CN111339594B - 基于dic技术的近场动力学参数实验反演系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明为基于DIC技术的近场动力学参数实验反演系统及使用方法，该系统包括实验模块、近场动力学计算模块、DIC技术测量模块、对比模块、参数校正模块。实验模块借助DIC技术测量模块得到试件在荷载作用下的实时位移和破坏情况，实验模块和近场动力学计算模块同步运行，分别得出实验和计算结果并将结果传输到计算机上，经对比模块分析对照，若结果相近则标定参数，完成反演；若误差较大，通过参数校正模块校正相应近场动力力学参数，并将校正后的参数输入近场动力学计算模块计算分析，反复进行，直至计算与实验结果近似，此时完成参数标定和实验反演。该系统能够同步试验、标定参数、反演破坏过程，实现了近场动力学对不连续问题的高精度仿真模拟。

Description

基于DIC技术的近场动力学参数实验反演系统及使用方法

技术领域

本发明涉及一种岩土工程技术领域，具体是一种基于DIC技术的近场动力学参数实验反演系统及使用方法。

背景技术

伴随土木建筑行业的飞速发展，我国基础设施建设日益完善，应用于建筑领域的材料日益广泛，加之固体力学的进步，专家们对于材料力学性能的研究热情显著提高，特别是针对材料疲劳、损伤、破坏等高度复杂问题的研究尤为突出，但由于损伤、破坏等问题本质上的不连续性，使得对该类问题的分析困难重重。传统的研究方法，如扩展有限元、无网格法等，均建立在连续介质力学的理论基础之上，材料损伤、破坏问题本身的不连续性、各向异性不可避免的与连续介质假设产生了冲突，从而导致裂纹扩展的奇异性问题和裂纹成核问题。

在这种背景下，近场动力学理论的提出，为求解不连续问题带来了希望。该方法建立在非局部作用思想的基础上，将固体物质在空间中离散成质点，用非局部作用的积分模型代替微分模型，通过求解空间积分方程描述质点的力学行为，不连续问题的奇异性迎刃而解。但是，在近场动力学理论的发展中，对断裂问题的重要参数，如弹性常数bc、bd，定义取值方法较多，难以形成统一表述，而且由于材料的不均匀性，各个质点参数尚不相同，现有的取值规则难以准确描述材料的近场动力学参数。另外，近场动力学对于损伤、破坏的常用判断准则由临界拉伸率scr0控制，不同材料的临界拉伸率不同，目前难以直接确定材料临界拉伸率的真实值，这将对判断材料断裂、损伤产生一定干扰。由此可见，上述近场动力学参数的准确性对于近场动力学方法处理不连续问题的求解精度有至关重要的作用。现有技术中，缺乏一种近场动力学参数修正系统，能够真实反演材料的破坏行为，标定参数以提高近场动力学方法的模拟精度，这将是我们当前的重要研究课题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于DIC技术的近场动力学参数实验反演系统及使用方法。本发明旨在提出一种实验和模拟同步进行，利用DIC技术，通过校正并标定模拟参数提高近场动力学计算精度的思路，将DIC技术与近场动力学方法相结合，基于DIC技术的测量时效性，采用二分法修正参数，实现了不连续问题的近场动力学参数标定和破坏反演，有效提高了近场动力学的模拟精度。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于DIC技术的近场动力学参数实验反演系统，该系统包括实验模块、近场动力学计算模块、DIC技术测量模块、对比模块、参数校正模块，其特征在于，实验模块借助DIC技术测量模块得到试件在荷载作用下的实时位移和破坏情况，所述实验模块和近场动力学计算模块同步运行，分别得出实验和计算结果并将结果传输到计算机上；经对比模块分析对照，若结果相近则标定参数，完成反演；若误差较大，通过参数校正模块校正相应近场动力力学参数，并将校正后的参数输入近场动力学计算模块计算分析，反复进行，直至模拟结果与实验结果近似，此时完成参数标定和实验反演。

本发明还公开一种基于DIC技术的近场动力学参数实验反演系统的使用方法，该方法采用上述的反演系统，步骤为：

(1)确定试件尺寸及材料的离散化方案；

(2)依照尺寸参数制作混凝土试件，在试件前后表面用耐高温涂料画网格，所画网格应与近场动力学模型离散化的质点一一对应；

(3)将上述试件放置在混凝土力学性能试验机上，同时将试件尺寸参数、初始力学参数、预设的校正参数即弹性常数bc、bd、临界拉伸率scr0，输入近场动力学计算模块中；

(4)打开DIC测量装置，并连接到计算机上实时传输测量数据，同时开启试验机和计算程序，进行同步实验和模拟，追踪各质点的位移及试件的破坏情况；

(5)对比反馈结果的位移值，如误差较大，校正弹性常数bc、bd，并输入到近场动力学计算模块重复计算，直到参数校准并标定，如结果近似，直接标定参数bc、bd；

(6)将标定的bc、bd参数值输入近场动力学计算模块，对比反馈结果的裂纹萌生位置及发展情况，校正裂纹处的临界拉伸率scr0，将每次校正结果输入到近场动力学计算模块重复计算，直到参数校准并标定，此时完成反演。

本发明解决了近场动力学参数校准问题，与现有技术相比，具有以下优点：

1、在近场动力学模拟的同时引入实验，针对近场动力学参数，提出一种基于DIC技术的近场动力学参数实验反演系统及使用方法，通过追踪各质点的位移及试件的破坏情况(从开始计算时起，到计算结束为止，记录质点各时刻的位移及试件破坏情况即为追踪，由于前期质点的一一对应，及后期的同步实验实现追踪过程)，反演破坏过程，校正近场动力学参数，还原各点的材料参数及力学参数；提高近场动力学方法的模拟精度。

2、通过校准近场动力学模型的重要参数，可以有效减小近场动力学方法的计算误差，最大限度还原实验过程，有利于指导近场动力学方法对于破坏行为的分析；本发明反演参数为3个近场动力学参数，且参数间有关联性(bc、bd的准确性影响scr0)，由于修正参数具有相关性，采用非同步修正，先修正bc、bd，在此基础上再修正scr0，提高准确率。

3、实验中试件网格标记与近场动力学模型离散化质点一一对应，逐一对照并还原各个参数，一一对应的模式可以准确对应，以便于后期结果对比和参数校正，可以提高反分析效率。

4、参数校正选用二分法，简单易懂，校正效率高。

本发明基于DIC技术的近场动力学参数实验反演系统结构完整，适用性强。运用DIC技术的时效性追踪试件各点的位移及损伤，并与近场动力学质点一一对应，不仅可以修正、标定近场动力学参数，还能反演破坏过程，提高了近场动力学方法的模拟精度，有效减小误差，更接近于材料的真实值，为近场动力学对破坏行为的研究提供了科学的指导。

与传统方法(如扩展有限元、无网格法等)相比，本发明运用PD理论求解不连续问题，PD理论是建立在非局部作用思想的基础上，将固体物质在空间中离散成质点，用非局部作用的积分模型代替微分模型，通过求解空间积分方程描述质点的力学行为。用PD理论求解不连续问题可有效避免奇异性问题，通过质点的状态描述裂纹的萌生和扩展，裂纹自然形成，无需预设裂纹发展方向，减少人为的干扰。

附图说明

图1为本发明实施例1的整体结构示意图；

图2(a)为巴西圆盘试件网格划分示意图；

图2(b)为巴西圆盘近场动力学模型质点离散化方案示意图；

图3为实施例2整体结构示意图；

图4(a)为三点梁试件网格划分示意图；

图4(b)为三点梁近场动力学模型质点离散化方案示意图；

图5为本发明整体流程图；

图6为本发明近场动力学计算模块流程图；

图7为本发明参数校正模块流程图。

图中，1为混凝土力学性能试验机；2为实验模块；3为试件；4为DIC测量装置；5为DIC技术测量模块；6为计算机；7为近场动力学计算模块；8为对比模块；9为参数校正模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明为一种基于DIC技术的近场动力学参数实验反演系统，该系统包括实验模块2、近场动力学计算模块7、DIC技术测量模块5、对比模块8、参数校正模块9。实验模块2借助DIC技术测量模块5得到试件在荷载作用下的实时位移和破坏情况，所述实验模块2和近场动力学计算模块7同步运行，分别得出实验和计算结果并将结果传输到计算机6上，经对比模块8分析对照，若结果相近则标定参数，完成反演；若误差较大，通过参数校正模块9校正相应近场动力力学参数，并将校正后的参数输入近场动力学计算模块7计算分析，反复进行，直至模拟结果与实验结果近似，此时完成参数标定和实验反演。

标定参数是指当近场动力学计算模块7得到的结果同实验结果近似时，所校正参数的取值可认为是真实值，将该参数值标定为真实值。当所有参数都标定完成，即通过校正得到符合实验现象的近场动力学参数真实值，那么仅通过近场动力学计算模块7就可以模拟该实验，则完成了该类破坏行为研究的实验反演。

所述实验模块2由混凝土力学性能试验机1和试件3组成，试验机可为巴西劈裂试验机、拉伸试验机等用于测量试件不同力学性能的试验机，可根据实验类型选择不同的试验机1，并设置相应试件3。试件3前后表面(定义试件沿厚度方向的两个外表面为前后表面)用耐高温涂料(拟选用耐高温标记涂料型号为ZS-1082)画网格，所画网格应与近场动力学模型离散化的质点一一对应，如图2所示。

所述DIC技术测量模块包含2组DIC测量装置4，分别放置于试件3前后两侧(定义沿试件厚度方向，在试件前方为前侧，试件后方为后侧)，距试件3的距离可根据试件尺寸、离散化质点的疏密而设定，以可以清晰测量、记录所测参数为准，测量参数为实验过程中试件3在荷载作用下的实时位移和破坏情况。DIC技术测量模块5与计算机6通过网络连接，可将测量数据传输到计算机6上储存、分析。

2组DIC测量装置4的设计，可以全方位记录试件3前后表面的变化情况，避免由于试件3较厚两个表面裂缝发展不同而产生的误差，使测量效果更准确。所述DIC测量装置是指在实验状态下测量试件位移和破坏情况的仪器，推荐选用型号为XTDIC-CONST-HR的三维全场应变测量装置，可直接购买。

所述近场动力学计算模块7用于模拟实验过程，运用近场动力学理论，分析在荷载作用下裂纹的萌生和扩展，其计算过程如附图6所示。Pdinput文件是一个参数输入文件，step为当前时间步，StepNum为最大时间步，即分析时长，可在Pdinput文件中设置。近场动力学计算模块7的计算过程为，首先在Pdinput文件中输入模型尺寸、材料参数、问题类型、邻域半径、最大时间步(分析时长)等参数信息，运行程序后，程序会先后读取Pdinput文件、模型文件(模型文件包含模型形状、尺寸、离散化方式等，为Model文件；Pdinput文件是一个参数输入文件)，此时模型及参数信息已读取完毕，用上述信息计算bc、bd、scr0，随后考虑边界效应计算键的α值以及表面修正系数，随后开始时间积分，令step＝1，设置边界条件(受力情况及约束)，在时间积分下计算每个单元(在PD理论中，在邻域(邻域：两点间距小于一个固定值)范围内的两质点间以键的形式连接，每个键以及所连接的两个质点视为一个单元，固体材料看做无数个单元组合而成)的位移U_ele、速度V_ele、键的成对力f_ele的值，计算单元刚度矩阵K_ele，基于单元刚度矩阵组装整体刚度矩阵K，求解矩阵方程，得到时间积分下各质点的位移U_s和内力f_s，再计算此时键的伸长量s，当s＞scr0(scr0为临界伸长量)时键断裂，在此基础上计算键的损伤以及材料的损伤系数，循环计算所有时间步直至最大时间步StepNum，最后输出计算结果并对其后处理，计算完成。

所述对比模块8，将通过实验模块2获得的实验测量数据(位移值U_e)与通过近场动力学计算模块7获得的计算结果(位移值U_s)进行对比，若结果相近则标定参数，完成反演；若误差较大，进入参数校正模块9。二者对比计算误差公式为

计算误差不大于1％时则标定参数，否则进行参数校正。

所述参数校正模块9，用于对于弹性阶段总位移的计算误差大于1％的近场动力学计算参数进行校正，其分析过程如附图7所示。根据位移的误差，首先采用二分法校正弹性常数bc、bd，根据误差的大小变化缩小bc、bd的取值范围，直到弹性阶段总位移的误差小于1％，此时的bc、bd接近材料的真实值，予以标定，在此基础上根据裂纹的萌生位置、时间和扩展情况校准临界拉伸率scr0，此时完成断裂过程的反分析。

参数校正模块9的程序流程如附图7所示：流程图中n表示校正次数，a表示校正的参数(bc、bd)，δ表示计算结果对于实验结果的计算误差，由对比模块8输出，参数校正的计算时间随网格密度的增大而增加，其校正效率依据二分法的计算复杂程度O(logN)，其中N指代问题的规模。开始后令n＝0，确定要校正的参数a的取值范围(x，y)，第一次根据材料自身属性输入，以后均为上一步传入值；n开始累加，n＝n+1，则

将a_n代入近场动力学计算模块7中，输出此时的位移值U_sn及材料破坏情况(在参数bc、bd完成标定之前，记录每次校正的材料破坏情况)，再返回对比模块8中进行当前误差计算，若当前误差小于上一步的误差，则令y＝a_n-1，并进一步判断当前误差是否大于1％，若不大于1％，则输出并标定参数a_n；若大于1％，则返回重新确定参数a的取值范围；

若当前误差不小于上一步的误差，则令x＝a_n-1，

在近场动力学计算模块7中更新参数a_n，并计算输出此时的位移值U_sn及材料破坏情况，再返回对比模块8中进行当前误差计算，确定是输出标定参数还是继续校正.

这里以校正弹性常数bc为例。若弹性常数的真实值为bc，初始输入参数值经计算为bc₀。默认材料泊松比较小则取值范围(x,y)是(0，z)(此时x＝0，y＝z)，初始输入值bc₀将取值范围分为两部分：(0，bc₀)和(bc₀，z)，下面开始第一次校正，即n＝1。先取第一个取值范围中点即

在近场动力学计算模块7中更新该值并计算，得到新的位移值U_s1，计算误差值δ₁。判断误差是否变大，若δ₁<δ₀，则y＝bc₀，继续判断δ₁是否小于等于1％，若δ₁≤1％，则完成校正，输出并标定该参数值；若δ₁＞1％则重复上述步骤，返回确定参数bc的取值范围，直到δ_n≤1％；若δ₁≥δ₀，则x＝bc₀，取第二个取值范围中点即

在近场动力学计算模块7中更新该值并计算，得到位移值U_s1及材料破坏情况，计算当前计算误差值δ₁，判断δ₁是否小于等于1％，若δ₁≤1％，则完成校正，输出并标定该参数值；若δ₁＞1％则重复上述所有步骤，直到δ_n≤1％。

如上述类推，不断缩小取值范围，直到弹性阶段总位移的误差小于1％，此时的bc、bd接近材料的真实值，予以标定。上述中的误差δ_n也就是弹性阶段总位移的误差。

在此基础上根据裂纹的萌生位置、时间和扩展情况校准临界拉伸率scr0，关于scr0的校正，在标定参数bc、bd后，观察试验过程中DIC测量装置记录的试件破坏情况(以视频呈现)，记录裂纹萌生及发展的时间、位置，对照近场动力学计算模块同一时刻相同位置键的伸长量，初始给定临界拉伸率scr0，判断伸长量是否大于初始给定临界拉伸率scr0，若裂纹产生，认为键断裂，若伸长量大于初始给定临界拉伸率scr0，则断裂，此时初始给定临界拉伸率scr0即为校正的临界拉伸率scr0值，若伸长量不大于初始给定临界拉伸率scr0，说明没断裂，则将初始给定临界拉伸率scr0缩小，进行微调直至伸长量大于微调后的临界拉伸率scr0为止，初始给定临界拉伸率scr0为0.2，最终微调后的临界拉伸率scr0即为校正后的临界拉伸率scr0值。

本发明还保护一种基于DIC技术的近场动力学参数实验反演系统的使用方法，该方法采用上述的反演系统，步骤为：

(1)确定试件尺寸及材料的离散化方案；

(2)依照尺寸参数制作混凝土试件，在试件前后表面用耐高温涂料画网格，所画网格应与近场动力学模型离散化的质点一一对应；

(3)将上述试件放置在混凝土力学性能试验机上，同时将试件尺寸参数、初始力学参数、预设的校正参数(即bc、bd、scr0)输入近场动力学计算模块中；

(4)打开DIC测量装置，并连接到计算机上实时传输测量数据，同时开启试验机和近场动力学计算模块，进行同步实验和模拟，追踪各质点的位移及试件的破坏情况；

(5)对比反馈结果的位移值，如误差较大，校正弹性常数bc、bd，并输入到近场动力学计算程序重复计算，直到参数校准并标定，如结果近似，直接标定参数bc、bd；

(6)将标定的bc、bd参数值输入近场动力学计算模块中，对比反馈结果的裂纹萌生位置及发展情况，校正裂纹处的临界拉伸率scr0，并将每次微调的临界拉伸率scr0输入到近场动力学计算模块重复计算，直到参数校准并标定，此时完成反演。

本申请的核心创新点是提供一种基于DIC技术的近场动力学参数实验反演系统及使用方法，该系统旨在突出一种实验和模拟同步进行的思路，用实验结果作为参考，校正并标定模型的近场动力学参数，同时，近场动力学计算模块可以根据试件的受力状态反过来控制实验模块，指导实验下一步荷载如何设定，从而提高近场动力学的模拟精度。

实施例1

本实施例一种基于DIC技术的近场动力学参数实验反演系统，该系统包括实验模块2、近场动力学计算模块7、DIC技术测量模块5、对比模块8、参数校正模块9。实验模块2借助DIC技术测量模块5得到试件在荷载作用下的实时位移和破坏情况，所述实验模块2和近场动力学计算模块7同步运行，分别得出实验和计算模拟结果并将结果传输到计算机6上，经对比模块8分析对照，若结果相近则标定参数，完成反演；若误差较大，通过参数校正模块9校正相应近场动力力学参数，并将校正后的参数输入近场动力学计算模块7计算分析，反复进行，直至模拟结果与实验结果近似，此时完成参数标定和实验反演。

所述实验模块2由混凝土力学性能试验机1和试件3组成，试验机可为巴西劈裂试验机、拉伸试验机等用于测量试件不同力学性能的试验机，可根据实验类型选择不同的试验机，并设置相应试件。本实施例拟选用巴西劈裂试验机1，配置直径d＝50mm，厚度h＝10mm的标准巴西圆盘试件3，在试件3前后表面(定义试件沿厚度方向的两个外表面为前后表面)用耐高温涂料(拟选用耐高温标记涂料型号为ZS-1082)画网格，所画网格应与近场动力学模型离散化的质点一一对应，拟选用质点间距为2mm的离散化方案，如图2(a)和图2(b)所示。试件上所画网格与近场动力学离散化质点一一对应，做相同编号，通过DIC测量装置得到的位移以及记录的图像可由质点逐一与近场动力学计算模型的结果对比，即可得到裂纹什么时间自几号点之间萌生，并发展到几号点位，以此校正断裂处键的临界拉伸率。

在实验时，荷载以位移的形式施加，位移的施加可能分阶段进行，在第一阶段的位移施加完成后试验机1暂时停留在该位移处，此时需要校正参数，如参数不准确需要重新将参数输入近场动力学计算模块7，重复上述所有计算过程，直到与实验结果近似标定该参数。这时依据试件实际的位移及破坏情况，近场动力学计算模块7反控制实验模块2，指导设置其下一阶段位移的施加，实验和模拟均在上一步的结果上进行，直到试验结束。因此，整个过程实验与模拟都是同时进行的，将实验仪器1和近场动力学计算模块7同时开启，通过控制问题规模，将网格节点控制在1万以下实现同步。这里需要特殊说明的是，校正参数需要重新计算时，近场动力学计算模块7的加载路径要与实验保持一致，因此再次输入参数时需要重复在此之前的全部计算过程。

所述DIC技术测量模块5包含2组DIC测量装置4(推荐选用型号为XTDIC-CONST-HR的三维全场应变测量装置，可直接购买)，分别放置于试件3前后两侧(定义沿试件厚度方向，在试件前方为前侧，试件后方为后侧)，距试件的距离可根据试件尺寸、离散化质点的疏密而设定，以可以清晰测量、记录所测参数为准，由于本实施例模型尺寸较小，网格较密，拟设置DIC测量装置距试件的距离为1m。测量参数为实验过程中试件在荷载作用下的实时位移和破坏情况。DIC技术测量模块5与计算机6通过网络连接，可将测量数据传输到计算机6上储存、分析。

2组DIC测量装置4的设计，可以全方位记录试件前后表面的变化情况，避免由于试件较厚两个表面裂缝发展不同而产生的误差，使测量效果更准确。

图6中Pdinput文件是一个参数输入文件，step为当前时间步，StepNum为最大时间步，即分析时长，可在Pdinput文件中设置。近场动力学计算模块7的计算过程为，首先在Pdinput文件中输入模型尺寸、材料参数、问题类型、邻域半径、最大时间步(分析时长)等参数信息，运行程序后，程序会先后读取Pdinput文件、模型文件(模型文件包含模型形状、尺寸、离散化方式等，为Model文件；Pdinput文件是一个参数输入文件)，此时模型及参数信息已读取完毕，用上述信息计算bc、bd、scr0，随后考虑边界效应计算键的α值以及表面修正系数，随后开始时间积分，令step＝1，设置边界条件(受力情况及约束)，在时间积分下计算每个单元(在PD理论(近场动力学理论)中，在邻域(邻域：两点间距小于一个固定值)范围内的两质点间以键的形式连接，每个键以及所连接的两个质点视为一个单元，固体材料看做无数个单元组合而成)的位移U_ele、速度V_ele、键的成对力f_ele的值，计算单元刚度矩阵K_ele，基于单元刚度矩阵组装整体刚度矩阵K，求解矩阵方程，得到时间积分下各质点的位移U_s和内力f_s，再计算此时键的伸长量s，当s＞scr0(scr0为临界伸长量)时键断裂，在此基础上计算键的损伤以及材料的损伤系数，循环计算所有时间步直至最大时间步StepNum，最后输出计算结果并对其后处理，计算完成。

对比模块8的分析过程如附图5所示，将实验中传输的测量数据与计算模拟结果进行对比，对于弹性阶段总位移的计算误差大于1％的近场动力学计算参数传入参数校正模块9进行校正，其分析过程如附图7所示。根据位移的误差，首先采用二分法校正弹性常数bc、bd，根据误差的大小变化不断缩小待校正参数的取值范围，待校正参数的初始范围需根据材料属性可在参数校正模块设定。

该参数校正方法采取二分法的方式，该方法的流程如附图7所示，详述如下：流程图中n表示校正次数，a表示校正的参数(bc、bd)，δ表示计算结果对于实验结果的误差。

这里以校正弹性常数bc为例。若弹性常数的真实值为bc，初始输入参数值经计算为bc₀。默认材料泊松比较小则取值范围(x,y)是(0，z)(此时x＝0，y＝z)，初始输入值bc₀将取值范围分为两部分：(0，bc₀)和(bc₀，z)，下面开始第一次校正，即n＝1。先取第一个取值范围中点即

在近场动力学计算模块7中更新该值并计算，得到位移值U_s1，计算误差值δ₁。判断误差是否变大，若δ₁<δ₀，则y＝bc₀，继续判断δ₁是否小于等于1％，若δ₁≤1％，则完成校正，输出并标定该参数值；若δ₁＞1％则重复上述步骤，直到δ_n≤1％；若δ₁＞δ₀，则x＝bc₀，取第二个取值范围中点即

在近场动力学计算模块7中更新该值并计算，得到位移值U_s1，计算误差值δ₁，判断δ₁是否小于等于1％，若δ₁≤1％，则完成校正，输出并标定该参数值；若δ₁＞1％则重复上述所有步骤，直到δ_n≤1％。

如上述类推，不断缩小取值范围，直到弹性阶段总位移的误差小于1％，此时的bc、bd接近材料的真实值，予以标定，在此基础上根据裂纹的萌生位置、时间和扩展情况校准临界拉伸率scr0。

关于scr0的校正，在标定参数bc、bd后，观察试验过程中DIC测量装置记录的试件破坏情况(以视频呈现)，记录裂纹萌生及发展的时间、位置，对照近场动力学计算模块同一时刻相同位置键的伸长量(近场动力学离散化方案图2(b)与试验中试件所画网格图2(a)一一对应，方便参数的比较、记录以及修正)，初始给定临界拉伸率scr0为0.2，判断伸长量是否大于初始给定临界拉伸率scr0，若裂纹产生，认为键断裂，若伸长量大于初始给定临界拉伸率scr0，则断裂，此时初始给定临界拉伸率scr0即为校正的临界拉伸率scr0值，若伸长量不大于初始给定临界拉伸率scr0，说明没断裂，则将初始给定临界拉伸率scr0缩小，进行微调每次微调下调0.01，直至伸长量大于微调后的临界拉伸率scr0为止，最终微调后的临界拉伸率scr0即为校正后的临界拉伸率scr0值。

本实施例侧重于研究巴西圆盘的破坏行为，修正其近场动力学参数。

本实施例基于DIC技术的近场动力学参数实验反演系统的使用方法步骤为：

(1)确定试件3为直径d＝50mm，厚度h＝10mm的标准巴西圆盘，材料的离散化方案为质点间距为2mm，如图2(b)所示；

(2)制作直径d＝50mm，厚度h＝10mm的标准巴西圆盘混凝土试件3，在试件3前后表面用耐高温涂料画网格，所画网格应与近场动力学模型离散化的质点一一对应，如图2(a)所示；近场动力学模型为已公开的技术。

(3)将上述试件3放置在巴西劈裂试验机1上，同时将试件尺寸参数、初始力学参数、预设的校正参数(即bc、bd、scr0)输入近场动力学计算模块7中；

(4)打开DIC测量装置4，并连接到计算机6上实时传输测量数据，同时开启试验机1和近场动力学计算模块7，进行同步实验和模拟；

(5)对比反馈结果的位移值，如误差较大，校正弹性常数bc、bd，并输入到近场动力学计算程序重复计算，直到参数校准并标定，如结果近似，直接标定参数bc、bd；

(6)将标定的bc、bd参数值输入近场动力学计算模块，对比反馈结果的裂纹萌生位置及发展情况，校正裂纹处的临界拉伸率scr0，将每次微调结果输入到近场动力学计算模块重复计算，直到参数校准并标定，此时完成反演。

实施例2

本实施例一种基于DIC技术的近场动力学参数实验反演系统，该系统包括实验模块2、近场动力学计算模块7、DIC技术测量模块5、对比模块8、参数校正模块9。实验模块2借助DIC技术测量模块5得到试件在荷载作用下的实时位移和破坏情况，所述实验模块2和近场动力学计算模块7同步运行，分别得出实验和计算模拟结果并将结果传输到计算机6上，依赖于计算机程序，经对比模块8分析对照，若结果相近则标定参数，完成反演；若误差较大，通过参数校正模块9校正相应近场动力力学参数，并将校正后的参数输入近场动力学计算模块7计算分析，反复进行，直至模拟结果与实验结果近似，此时完成参数标定和实验反演。

所述实验模块2由混凝土力学性能试验机1和试件3组成，试验机可为巴西劈裂试验机、拉伸试验机等用于测量试件不同力学性能的试验机，可根据实验类型选择不同的试验机，并设置相应试件。本实施例拟选用电子万能试验机1，配置长、宽、高分别为500mm×100mm×100mm，含有自底部中点向上延伸50mm预裂纹的混凝土梁试件3，在试件3前后表面(定义试件沿厚度方向的两个外表面为前后表面)用耐高温涂料(拟选用耐高温标记涂料型号为ZS-1082)画网格，所画网格应与近场动力学模型离散化的质点一一对应，拟选用质点间距为10mm的离散化方案，如图4所示。

所述DIC技术测量模块5包含2组DIC测量装置4，分别放置于试件3前后两侧(定义沿试件厚度方向，在试件前方为前侧，试件后方为后侧)，距试件的距离可根据试件尺寸、离散化质点的疏密而设定，以可以清晰测量、记录所测参数为准，拟设置DIC测量装置距试件的距离为1m。测量参数为实验过程中试件在荷载作用下的实时位移和破坏情况。DIC技术测量模块5与计算机6通过网络连接，可将测量数据传输到计算机6上储存、分析。

对比模块8将实验中传输的测量数据与计算结果进行对比，对于弹性阶段总位移的计算误差大于1％的近场动力学计算参数传入参数校正模块9进行校正。根据位移的误差，首先采用二分法校正弹性常数bc、bd，根据误差的大小变化缩小bc、bd的取值范围，直到弹性阶段总位移的误差小于1％，此时的bc、bd接近材料的真实值，予以标定，在此基础上根据裂纹的萌生位置、时间和扩展情况校准临界拉伸率scr0，此时完成断裂过程的反分析。

本实施例侧重于研究混凝土三点梁的破坏行为，修正其近场动力学参数。

本实施例基于DIC技术的近场动力学参数实验反演系统的使用方法步骤为：

(1)确定试件3为长、宽、高分别为500mm×100mm×100mm，含有自底部中点向上延伸50mm预裂纹的混凝土梁，材料的离散化方案为质点间距为10mm，如图4(b)所示；

(2)制作尺寸为500mm×100mm×100mm，含有自底部中点向上延伸50mm预裂纹的混凝土梁试件3，在试件3前后表面用耐高温涂料画网格，所画网格应与近场动力学模型离散化的质点一一对应，如图4(a)所示；

(3)将上述试件3放置在电子万能试验机1上，同时将试件尺寸参数、初始力学参数、预设的校正参数(即bc、bd、scr0)输入近场动力学计算模块7中；

(4)打开DIC测量装置4，并连接到计算机6上实时传输测量数据，同时开启试验机1和近场动力学计算模块7，进行同步实验和模拟；

(5)对比反馈结果的位移值，如误差较大，校正弹性常数bc、bd，并输入到近场动力学计算模块重复计算，直到参数校准并标定，如结果近似，直接标定参数bc、bd；

(6)将标定的bc、bd参数值输入近场动力学计算模块，对比反馈结果的裂纹萌生位置及发展情况，校正裂纹处的临界拉伸率scr0，将每次微调结果输入到近场动力学计算模块重复计算，直到参数校准并标定，此时完成反演。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种基于DIC技术的近场动力学参数实验反演系统，该系统包括实验模块、近场动力学计算模块、DIC技术测量模块、对比模块、参数校正模块，其特征在于，实验模块借助DIC技术测量模块得到试件在荷载作用下的实时位移和破坏情况，所述实验模块和近场动力学计算模块同步运行，分别得出实验和计算结果并将结果传输到计算机上；经对比模块分析对照，若结果相近则标定参数，完成反演；若误差较大，通过参数校正模块校正相应近场动力学参数，并将校正后的参数输入近场动力学计算模块计算分析，反复进行，直至模拟结果与实验结果近似，此时完成参数标定和实验反演；

所述对比模块将通过实验模块获得的实验测量数据与通过近场动力学计算模块获得的计算结果进行对比，通过实验模块获得的实验测量数据记为位移值U_e，通过近场动力学计算模块获得的计算结果记为位移值U_s，二者对比计算弹性阶段总位移误差公式为

计算误差不大于1％时则标定参数，完成反演，否则进行参数校正；

所述参数校正模块校正的参数有两个独立的弹性常数bc、bd以及临界拉伸率scr0，首先校准弹性常数bc、bd，在此基础上根据裂纹的萌生和扩展情况校准临界拉伸率scr0，校正方法采用二分法，不断缩小取值区间以逼近真实值；

参数校正模块的具体过程是：设定校正次数为n，用a表示校正的参数，δ表示计算结果对于实验结果的计算误差，由对比模块输出；开始后令n＝0，确定要校正的参数a的取值范围(x，y)，第一次根据材料自身属性输入，以后均为上一步传入值；n开始累加，n＝n+1，则

将a_n代入近场动力学计算模块中，输出此时的位移值U_sn及材料破坏情况，再返回对比模块中进行当前误差计算，若当前误差小于上一步的误差，则令y＝a_n-1，并进一步判断当前误差是否大于1％，若不大于1％，则输出并标定参数a_n；若大于1％，则返回重新确定参数a的取值范围；

若当前误差不小于上一步的误差，则令x＝a_n-1，

在近场动力学计算模块中更新参数a_n，并计算输出此时的位移值U_sn及材料破坏情况，再返回对比模块中进行当前误差计算，确定是输出标定参数还是继续校正；

在标定参数bc、bd后，根据裂纹的萌生位置、时间和扩展情况校准临界拉伸率scr0，具体过程是：观察试验过程中DIC测量装置记录的试件破坏情况，记录裂纹萌生及发展的时间、位置，对照近场动力学计算模块同一时刻相同位置键的伸长量，初始给定临界拉伸率scr0，判断伸长量是否大于初始给定临界拉伸率scr0，若伸长量大于初始给定临界拉伸率scr0，则断裂，此时初始给定临界拉伸率scr0即为校正的临界拉伸率scr0值，若伸长量不大于初始给定临界拉伸率scr0，则将初始给定临界拉伸率scr0缩小，进行微调直至伸长量大于微调后的临界拉伸率scr0为止，最终微调后的临界拉伸率scr0即为校正后的临界拉伸率scr0值。

2.根据权利要求1所述的反演系统，其特征在于，所述实验模块由混凝土力学性能试验机和试件组成，试件前后表面用耐高温涂料画网格，所画网格与近场动力学模型离散化的质点一一对应。

3.根据权利要求1所述的反演系统，其特征在于，所述DIC技术测量模块包含2组DIC测量装置，分别放置于试件前后两侧，DIC测量装置距试件的距离根据试件尺寸、离散化质点的疏密设定，以能清晰测量、记录所测参数为准。

4.根据权利要求1所述的反演系统，其特征在于，所述近场动力学计算模块用于模拟实验过程，运用近场动力学理论，分析在荷载作用下裂纹的萌生和扩展，具体过程是：在参数输入文件Pdinput文件中设置最大时间步StepNum、模型尺寸、材料参数、问题类型、邻域半径；建立模型文件即Model文件，根据输入的信息计算出弹性常数bc、bd及临界拉伸率scr0，随后考虑边界效应计算键的α值以及表面修正系数；

随后开始时间积分，令step＝1，设置边界条件，在时间积分下计算近场动力学模型中每个单元的位移U_ele、速度V_ele、键的成对力f_ele的值，计算单元刚度矩阵K_ele，基于单元刚度矩阵组装整体刚度矩阵K，求解矩阵方程，得到时间积分下各质点的位移U_s和内力f_s，再计算此时键的伸长量s，当s＞scr0时键断裂，在此基础上计算键的损伤以及材料的损伤系数，循环计算所有时间步直至最大时间步StepNum，最后输出计算结果并对其后处理，计算完成。

5.一种基于DIC技术的近场动力学参数实验反演系统的使用方法，该方法采用权利要求1-4任一所述的反演系统，方法的步骤为：

(1)确定试件尺寸及材料的离散化方案；

(2)依照尺寸参数制作混凝土试件，在试件前后表面用耐高温涂料画网格，所画网格应与近场动力学模型离散化的质点一一对应；

(3)将上述试件放置在混凝土力学性能试验机上，同时将试件尺寸参数、初始力学参数、预设的校正参数即弹性常数bc、bd、临界拉伸率scr0，输入近场动力学计算模块中；

(4)打开DIC测量装置，并连接到计算机上实时传输测量数据，同时开启试验机和计算程序，进行同步实验和模拟，追踪各质点的位移及试件的破坏情况；

(5)对比反馈结果的位移值，如误差较大，校正弹性常数bc、bd，并输入到近场动力学计算模块重复计算，直到参数校准并标定，如结果近似，直接标定参数bc、bd；

(6)将标定的bc、bd参数值输入近场动力学计算模块，对比反馈结果的裂纹萌生位置及发展情况，校正裂纹处的临界拉伸率scr0，将每次微调结果输入到近场动力学计算模块重复计算，直到参数校准并标定，此时完成反演。

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