混凝土导热-损伤耦合的理论与分形研究.pdf
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1、第 2 5卷第 2期 2 0 0 8年 6月 华 中科技大学学报 ( 城 市科 学版) J o f HUS T( Ur b a n S c i e n c e E d i t i o n) Vo1 2 5 No 2 J u n 2 0 0 8 混凝土导热一 损伤耦 合 的理论与分形研究 伍 颖h , 李卓球 , 孙明清 ( 1 _ 中国地质大学 工程学院 ,湖北 武汉4 3 0 0 7 4 2 武汉理工 大学 理学院 , 湖北 武汉4 3 0 0 7 0 ) 摘 要 : 混凝 土失效机 理为原始 缺陷在载荷条件 和腐蚀环境 的作用下造成 其损 伤累积和性能劣化 。 由于混凝土 破 坏的混沌演化
2、过程 , 为了表征 混凝土单元不 同损 伤状态时 的导热性 能变化, 采用主动式 外热源激励 和分辨率 极 高的红外成像 仪捕捉其表面温度 场 , 得 到一系列 红外热像 图样本 , 分析和计算其 分形维数 , 再 用基于分 形维 数 的损 伤表征因子描述和表征混凝 土不 同损 伤状态 。 涉及到混 凝土导热一 损伤耦合 的理论研究 和分 形研究两大 课 题以及试 验样本 的提取 。 关键词 ; 混凝 土; 红外热像 ; 导 热一 损伤耦 合 ; 分 形方法 中图分类号 : T U5 2 8 文献标 识码 : A 文章 编号 : 1 6 7 2 - 7 0 3 7 ( 2 0 0 8 ) 0
3、2 0 0 2 3 0 3 混 凝 土 的 损 伤 过 程 占到 总 破 坏过 程 的 3 4 , 如何定义混凝土的损伤变量和描述其损伤状态 , 直 接 涉及到 混凝 土 损伤 研究 的方 法 、 步骤 和结 论 。 有 效损 伤特 征 因子 的提 取是结 构 损伤检 测 和评 价 的关键 , 也 是理 论研 究 的重要 方 向 。 由于混 凝 土 的 复杂 性 和混 沌 性 , 目前用 分 形 方 法 研究 混凝 土 的 破 坏 过 程 , 无 论 从 宏 观还 是 细 观 、 对 裂纹 还 是 断 口, 都是方兴未艾和卓有成效 。 本文是在黄莉 1 等 人 工作 基础 上开 展 的研 究
4、, 具 体思 路 是 : 考 虑 混凝 土的演化过程, 将混凝土单元不同损伤状态 时的 导热性能劣化通过被动式导热激励 , 采用分辨率 极高的红外成像仪捕捉其表面温度场 , 得 到一 系 列 红外 热 像样 本 , 重 点 和难 点 在 于红 外 热 像 图定 量 参数 分 形 维 数 的 提取 和 描 述 , 最后 采 用 基 于 分 形维 数定 义 的损 伤 变量描 述和 表征 混凝 土 的不 同 损 伤状态 。 1 理 论 依 据 1 1混凝 土破 坏 模型 混 凝 土 的破 坏模 型 如 图 1 , 研究 表 明 : 混 凝 土 的断裂破 坏 是初 始 裂纹 的产 生 、 扩展 、 分
5、 又 和失 稳 扩展 过程 , 即裂纹 微 裂纹 的动 态 演化 过程 。 国 内的 谢 和 平 2 、 于广 明【 3 等 学 者 通 过 研 究 还 发 现 了 混 凝土微裂纹演化的分形特性和混沌效应 。 1 2 导 热一 损 伤 耦 合方 法 应力增 加 一 脱 粘 界面聚纹发展、分叉 一一 一 一 收稿 日期 : 2 0 0 7 1 1 - 0 5 作者简介 : 伍颖( 1 9 6 8 一 ) , 男 , 湖北仙桃人 副教授 , 博 士, 研究 方向为工程结构的失效分析与风险控制 wu y i n g 0 2 7 1 2 6 c o m。 基金项 目:国家 自然科学基金( 5 0 2
6、3 8 0 4 0 ; 1 0 6 7 2 1 2 8 ) 。 维普资讯 http:/ 2 4 华中科技大学学报 ( 城市科学版) 化 的 累积过 程 , 在 力 学上 是 宏 缺 陷产 生与 扩 展 累积过 程 , 同时伴 随着 能量耗 散 或熵增 加 , 造 成 能 劣化 ( 包括 刚度 、 强度 、 韧度 、 稳定 性 以及寿命 低 ) 。 混凝 土累积 损伤的实质是结构完整性被破 ,包 括微群 缺 陷的产 生 至宏 主 裂纹 的发展 , 不仅 现为有效应力概念基础上的变形一 损伤耦合 , 而 还表 现在 导热 系数基 准 变量 时的导热 性 能劣化 损伤 累积 演化之 间 的 内在 相
7、关 性 。 基 于导 热系数 定义 的损 伤变 量为 D一1 一a a 。 ( 1 ) 中, D 为损伤 变量, 为等效导热 系数 , 扎为初 导 热 系数 。 由于式 ( 1 ) 的直 接测 量存在 困难 , 考 通 过 外 热源 的 激励 , 提取 不 同损伤 累积 和不 同 热性 能 劣化 时 混凝 土 表 面 温度 场 , 再 采用 分 形 法 提取损 伤表 征 因子 。 试验设计 为 了提 取混 凝 土单 元 相 应 的表 面 温 度场 , 用 外 热像 仪 捕捉 , 采用 材 料 试验 机 加 载制 造 和模 损伤状 态 。 试 验 仪 器 : I NS TR ON 材 料 试 验
8、 机 , TVS 一 0 MK I型红 外热 像仪 。试验 目的 : 提取 混凝 土 同损伤模式和状态时的表面温度场红外热 图。试验项 目: 考虑损伤模拟 , 确定单 向压缩试 、蠕 变 试验 和 疲 劳试 验 三 个试 验 项 目。试样 尺 :1 2 0 mm8 0 mm4 0 mm。 成 像模 式 : 单 面法 双面法 , 单 面 法优 先 。热源 模式 : 被动 式或 主动 ,主动式 优先 。 图 2 导热一 损伤耦合红外成像实验装置 图 2为 混 凝 土单 元 导 热一 损 伤 耦合 单 向压 缩 卟成像试验装置 , 其 中成像模式为单面法 , 热源 式为红外灯主动激励。图 3为混凝土
9、单元单 向 宿时的典型红外热象图序列 。 图 3 混凝土单向压缩的典型红外热像 图 3 分形研究 由 于混 凝 土 导 热 系数测 试 的困难 性 、 分 布 的 随 机 性 , 实 验 提取 的红 外热 像 图 显示 的是 不 同损 伤 状 态 、 不 同导 热 性能 、 不 同 缺 陷表 面 的 温度 场 , 蕴含丰 富的信息 。由于其模糊性、 复杂性和混沌 性 , 可行 和 优化 的方 法就 是分形 。 3 1 单一 分形 盒维 数 计 算 红外 热像 图的盒 维 数 4 州 , 采 用 网格 法 。 从灰度图像转换成黑 白图像的关键是灰度阈值的 选 取 , 本 文 的 阈值 使 用 O
10、 t s u算 法计 算 得 出 , 图 4 为典型红外热像图转换处理后的对应二值 图。结 合导热一 损伤耦合理论 , 还可定义温差系数解决灰 度 阈值 问题 。 圈 匿 L 一 - ( a ) 均值法 国圈四日墨 ( b ) 优 化法 图 4 典型红外热像图的对应二值 图 3 2多 网分 形 平 均值 在 盒 维 数 的 计算 中 , 确 定 无标 度 区 和分 网是 影响其精度 的两个主要因素 , 在无标 度区的精确 确定 还 没 有成 熟方 法 的情况 下 , 采 用“ 多分 网求平 均 ” 方案 , 图 5为典 型红 外热 像图 在分 网步长 系数 为 2时 的 盒维 数 计 算 图
11、, 图 6为 典 型 红 外 热像 图 盒维数计算界面 图, 表 1为典型红外热像图的多 网分 形 盒 维数 。 图 5 典 型红外热像图 的盒维数 计算图 维普资讯 http:/ 第 2期 伍 颖等 : 混凝 土导热一 损伤耦合 的理论 与分形研究 图 6 典型红外 图像 分形计算界面 表 1典型红外热像 图的多网分形和均值计算 4 结 论 ( 1 ) 从 图 3可以看 出, 表面温度场和累积损伤 场存在明显的时间相关性 。 ( 2 ) 从表 1可以得 出, 典型红外热象图的温度 场分维与损伤场演化存在一定的时间相关性 , 即 混凝 土不 同损伤程度时的表面温度场 ( 红外热像 图) 的分形
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