Metoda cyfrowej korelacji obrazu w badaniach geosyntetyków i innych materiałów drogowych Jarosław Górszczyk Konrad Malicki Politechnika Krakowska Instytut Inżynierii Drogowej i Kolejowej
Wprowadzenie Dokładne określenie przemieszczeń/odkształceń występujących w poddanych obciążeniom materiałach stanowi ważne zagadnienie zarówno z punktu widzenia naukowego jak i praktycznego. Ciągły rozwój materiałów budowlanych wskazuje na równoczesną potrzebę opracowywania i wprowadzania nowych metod badawczych umożliwiających pełną i miarodajną ocenę ich parametrów mechanicznych. Jedną z możliwości stanowi wykorzystanie metody DIC, umożliwiającej szerszą analizę pracy geosyntetyków w porównaniu z normową metodą tensometryczną.
Cel prac: Celem badań było rozpoznanie możliwości implementacji metody DIC w badaniach wytrzymałościowych geosyntetyków i innych materiałów drogowych. Zakres prac: Zbudowanie laboratoryjnego stanowiska badawczego, opracowanie techniki przygotowywania próbek oraz wybór i implementacja algorytmów obliczeniowych metody DIC. Przeprowadzenie badań wytrzymałościowych wybranych materiałów z wykorzystaniem metody DIC. Postprocessing i analiza uzyskanych wyników, porównanie z tradycyjną metodą tensometryczną.
Metoda DIC 1. Kamera cyfrowa systemu analizująca obszar próbki wyszukuje punkty charakterystyczne, które stają się punktami odniesienia dla wirtualnej siatki/dyskretyzacji analizowanej powierzchni. 2. Na podstawie rejestrowanych zmian odległości między punktami oraz ewaluacji numerycznej tworzona jest mapa przemieszczeń i odkształceń dla całej widzianej przez kamerę powierzchni materiału. 3. W metodzie DIC wykorzystywane są dwa modele estymacji: Normalised Cross-Correlation (NCC), Least-Squares Matching (LSM).
Metoda DIC Na podstawie [Romeo E.: Two-dimensional digital image correlation for asphalt mixture characterisation: interest and limitations, Road Materials and Pavement Design, vol. 14, no. 4, 2013, pp. 747 763]
Metoda DIC Na podstawie [Digital Image Correlation for Deformation Measurement, Research and Education, Educational Wall Posters. Dantec Dynamics. http://www.dantecdynamics.com
Próbki laboratoryjne - przygotowanie
Stanowisko badawcze
Preprocessing Dyskretyzacja/wirtualna siatka
Wyniki badań (przykłady) Rozkład przemieszczeń wertykalnych na powierzchni próbki geosyntetyku poliestrowego [mm], obciążenie 2,5 kn Rozkład odksztalceń liniowych wertykalnych na powierzchni próbki geosyntetyku poliestrowego [mm/mm], obciążenie 1,5 kn
Wyniki badań (przykłady) Rozkład odkształceń liniowych wertykalnych na powierzchni próbki geosyntetyku poliestrowego [mm/mm], krok 0/3 wymuszenia
Wyniki badań (przykłady) Lokalne mapy przemieszczeń wertykalnych na powierzchni próbki geosyntetyku poliestrowego [mm], krok 18/19 wymuszenia
Zmienność odkształcenia liniowego wertykalnego w bazie ekstensometru (kolor czerwony), odkształcenie wyznaczone techniką tensometryczną (kolor niebieski), próbka geosyntetyku szklanego, obciążenie 4,5 kn Rozkład maksymalnych odkształceń głównych na powierzchni węzłów próbki geosyntetyku poliestrowego, obciążenie 2,3 kn
Wyniki badań (przykłady) Obciążenie Odkształcenie liniowe wertykalne Stosunek Technika tensometryczna DIC (uśrednienie dla bazy 60 mm) wyników 1 2 3 3/2 2,64 kn 300 10-4 336 10-4 1,12 6,27 kn 600 10-4 654 10-4 1,09 10,83 kn 900 10-4 965 10-4 1,07 Wartości średnie odkształceń z 5 próbek, geosyntetyk poliestrowy
a) b) Porównanie przemieszczeń geosyntetyku poliestrowego, wyniki z DIC i symulacji komputerowej (MES) obciążenie 2,5 kn
Wyniki badań (przykłady)
Wyniki badań (przykłady)
Wyniki badań (przykłady) Odkształcenia próbki MMA w badaniu rozciągania pośredniego: a) faza początkowa badania, b) faza końcowa badania
Wnioski (1) 1. Metoda Digital Image Correlation (DIC) zaimplementowana na odpowiednio przygotowanym stanowisku laboratoryjnym umożliwia skuteczne pomiary deformacji materiałów drogowych. 2. Zastosowana metoda umożliwia określenie całościowego, powierzchniowego charakteru pracy materiału, dając możliwość wyznaczenia miejsc najbardziej wytężonych, również poza bazą wykrywanie pęknięć. 3. Możliwość wyznaczenia pola przemieszczeń/odkształceń dla całej powierzchni próbki wraz z rozwiązaniem zagadnienia wartości i wektorów własnych stanowi dużą zaletę metody, gdyż jest nieosiągalne z użyciem tensometrycznych technik pomiarowych.
Wnioski (2) 4. Metoda DIC pozwala w badaniach wytrzymałościowych geosyntetyków w pełni uwzględnić i zobrazować specyficzną deformację siatek jako struktur niejednorodnych. 5. Zastosowana metoda pomiarowa otwiera również możliwości dla walidacji modeli wykonanych z wykorzystaniem metody elementów skończonych (MES). 6. W niniejszym artykule zaprezentowano wyniki pierwszych badań, a pełne, optymalne wykorzystanie metody DIC w badaniach wytrzymałościowych geosyntetyków i innych materiałów drogowych wymaga dalszych prac.
Dziękuję za uwagę