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土工三轴试验系统非线性补偿控制与变形场测量

王鹏鹏  
【摘要】:室内土工试验是探究岩土材料力学特性的必要手段,其中三轴试验是测定岩土材料应力应变性质、本构关系模型与强度参数的最重要、最常用的试验。但三轴试验系统的加载跟踪精度易受土样非线性力学特性及系统中非线性摩擦等因素的影响,同时,常规三轴试验中试样变形的测量一般采用外置式传感器,只能测量试样整体的变形,无法获得土样的局部变形特征。针对三轴试验系统存在问题,本文实现了三轴试验系统轴向加载的非线性补偿控制和试样全表面变形场测量。在此基础上,通过试验验证了改进的三轴试验系统测控结果的可信性,并且开展了局部变形测量方法的应用研究。主要研究工作如下:(1)基于非线性控制理论实现对土工三轴试验平台的加载控制,用于补偿系统中负载非线性力学特性及非线性摩擦等因素的干扰影响。试验平台采用电液伺服控制系统,其优势是既满足静态的加载负荷又满足动态的响应速度,但液压系统的非线性摩擦、负载非线性力学特性等诸多因素会对加载平台的跟踪精度及稳定性造成影响。本文采用LuGre非线性摩擦模型表示系统的非线性摩擦,通过干扰观测器对系统的干扰量进行辨识,提出基于动态面反演控制与迭代学习控制的复合控制策略以改善系统的跟踪性能,并完成控制策略的Lyapunov稳定性验证。试验表明:与PID控制相比,提出的控制策略在静态与动态加载试验中系统输出与理想轨迹之间的均方根误差分别降低了约40%与30%。(2)基于数字图像相关(DIC)技术搭建了土样变形数字图像测量系统,并提出了一种试样三维表面轮廓空间校正方法,用于提高土样三维变形测量精度。本文将数字图像相关技术应用于土样的变形测量,针对试验特点设计并布局测量系统的相关硬件。由于相机光轴及其图像平面的虚拟特性,无法通过机械装配精确保证测量系统与试验平台的相对位置,为此本文给出了一套测量标定流程以实现图像畸变矫正、立体图像校正、图像立体匹配及试样三维轮廓位姿校正等测量任务。通过对比试验结果表明,与校正前的数据相比,校正后的图像测量结果与位移传感器之间的均方根误差可降低约50%。(3)利用土工三轴试验加载系统,完成了二维数字图像相关(2D-DIC)技术在土工平面应变试验中的应用研究,量化出平面应变试样表面的变形场并确定剪切带的特征参数。利用DIC技术对福建标准砂的平面应变饱和固结不排水试验及干砂固结压缩试验进行测量并获得相应的剪切带特征。图像测量结果表明:试验初期试样变形相对均匀,随着试验进展,试样会出现局部破坏并逐渐扩展直至贯穿整个试样形成剪切带;试样剪切带内的变形明显,并且剪切带内的局部体积出现扩张现象。在测量数据基础上,利用分叉理论分析试样的变形分布提出了一种确定剪切带出现和完全形成时间点的方法,得到了土样破坏过程不同阶段的变形特征;并利用干砂固结压缩试验的图像测量结果标定了离散元模拟参数,验证了模拟参数的合理性。(4)完成基于三维数字图像测量技术在三轴试验中试样三维变形测量的应用研究,探究三轴试样在不同加载条件下的局部变形特征。受边界条件影响,三轴试样的两端变形与中部变形存在较大差异,传统测量方法假定试样变形均匀的前提下,通过土工三轴试样的排水量来测量试样的整体体积与整体径向变形,不能体现试样的局部变形特征。本文基于亚像素边缘识别技术与三维数字图像相关技术实现对三轴试样的三维变形测量及局部变形特征分析。试验结果表明:在静三轴试验中,传统测量结果高估了材料的承载能力;在动三轴试验的动态荷载作用下试样的局部拉伸与压缩状态不统一,试样中部区域最薄弱、对动态荷载最敏感、最易出现液化现象。


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