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夹杂物离面位移场的试验研究与数值模拟

作　者: 王荣
导　师: 陈永进
学　校: 昆明理工大学
专　业: 工程力学
关键词: 夹杂物电子散斑干涉法数字图像处理有限元 Matlab ANSYS
分类号: O344.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 33次
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内容摘要

本文用电子散斑干涉法对硬夹杂铝、空洞夹杂试件在拉伸载荷作用下的离面位移场进行了测量,对其试验结果用Matlab语言进行了数字图像处理。与用ANSYS 有限元分析软件对其进行力学模拟的位移场与应变场结果进行比较,得到了实验与力学模拟吻合一致的结论,从实验和力学模拟分析上为研究夹杂材料损伤扩展的基本规律打下了一定的基础,对其应用提供了一定的理论依据和指导作用。本文的具体研究内容为：(1)选用合适的测量离面位移的电子散斑实验光路,对逐步拉伸载荷下的硬夹杂铝和空洞夹杂试件进行测量。(2)用MATLAB语言对散斑干涉条纹进行数字图像处理,处理方法包括直方图均化、灰度调整、中值滤波、指数低通滤波、巴特沃斯低通滤波和二值化。分析和总结了夹杂材料在拉伸载荷下的条纹变化趋势。(3)利用ANSYS有限元软件对硬夹杂铝和空洞夹杂试件在拉伸载荷下的位移场、应力场、应变场进行了力学模拟分析,并和电子散斑干涉法实验结果进行了比较,得到了一致、吻合和合理的结果。通过本文的研究,得到以下结论：1.采用巴特沃斯低通滤波进行散斑干涉图像滤波处理,可以提高散斑干涉条纹的对比度,有利于级间条纹的判别和解释。2.当拉伸载荷沿y方向时,硬夹杂上下两端是第一条暗条纹萌生的位置,即硬夹杂上下两端的位移或应变的数值最大。随着加载负荷的增加,条纹以上下两端为中心逐步向硬夹杂左右位置扩散,条纹数量逐渐增多；上下两端位置为薄弱区,若荷载超过线弹性范围,在此处将最先产生微裂纹,接着裂纹向硬夹杂左右位置扩展；而空洞夹杂情况与之相反。3.ANSYS对实体模型进行力学模拟中,采用分区域网格划分方法,可以提高计算机的计算速度；电子散斑干涉相关条纹定性分析的情况可以用平面应力模型下z方向的应变场来进行模拟分析；相对于实体模型,选用平面应力模型对拉伸下的空洞夹杂试件进行模拟可得到较精确、简单的应变、应力分布。4.ESPI条纹图和有限元数值模拟的位移等值线图所表征的硬夹杂和空洞夹杂周围变形场在形状和分布上的吻合,证明了实验、图像处理和有限元数值模拟的方法的合理性和正确性。5.数值模拟分析结果表明,当拉伸载荷沿y方向时,硬夹杂物的上下两端为高位移区,高应变区以及高应力区,而左右两端为低位移区、低应变区、低应力区；空洞夹杂的情况正好与之相反。ESPI干涉条纹总是首先在应力最大的位置萌生,然后向低应力区传播。应力最大位置为薄弱区,将最先产生微裂纹。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-11
第一章绪论  11-19
  1.1 课题背景  11-13
  1.2 研究目的和意义  13-14
  1.3 国内外研究现状与动态  14-18
    1.3.1 电子散斑干涉技术的发展及其应用  14-15
    1.3.2 电子散斑干涉法研究夹杂物进展  15-16
    1.3.3 散斑干涉条纹的数字图像处理研究动态  16-17
    1.3.4 夹杂物问题的数值模拟研究动态  17-18
  1.4 本文研究的主要内容  18
  1.5 论文创新点  18-19
第二章电子散斑干涉技术  19-30
  2.1 激光散斑概述  19-23
    2.1.1 激光散斑的基本概念  19-21
    2.1.2 激光散斑的特点  21-23
  2.2 电子散斑干涉术的基本原理  23-25
  2.3 实验光路  25-28
    2.3.1 文献中常用的测量离面位移的实验光路  25-26
    2.3.2 本文测量离面位移的实验光路  26-28
  2.4 试验方法与结果  28-30
第三章 MATLAB图像处理  30-46
  3.1 数字图像处理基础  30-35
    3.1.1 有关图像术语  30-31
    3.1.2 计算机数字处理  31
    3.1.3 数字图像特点  31-32
    3.1.4 图像处理技术  32-33
    3.1.5 图像处理内容  33-34
    3.1.6 图像处理系统  34-35
  3.2 图象的傅里叶变换  35-37
    3.2.1 傅里叶(Fourier)变换及其性质  35-37
    3.2.2 离散傅里叶变换及其性质  37
  3.3 MATLAB与图像处理  37-43
    3.3.1 MATLAB编程处理散斑图像  37-38
    3.3.2 干涉条纹处理方法  38-43
  3.4 硬夹杂铝试件在拉伸载荷下的条纹变化趋势  43-44
  3.5 空洞夹杂试件在拉伸载荷下的条纹变化趋势  44-45
  3.6 本章小结  45-46
第四章有限元分析模拟  46-70
  4.1 相关弹性理论的矩阵表示  46-51
    4.1.1 运动方程(内力和体积力的关系方程)  46-47
    4.1.2 几何方程(应变与位移的关系方程)  47
    4.1.3 本构关系(物理方程—应力与应变的关系方程)  47-49
    4.1.4 变形协调方程  49
    4.1.5 边界条件  49-51
  4.2 虚位移原理与势能原理  51
    4.2.1 变形体虚位移原理(无限分割情况)  51
    4.2.2 最小势能原理  51
  4.3 平面应力问题  51-52
  4.4 有限元方法的基本步骤  52-53
  4.5 ANSYS软件介绍  53
  4.6 硬夹杂试件模拟分析以及与实验结果比较分析  53-61
    4.6.1 硬夹杂试件拉伸情况下的数值模拟分析  53-59
    4.6.2 硬夹杂试件逐步拉伸数值模拟位移变化趋势  59
    4.6.3 硬夹杂试件数值模拟与实验结果的比较  59-61
  4.7 空洞夹杂试件的解析解、数值模拟结果、实验结果比较分析  61-68
    4.7.1 弹性力学中无限大板单向拉伸时圆孔应力集中  61-62
    4.7.2 空洞夹杂试件拉伸情况下的数值模拟分析  62-67
    4.7.3 空洞夹杂试件数值模拟与实验结果的比较  67-68
  4.8 本章小结  68-70
第五章总结与展望  70-72
  5.1 研究工作总结  70
  5.2 下一步研究工作展望  70-72
致谢  72-73
参考文献  73-78
附录A (攻读硕士学位期间发表论文目录)  78-79
附录B (处理干涉条纹的MATLAB程序)  79-81

夹杂物离面位移场的试验研究与数值模拟

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