[發明專利]一種基于透明光彈材料同時測量飽和顆粒介質應力和位移的方法

有效

• 申請號: 201711365800.3
• 申請日: 2017-12-18
• 公開（公告）號: CN108106973B
• 公開（公告）日: 2020-01-10
• 發明（設計）人: 趙紅華;劉聰;邱鵬;雷振坤
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01N15/00
• 分類號: G01N15/00;G01N21/23
• 代理公司: 21200 大連理工大學專利中心
• 代理人: 梅洪玉

1.一種基于透明光彈材料測量飽和顆粒介質應力和位移的方法，其特征在于，步驟如下：

步驟一，顆粒介質的配置：采用直徑為2-4cm的透明光彈材料顆粒，借助阿貝折射儀測出與透明光彈材料顆粒材料折射系數相匹配的孔隙液體；將透明光彈材料顆粒利用“落砂法”填充到模型箱中，在模型箱底部形成一層，之后利用軟管沿模型箱壁從下向上慢慢充滿孔隙液體，最終配制成飽和顆粒材料介質，即飽和透明光彈顆粒模型(5)；

步驟二，采集設備安置：采集設備包括數字相機(1)、計算機(2)、分析鏡片(3)、扇面激光光源(4)、飽和透明光彈顆粒模型(5)、偏振鏡片(6)和光源(7)，分析鏡片(3)、飽和透明光彈顆粒模型(5)、偏振鏡片(6)和光源(7)同軸，光源(7)依次通過偏振鏡片(6)、飽和透明光彈顆粒模型(5)和分析鏡片(3)后，被數字相機(1)捕捉，數字相機(1)與計算機(2)連接；扇面激光光源(4)位于飽和透明光彈顆粒模型(5)正下方，用于提供扇形激光光源；

步驟三：在飽和顆粒材料介質表層放置加載板，加載試驗機通過加載板將外力施加到透明光彈材料顆粒上；施加荷載前，打開扇面激光光源(4)，照射飽和透明光彈顆粒模型(5)，扇面激光和透明光彈材料顆粒介質相互作用產生激光散斑，同時設定好數字相機(1)的位置、焦距和采集時間間隔；

步驟四，施加荷載：對配制的飽和顆粒材料介質施加荷載，在飽和顆粒材料介質內引起應力和變形以及顆粒的運動；同時啟動數字相機(1)的圖像采集功能，連續施加到荷載一定值后停止加載；

步驟五：設置偏振片：正交平面偏振光場中分析鏡(3)的初始角度β＝45°，α、β分別為偏振鏡片(6)和分析鏡片(3)與參考軸x夾角，α初始角度為135°，θ為飽和透明光彈顆粒模型(5)第一主應力σ₁與參考軸x夾角θ＝60°；同步旋轉分析鏡片(3)的角度β，得到相應的圖片；

步驟六，圖像采集：采用白光四步相移法和黃光六步相移法，用數字相機(1)記錄透明光彈材料顆粒受荷載運動過程中的兩幅光彈性條紋圖，然后利用光彈應力分析的原理和處理方法分析透明光彈材料顆粒內部的應力，利用兩幅光彈性條紋圖的相關性分析間隔時間Δt內透明光彈材料顆粒發生的位移；把第一幅圖像劃分為n個子窗口，把第二幅圖像也劃分成n個子窗口，然后對第一幅圖中的每個子窗口和第二幅圖中的每個子窗口進行相關系數運算，相關系數最大的子窗口就是第一幅圖中的子窗口發生變形和位移后對應的窗口；若計算得到第一幅圖中的子窗口I₁中心位置為(m,n)，它對應第二幅圖中的子窗口I₂中心的位置為(m+s,n+t)，則第一幅圖中的子窗口I₁分別在兩個方向上發生了s和t個像素的位移；

步驟七：利用數字相機(1)標定參數，計算子窗口中心的實際位置和s，t對應的實際位移值s_w，t_w；

步驟八：得到應力，繪制力鏈：光源(7)通過偏振鏡片(6)進入飽和透明光彈顆粒模型(5)，在飽和透明光彈顆粒模型(5)內產生相位差，根據應力光學定律，得到主應力差；通過白光四步彩色相移法，由于飽和透明光彈顆粒模型(5)內各點的主應力方向是不同的，獲得特定角度的等傾線；通過黃光六步相移法得到等色線，處理圖片，進而得到主應力數值的分布曲線；之后根據應力的分布大小，相應的繪制力鏈的大小。