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第 22卷 第6期 实 验 力 学 Vo1．22 No．6 2007年 l2月 JOURNAL OF EXPERIMENTAL MECHANICS Dec．2007 文章编号：1001 4888(2007)06—0605 07 数字图像相关法在相似材料模拟试验中的应用 陈荣华 ，王路珍 ，孔海陵 (1．中国矿业大学 理学院力学系，徐州 221008；2．盐城工学院，江苏224003) 摘要：利用相似材料模拟试验研究印度某矿长壁开采采场厚硬顶板的破断规律，针对试验中传 统的位移测量法的不足，引入了数字图像相关法。通过恰当布设模型、合理控制光照强度，实时 用高分辨率数码相机拍摄模型在开采过程中的表面变形图像，借用数字照相图像分析与结果可 视化应用软件系统GeoDPDM对序列照片进行相关性分析，得到了开采过程中上覆岩层变形的 位移场和应变场。将分析结果与传统测量方法所得结果对比，得到两种方法具有较高的一致 性，并将测试精度提高到0．6mm／pixel，成功实现了大范围模型变形的全场、非接触式测量。 关键词：数字图像相关法(DICM)；相似材料模拟试验；大范围；变形量测 中图分类号：O342 文献标识码：A 0 引言 目前，对于研究采动过程中岩体变形、移动及破坏的规律，尤其对涉及弹塑性、破碎、垮落等多种力 学行为的岩体力学问题，利用相似材料模拟试验法已被广泛认为是一种有效的研究方法。传统的模型 观测方法采样点极其有限，测量点的布置破坏了模型的几何连续性，工作量大。利用高分辨率数码相 机，结合数字图像相关法可以克服传统测量方法的缺点，实现全场、非接触式变形量测。 近年来，数字图像相关法已经在材料的力学行为测试与分析n]、高分子材料 ]、生物力学 ]、动 态测量 等不少领域中得到应用，尤其值得关注的是在岩石类材料小范围的变形量测上的应用。马少 鹏 等将数字散斑相关方法应用到花岗岩的单轴压缩以及粘滑实验中，较好地解决了岩石材料的非均 匀、非线性、各项异性等特点。潘一山 等观测了砂岩和煤的变形局部化现象，并根据变形场的图像测 量了局部化带的宽度。李元海n 等将数字图像相关法应用到砂土模型试验中，成功地再现了地基变 形的全过程，并且将数码相机拍摄的视场范围扩大到400mm×300mm。 此前，由于岩石结构的复杂性导致了大范围全场变形测量过程存在诸多的困难，表现在数码相机采 集图像的时间非连续性难以满足观测区内岩层破断的突变性和随机性特点、量测精度对环境光线变化 敏感、图像分析时间长等。本文大胆将数字图像相关法应用在相似材料模拟试验中，克服了上述困难， 初步实现了大范围变形量测。 ‘ 1 数字图像相关法基本原理 数字图像相关~(digital image correlation method，简称DICM)的基本测量过程为由高分辨率数 码相机记录被测物体变形过程中一系列图片，对这些有序的图片进行相关性分析，得到相应的位移和变 形。此方法可以测量在外界因素变化时观测体表面的变形场，具有全场、非接触、操作相对简单等优点。 * 收稿日期：2007—06—29；修订日期：2007—11-24 基金项目：国家自然科学基金重大项目；973计划资助(2007CB209408)；中国矿业大学校基金 通讯作者：陈荣华(1961一)，男，博士研究生，副教授，主要从事岩石力学与工程方面的教学与研究工作。E—mail：xxmiao@cumt． edu．cn 606 实 验 力 学 (2007年)第22卷 方法的关键是如何将变形前后的两幅图片相匹配。首先定义变形前的图像为基准图像，变形后的图像 为目标图像。要想跟踪基准图像上一点P的运动，就以P点为中心取子集厂，在目标图像上有哪些信誉好的足球投注网站与之 最匹配的子集g，即以Q点为中心的子集g。有哪些信誉好的足球投注网站成功后，g所对应的Q为P点变形后的位置，两点之 间的坐标差即为该点的位移。有哪些信誉好的足球投注网站过程是根据统计学的相关性原理，建立一个相关函数 Ce¨ ，用这 个相关函数来表示变形前后两幅图像的匹配程度，一般当相关函数C一1时，表示变形前后两幅图像完