一種應變局部化帶間距演變規律的多維同步優化測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種應變局部化帶間距測量技術，屬于巖土力學、巖土工程、實驗力 學、地質力學、工程材料力學性能測試等領域。
【背景技術】
[0002] 應變局部化是在材料破壞之前觀察到的應變集中于狹窄的帶狀區域內的現象，應 變局部化按載荷類型可以劃分為剪切應變局部化、拉伸應變局部化和壓縮應變局部化。應 變局部化現象可以在不同的層次上被觀察到，例如，晶粒尺度上的網狀滑移線、工程尺度上 的交叉的小斷層和地殼尺度上的網狀地質構造和地震帶都可歸結于應變局部化現象（王 學濱，潘一山.地質災害中的應變局部化現象.地質災害與環境保護，2001，12(4):1-5; 王學濱，趙揚鋒，代樹紅等.地震塊體模型的共輒剪切破裂帶數值模擬.防災減災工程學 報，2004, 24(2) :119-125)。應變局部化現象往往以網絡形式存在，這樣，應變局部化帶間距 的測量就成為應變局部化現象研究中不可回避的重要問題。
[0003] 目前，應變局部化帶間距的測量主要采用兩種方法：采用尺子和數字圖像技術測 量肉眼可見的裂紋面之間的間距，以此作為應變局部化帶的間距。實際上，這種測量方法 的誤差很大，測量結果因人而異，工作量大，難于實現自動化、批量、高效率測量，所獲取的 數據量有限，而且，測量的是裂紋面的間距，并非應變局部化帶的間距。應變局部化帶在啟 動及發展過程中，由于變形階段的不同和應力場的調整，應變局部化的方向及位置將發生 適當的變化。沒有任何理論證明，應變局部化帶間距等同于裂紋面間距。欲準確測量應變 局部化帶間距，必須著眼于應變場，在裂紋出現之前，應變場已變得不均勻，這種變化僅憑 肉眼一般不容易觀測到，不斷發展的數字圖像相關方法（王學濱，杜亞志，潘一山.基 于DIC粗-細搜索方法的單軸壓縮砂樣的應變分布及應變梯度的實驗研究.巖土工程學 報，2012, 34(11) :2050-2057 ;王學濱，杜亞志，潘一山·考慮一階和二階位移梯度的數 字圖像相關方法在剪切帶測量中的比較.工程力學，2013, 30(7) :282-287;王學濱，杜亞 志，潘一山.單軸壓縮濕砂樣局部及整體體積應變的數字圖像相關方法觀測.巖土工程學 報，2014, 36 (9) :1648-1656)為應變場的精確測量提供了便利條件。數字圖像相關方法是 一種光測力學方法，具有測量設備簡單、對測量環境要求低、測量精度高的優點。
[0004] 本發明提出采用數字圖像相關方法測量應變局部化帶的間距。以亞像素數字圖像 相關方法和雙三次樣條插值方法獲得的光滑性較好的應變場作為依據，將唯一應變局部化 帶間距的測量問題歸結于一個多維同步優化問題，利用群智能算法，通過不斷同步迭代，逐 漸縮小各條應變局部化帶數據與試探解答（各線段）之間的偏差，最終實現兼顧所有數據 的唯一的應變局部化帶角度和應變局部化帶間距的測量。
【發明內容】
[0005] 為了解決現有的應變局部化帶間距測量方法的精度低、效率低、獲取數據量有限 及所得結果不唯一的問題，本發明提供了一種基于數字圖像相關方法的應變局部化帶間距 演變規律的多維同步優化測量方法，提高了測量的效率、精度，可以獲取豐富的數據量，所 得結果唯一。
[0006] 本發明的特征在于，包括如下步驟：
[0007] 步驟1 :利用拍攝設備（數碼相機或CCD攝像頭）獲取在加載條件下試樣一個包 含散斑表面的數字圖像；
[0008] 步驟2 :利用亞像素數字圖像相關方法，獲取試樣表面的變形場：水平線應變ε x、 垂直線應變ey、剪切應變Yxy及最大剪切應變γ
[0009] 步驟3 :設置計算區域，獲取每條應變局部化帶中央及其附近的應變數據，該計算 區域可以是包含多條應變局部化帶的1個四邊形區域，也可是包含1條應變局部化帶的四 邊形區域的集合；
[0010] 對于計算區域是包含多條應變局部化帶的1個四邊形區域的情形：
[0011] 首先，設置包含多條應變局部化帶的1個四邊形計算區域；
[0012] 之后，根據應變場，確定走向一致的應變局部化帶的數目m ;
[0013] 之后，利用插值方法，獲取計算區域內光滑性較好的各種應變場；
[0014] 最后，利用粗估的被測應變局部化帶角度和寬度，設置多個狹長四邊形區域，每個 狹長四邊形區域僅包含1條應變局部化帶，獲取每條應變局部化帶中央及其附近的應變數 據；
[0015] 對于計算區域是包含1條應變局部化帶的四邊形區域的集合的情形：
[0016] 首先，根據應變場，確定走向一致的應變局部化帶的數目m ;
[0017] 之后，利用粗估的被測應變局部化帶角度和寬度，設置多個狹長四邊形區域作為 計算區域，每個狹長四邊形區域僅包含1條應變局部化帶；
[0018] 之后，利用插值方法，獲取計算區域內光滑性較好的各種應變場；
[0019] 最后，獲取每條應變局部化帶中央及其附近的應變數據；
[0020] 步驟4 :對于每條應變局部化帶，設置η個迭代初值和有關的迭代參數，對于任一 初值（一系列平行線段），初值的維數為m+1，其中包括1個斜率和m個截距，利用群智能算 法，通過不斷同步迭代，獲取各條線段共同的斜率和各自不同的截距；
[0021] 步驟5 :利用平行線之間距離公式，計算任意兩條相鄰應變局部化帶的間距。
[0022] 進一步地，其中，所述獲取在加載條件下試樣一個包含散斑表面的數字圖像進一 步為：若試樣表面的天然紋理可作為散斑場，則不必人工制作散斑場，否則，利用油漆、顏 料、墨水等噴涂人工散斑場，利用試驗機或加載裝置對試樣進行加載，同時，利用拍攝設備 記錄散斑場的圖像。
[0023] 進一步地，其中，所述利用亞像素數字圖像相關方法，獲取試樣表面的變形場進一 步為：選擇若干記錄的圖像，設置有關的計算參數和計算模式，使用亞像素數字圖像相關 方法計算圖像的位移場和應變場，應變場通過對位移場進行中心差分獲得，最大剪切應變
[0024]
Cl)
[0025] 進一步地，其中，所述走向一致的應變局部化帶是指應變局部化帶網絡中其角度 基本相同的若干應變局部化帶的集合。
[0026] 進一步地，其中，所述獲取每條應變局部化帶中央及其附近的應變數據進一步為： 設置臨界應變參數，將超過該參數的數據作為被測應變局部化帶的數據。
[0027] 進一步地，其中，所述狹長四邊形區域的寬度方向尺寸可取為材料平均顆粒直徑 的20~60倍，即應變局部化帶寬度的1~3倍；所述臨界應變參數由經驗確定，一般可取 為計算區域內γ_最大值的60%以上。
[0028] 進一步地，其中，所述迭代初值包括各條應變局部化帶所對應線段的共同斜率的 初值和不同截距的初值，故初值的維數比應變局部化帶的數目m多1，設任一個迭代初值為 Ω1= {k ^bll, 其中，Ic1為共同斜率的初值，Ib ll, 為不同截距的初 值。
[0029] 進一步地，其中，所述群智能算法可在粒子群優化算法、遺傳算法、差分進化算法 等算法中進行選擇。
[0030] 進一步地，其中，所述各條線段共同的斜率和各自不同的截距是指由這些參數確 定的m條線段與各條應變局部化帶中央及其附近的應變數據最為接近，即偏差達到最小
[0031]
( 2 )
[0032] 其中，下標1代表η個迭代初值中的任一個，I = 1~n ;Cl代表第i條應變局部 化帶的數據數目，通常，不同應變局部化帶的數據數目不同，i