点之间的纵坐标的变化量即为挠度值；

⑦裂缝位置及数量分析，在分析区域底部创建截线，截线的长度贯穿整个分析区域，分析沿截线方向的应变量变化，创建单一加载循环下试件轴线方向的应变分布图，横坐标为沿试件轴线长度，沿试件轴线长度为截线长度，图中正峰值表示裂缝，根据正峰值的位置以及数量，得到裂缝的位置与数量，即正峰值的位置为裂缝的位置，正峰值的数量等于裂缝的数量；

⑧裂缝宽度分析，根据分析网格划分尺寸，分层创建截线，首先通过步骤⑦确定裂缝的位置与数量，确定裂缝位置后，在每层截线方向上裂缝所在分析网格的两侧选取两点，创建点-点距离，变形前、后该两点之间距离的变化量即为裂缝宽度，将每层截线上的裂缝宽度整合在一起即可得到裂缝形状；

⑨裂缝高度分析，根据步骤⑥分析的应变量数据，使用matlab软件创建应变场云图，根据应变场云图确定裂缝高度发展位置，在裂缝高度发展位置创建分析点，分析点纵坐标即为裂缝高度；

步骤④中，使用matlab软件进行匹配图像，具体过程为，首先对相机进行平面标定，实时采集各变形阶段的散斑图像并对物体表面变形点进行匹配，然后根据变形点的视差数据以及平面标定得到的相机参数重建物面计算点的三维坐标，最终通过比较每一变形阶段测量区域内各点的三维坐标变化得到物面的全场变形信息。

2.如权利要求1所述的基于DIC技术的混凝土材料疲劳变形量及裂缝宽度的测量方法，其特征在于，步骤(2)中，图像信息采集使用的相机为高速工业相机，像素为500万及以上，分辨率为2448*2048。

3.如权利要求1所述的基于DIC技术的混凝土材料疲劳变形量及裂缝宽度的测量方法，其特征在于，步骤(2)中，图像采集与疲劳加载同步进行，同时开始，图像采集频率与疲劳加载频率相同或呈等比例倍数。

4.如权利要求1所述的基于DIC技术的混凝土材料疲劳变形量及裂缝宽度的测量方法，其特征在于，步骤(3)中，每循环1000次，对图像采集数据进行一次分析处理。

5.如权利要求1所述的基于DIC技术的混凝土材料疲劳变形量及裂缝宽度的测量方法，其特征在于，步骤⑦中，对于弯曲变形试件，根据变形情况在试件侧面底部受拉边缘创建直截线或圆弧截线；

对于拉伸或压缩试件，在中轴线位置处创建直截线。

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