DIC技术在岩石力学实验教学中的应用与实践

2020-11-21朱权洁张尔辉刘晓辉赵启峰

华北科技学院学报 2020年4期

朱权洁，梁娟，张尔辉，龚剑，刘晓辉，赵启峰

(1. 华北科技学院应急技术与管理学院，北京东燕郊 065201；2. 防灾科技学院文化与传播学院，北京东燕郊 065201；3. 华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 065201；4. 郑州工程技术学院土木工程学院，郑州 450044)

0 引言

岩石力学实验对研究岩石破坏失稳特征和相关力学参数具有指导意义，对岩石力学等学科的教学工作具有促进意义。近年来，随着测量手段的丰富，多种方法已成功应用于岩石力学实验教学实践中[1-2]。章云等[3]以探索满足创新产业发展所需复合型人才的培养新模式为目标，重构课程体系、创新培养方式等，推进工程人才培养模式改革。杨立云等[4]结合矿山井巷工程教学实验情况和需求，设计和搭建了基于加载系统、数字图像相关(DIC)监测与分析系统，为学生大创、毕业设计等提供了开放实验环境。盛建龙等[5]针对人才培养理念、知识结构体系、培养模式与创新人才培养不协调问题，提出了采矿工程专业创新人才培养改革的原则，并从课程体系、教学手段和教学资源等维度进行了改革探索。为了通过科研促进教学水平的提高，开拓学生的视野，提高学生的学习兴趣，朱建国[6]将二维数字图像相关法测试引入到材料力学实验教学中。为了克服传统接触式测量技术的局限性，深入革新实验教学内容，帮助学生了解掌握最新的测量方法和先进技术，进而培养学生的创新精神、科研意识和国际化视野，梁栋等[7]在材料力学平板拉伸实验中引入了数字图像相关技术以及红外热像技术。苏勇等[8]专注于数字图像相关方法的原理研究和应用拓展，有效提升了该方法的测量精度和计算速度，在诸多领域取得了一系列研究成果。潘兵[9-10]等介绍了三维数字图像相关方法的基本原理及其关键技术，并用两个典型的例子验证了该方法的有效性和对于岩石力学实验教学实践的指导意义。

本文将数字图像技术引入到岩石力学实验教学实践中，一方面，克服传统岩石力学实验的测量方法和教学方式，改进教学内容，促进学生快速掌握实验内容和实验原理，另一方面，培养学生的创新精神、科研意识和国际化视野。

1 力学试验中应变片测量及其缺陷

在压缩变形试验等岩石力学实验过程中，对岩石类材料的力学性质检测是必不可少的环节。岩石材料在受到外部作用力时会产生变形，变形到一定程度就发生断裂破坏。岩石材料的这类力学行为可以用“拉、压、弯、剪”等力学性能来进行描述。上世纪四十年代，基于“应变效应”原理，电阻应变片使材料力学性能的定量描述成为现实。随着应变片技术的快速发展，以及配套标准的制定，应变片被广泛应用于工程领域，用于各类结构物荷载测定、土木工程健康监测等。

在矿业工程本科教学中，《岩石力学》含有岩石压缩变形试验。该试验是在纵向压力作用下测定试样的轴、径向变形，由此计算岩石试件的弹性模量和泊松比。岩石压缩变形试验的主要设备包括电阻应变仪、压力传感器、引伸计等，与应变仪配套的还有电阻应变片、粘接剂、万用表等。利用应变仪进行压缩变形试验的过程可概述为：(1)选择电阻片，并贴在岩石试件合适的位置；(2)酒精擦净，利用914粘接剂等脆性胶将电阻片固定在试件上；(3)将试件置于压力机制下，选择连接方式接入应变仪中，接通电源并进行加载试验；(4)同步采集记录不少于10组数据，同时记录试件破坏形式及其它相关情况，并绘制应力应变曲线。传统的实验装置如图1所示。

图1 传统实验方法及装置

在开展完上述操作过程后，需要对采集的数据进行整理和计算，进而求取相关参数。首先，根据公式计算体积应变值，绘制应力应变曲线图；然后，基于应力应变曲线，计算试样的弹性模量E、泊松比μ；最后，根据最大破坏荷载和试件横截面积计算单轴抗压强度σc。

应变片优缺点同样突出，其优点可表述为灵敏度高、测量速度快等，但存在防潮性能差、受导线影响、施工过程较繁杂等。此外，单个应变片只能测量表面一个点某一方向上的应变，且需要保证岩石材料自身没有大的离面变形。如果测量对象体型大，应变片的安装布置将会是非常大的工程。基于这一背景，为改进现有落后技术手段，将数字图像相关监测系统引入岩石力学试验之中，该技术使用高速摄像机以及相关的专业软件对试件进行光学测量，可以高精度地测量材料的变形、形变和应变等信息。相对于传统应变片，该技术从测量精度、计算方法、表达形式等有了颠覆改进，其引入为本科生的教学和大创活动提供思路和条件。

2 数字图像技术的引入与应用

数字图像相关(Digital Image Correlation，DIC)技术是一种非接触式现代光学测量技术，该技术实质上是一种对全场位移和应变进行量化分析的非接触式测量方法。该方法在岩石力学试验中的应用可简述为：首先对目标试样表明制作散斑，确保试样表面具备明显的特征；在压缩变形试验过程中，采用数码相机或光电摄像机对目标试样进行图像采集，并将图像数字化；最后匹配追踪两个时刻同一散斑点的位移矢量变化，对所选定图像区域进行匹配运算，获取该区域面内位移和应变等特征信息。

2.1 DIC技术原理

数字图像相关法(DIC)是通过计算试件表面变形前后的散斑图像灰度，从而获得试件的位移和变形等参数。为了评估参考区域和变形区域之间的变形特征，首先给定变形前基准图像和变形后目标图像的特征函数分别为I1=F1(x，y)，I2=F2(x，y)。假设对基准图像上的点P点位置进行追踪，则需求得其在目标图像的匹配点。在变形前基准图像中选择方形参考子区，然后在变形后目标图像上进行逐点搜索对应的位移值。用相关匹配方法在变形后目标图像上搜索与之最匹配的数字图像子区，匹配成功后，得到P点的位移。依照此方法继而得到监测区域的应变全场。其原理如图2所示。

图2 数字图像相关匹配示意图[10]

当白光照射到橡皮粗糙表面时，形成随机分布的散斑，用CCD记录散斑图。物体表面的散斑随着物体的变形而运动，分析变形前后的散斑图，得到散斑沿U和V方向的相对位移，既物体沿横向和纵向的相对变形。变形前后的两幅散斑图存在相关性。在变形不大的情况下，物体表面的散斑场的灰度变化可以忽略不计。设(x，y)是变形前的一点，(x*，y*)是变形后的相应点，两者的关系为：

(1)

用函数F(xi，yi)表示变形前某一点(xi，yi)处的灰度值，G(x*I，y*i)表示变形后对应点(x*I，y*i)处的灰度值，由概率与数理统计理论可知，两者的相关系数为：

(2)

仅取试件中部下方的微小区域(宏观上为可也认为是一点)。采集三点弯曲过程中的散斑图，计算V场，此时V场的平均值近似等于试件的弯曲挠度f，则试件的弯曲弹性模量Ef为：

(3)

式中，ΔP为载荷与挠度曲线上初始直线段的载荷增量，N；Δf为对应于ΔP的试件跨度中点处的挠度增量，mm；本实验用V值代替。L为跨度，mm；b为试件宽度，mm；h为试件厚度，mm。

2.2 在岩石力学实验中的应用

在本科生《岩石力学》、《井巷工程》实验中，为了研究岩石压缩变形特征，可以引入DIC系统对加载过程中岩石试件的损伤破坏进行追踪，并对其位移场和应变场进行非接触式精确测量。DIC系统实验设备操作简单，数据采集和后处理过程简单，所获得结果直观形象。最为主要的试验前期准备、实验条件以及实验工作量较应变片测量有了较大改观。数字图像技术的引入也使采矿专业学生有了更多的发挥空间，学生可以大胆构思，创新设计新的试验方案(如围岩支护、回采相似模拟等)，并结合MATLAB、Python进行试验数据的后期可视化处理和处理软件的二次开发，进而开展更多的高质量大学生创新活动[11-12]。众多研究结果表明，DIC系统的测量结果与应变片测量结果吻合度较好[13]。DIC系统的非接触式、可视化测量特点更符合现代岩石力学实验的需求和发展趋势。

数字图像技术相较传统岩石力学实验系统具有诸多优势，可概括为：实验设备操作简单，数据采集和处理过程简单，显示结果直观形象，测试环境要求低；支持全场测量，可以测量整个范围内所有点的应变、位移以及任意两点之间的距离，相当于试件表面布置了无数个应变片和引伸计，可以提供海量数据；测试过程非接触，不影响变形过程；对被测对象的材料没有要求；可快速测量全过程变形，实现动态测量；针对各种复杂构建，对于应力集中和应力梯度可以测得清晰数据[14]。

3 教学实验的设计与实践

3.1 实验方案的设计

利用上述实验方法，对煤、岩样试件进行了单轴压缩变形试验，并借助DIC系统和声发射AE系统对试件变形破坏过程进行了监测和分析。

(1) 试样制作与实验设备

DIC系统有：光源、CCD高分辨率相机、图像卡、监视器、计算机及软件。光源为白光，由光纤灯产生。计算机及软件主要由图像采集、相关运算、数据处理等软件模块组成。实验装置如图3所示。

图3 试验装置

利用实验室制样设备制作长宽高分别为20 mm×20 mm×50 mm的试件，利用打磨机对上下断面进行打磨。试件表面喷漆制作散斑。

(2) 实验过程及参数

首先加工制作方柱形岩石试件，在试样表面喷漆制作散斑；将声发射传感器固定于试件侧面，避免挡住相机视角；将试件移到加载装置上，打开白光光源照射试样表面，布置相机并固定拍摄方位；打开图像采集系统，打开伺服机，设置同步，开始试验。实验完成后，即可对散斑图像进行相关运算，计算求取岩石试件的位移场和应变场。RLJW-2000试验机作为试验加载系统，控制方式为位移扩展，位移控制加载速率为0.05 mm/min。此外，利用CCD相机搭建数据采集系统，对试验加载全过程试件表面散斑图像进行采集。其中，CCD相机速率为3.5帧/s，图像分辨率为1600像素×1200像素，物面分辨率为0.1316 mm/像素。

3.2 实验教学的开展与实施

基于上述方法和原理可针对教学内容或学生大创内容进行不同试验，例如岩石、煤、混凝土等多种材料的单轴拉压实验、三轴伺服实验、循环加载实验等。利用RMT-301试验机进行加载并记录力学破坏参数，CCD相机采集变形场演化特征图像。限于篇幅，本文具体介绍煤单轴压缩实验的具体开展方式和在实验教学中的应用，具体实施步骤如图4所示，人工散斑场及图像识别效果如图5所示。

图4 实验步骤设计

图5 人工散斑场效果图

首先选择试件侧表面比较平整的一面作为散斑面，在散斑面均匀喷洒一层黑漆作为散斑场底色，然后，喷洒白漆颗粒使其随机散落在试件散斑面，制作成人工散斑场。其次，加载系统、数字图像采集系统及声发射采集系统设置完成后需进行校准对时，保证整个实验系统的时间严格一致。再次，实验开始时同时触发加载系统和整个采集系统，对加载全过程中实验数据进行实时连续采集，直至试件破坏。最后，实验结束后停止加载和采集，对实验数据进行分析处理。

3.3 监测数据的处理与分析

考虑到全方位锻炼学生的创新思维和动手能力，指导学生获取实验数据，并对数据进行处理和分析。建议学生利用MATLAB或Python语言编制相应的分析模块，对上述数据进行处理和可视化展示。

3.3.1 应力应变曲线分析

图6是试件破坏应力—应变曲线，图7是试件破坏失稳的形态特征变化过程。由图6可以得出煤在单轴作用下的破坏失稳过程可以分为4个阶段：孔隙压密阶段、线弹性阶段、塑性变形破坏阶段和残余强度阶段。

图6 应力应变曲线

图7 试件破坏演化过程

在孔隙压密阶段由于试件的孔隙小，内部无明显原始缺陷，比较致密，在外载荷作用下，应力变化迅速增加，应变变化缓慢。在线弹性阶段，由于孔隙被压密，微破裂在试件的内部逐渐孕育、发展、贯通，进入塑性变形破坏阶段。在塑性变形破坏阶段，由于在线弹性阶段形成了大量的微裂纹，随着外力的不断增加，微裂纹逐渐演化为宏观裂纹，形成破裂面，大量破裂面累积、发展，迫使试件破坏失稳，但是没有完全失去承载能力。在残余强度阶段，试件仍具有一定的承载能力，该过程应力逐渐减小，应变稍有变化。

3.3.2 变形场演化特征分析

图8为加载全过程中关键时刻所对应的主应变场演化特征，该图通过不同颜色显示了全过程主应变场演化特征。从图中可以看出，试件加载破坏过程中，主应变场的演化特征与试件破坏失稳过程裂纹的扩展贯通过程紧密相关，主应变局部化带颜色较深，应变较集中，反之亦然。A～F6个时刻与图6中的各点对应。

图8 变形场演化过程

A点时刻位于孔隙压密阶段，受试件内部天然缺陷的影响，主应变场小幅度变化；随着应力的增加，加载过程进入弹性变形阶段，B时刻为线弹性变形起始点，该时刻内部缺陷被压实，微裂纹在局部位置开始孕育，由主应变图可以看出试件应变场变形值明显增大；应力继续增加，弹性阶段结束，C点时刻，试件中间部位有明显变形，表面煤块脱落；应力继续增加，进入塑性变形阶段，该阶段微裂纹逐渐演化为宏观裂纹，宏观裂纹逐渐向试件各个方向贯通；D时刻点，应力稍有回落，裂纹持续贯通，变形场持续演化，试件表面脱落面积继续增大。E时刻点应力达到峰值，宏观裂纹向各个方向迅速贯通，该时刻点试件的最终破坏形式和裂纹空间分布特征形成；E时刻点后，应力逐渐回落，进入峰后变形破坏阶段，该阶段宏观裂纹继续贯通，试件严重失稳破坏，但未完全失去承载能力，主应变场变形值继续增大，表面脱落面积继续增加；F点后，进入残余强度阶段，宏观裂纹彻底贯通，试件破坏纹络基本形成，试件破坏严重，应力逐渐减小直到完全卸载，试件彻底失稳破坏。

3.3.3 局部变形场特征

上述对试件破坏失稳过程中全局应变场演化特征进行了详细阐述，通过对局部点进行局部变形场演化特征分析，可以进一步了解试件的破坏行为。利用MATLAB编制相应代码对试件的变形场进行分析识别，其结果如图9所示。该图的制作过程可概述为：设定底图(岩样的监测侧面)及关键坐标位置、读取DIC系统测量数据、处理测量数据并形成变形场数据集、附加底图和数据集形成成果。

图9 利用MATLAB处理的变形场

为了便于对比观察，在图10中分别设定测点1、2和3，对三个测点位置处的变形场演化特征进行对比分析。通过图形可以看出，测点1、2位于试件破坏范围，测点3在试件破坏区域意外。其中试件在X向表面位移(U位移)较为明显，中间区域位移值超过3.25 mm，这与图8中标识点E、F结果相吻合。测点3所在区域没有明显的U位移，但V位移相对明显。

对比图10(a)可知，3个测点的主应变随加载时间的变化曲线，图10(b)显示了3个测点的次应变随加载时间的变化曲线。由图可知，测点2在加载时间为53 s时，试件外表面破坏剥离，变形场演化结束(黄色曲线终止)；测点1在加载时间为91 s时，变形场演化结束，此外，在53～74 s有显著的变形波动；测点3变形场演化贯穿于整个加载过程，直至试件破坏，但在53 s时其V向位移变化较为明显(膨胀)。结合图8中试件的变形破坏特征可知，随着加载的进行，试件表面逐渐脱落，数字散斑图像逐渐失效，CCD相机无法采集变形场特征。由此表明，试件在加载状态下，由上自下逐渐变形失稳破坏。

图10 标识点局部变形场特征

4 结果分析

基于数字图像技术的岩石力学实验教学相较传统教学思路增加了几点新内容，包括数字图像技术的引入、MATLAB数据后处理等，其思路主要来源于采矿专业当前发展的趋势——多学科交叉和跨学科融合是现代科教发展一大热点和趋势。基于智能化开采背景的采矿工程专业更是面临如此重要转折和机遇。

多学科交叉和跨学科融合是现代科教创新的重要萌发点，也是高等教育新兴发展的趋势。在我国高举“创新”人才培养的时代背景之下，华北科技学院在“双一流”建设中对创新型、应用型高端人才的跨学科培养提出了更高要求。以华北科技学院采矿工程专业为例，在全国推行智能化矿山之际，行业所需要采矿人才将不能仅仅只局限于本专业内部培养，更多的是如何适应多学科交叉融合的复合型、创新型人才培养。解决这一难题的关键是，对传统教学方式进行改革。以岩石力学实验教学为例，传统的教学内容和方式已不能满足当前需求。因此，新技术的引入、新方法的介绍等都是实验教学的重要改革方向。

总体而言，通过将DIC技术引入岩石力学实验教学之中，其作用和意义可概述为：

(1) 提高了课堂教学效果。将先进技术引入实验教学之中，改变了现有教学模式和教学方法，提升了实验精度，同时通过可视化模式使学生能够更清晰观察实验过程及结果，使许多原本枯燥的课程和课程设计变得生动有趣，使学生从学习者变成设计者、参与者，有利于培养学生的创新能力。

(2) 指导学生开展MATLAB编程练习，对实验数据进行可视化处理，有利于加强高校大学生科技创新建设与实践育人的队伍建设等，可以有效提高大学生科技创新活动和实践育人工作的针对性、有效性和实效性，形成具有“创新型”特色的新时期采矿人才培养课程体系和教学内容，提高人才培养质量。

(3) 实验方法贴近国际潮流，使学生了解和掌握当前最先进技术手段，培养学生的创新精神、科研意识和国际化视野。实践育人多以第二课堂活动模式开展，将科技创新基地建设与实践育人模式进行有效协同，可以促进第一课堂和第二课堂的有效衔接，解决学生创新学分、第二课堂学分与动手能力、协作能力培养之间的无缝对接。

(4) 将科学研究与教学紧密结合，使课堂内容贴近实际应用，完善课堂教学内容、提升课程教学质量，提高了学生综合实力，适应行业就业需求。依托学校实验教学创新平台，在教学团队的策划和指导下，积极引导和指导学生参与科教研活动，建立科教联动、产学研一体化机制，进而形成师生互动、科教融合新局面，最终形成“基础理论+应用知识+实操技能”的全方位培养模式。