砂土细观组构的图像分析

【摘要】作为典型的颗粒材料,砂土的宏观力学特性本质上由其细观离散特性决定,因此砂土细观组构的描述理论和试验检测己逐渐引起国内外学者的广泛关注。本文在总结国内外颗粒细观组构最新理论和试验的基础上,通过合理假设,改进了颗粒细观特征描述材料组构张量的理论描述方法,推导了不同空间组构参量的表达式。根据扫描电子显微镜获取的砂土细观组构图像,进而对图像进行处理和对比分析,得到砂土颗粒的细观特性参数。本研究为完善颗粒组构理论描述提供支持。首先,针对材料组构描述方法存在理论描述复杂、假设应用不合理、实际测量和图像信息分析困难等缺点,本文在合理假设的基础上,推导了颗粒材料三维空间组构张量的一般表达式,用张量分析理论和数学优化方法对表达式进行分析。推导了不同空间组构参量a的表达式,该表达式有两个独立角度变量,可以描述颗粒三维空间所有排列形式,理论上可以描述非球形颗粒各种组构排列形式。通过和ODA组构参量的对比分析发现：本文的组构参量表达式克服了ODA表达式不能描述正交各向异性的缺点,具备更为广泛合理的组构描述范围；既可以描述横观各向同性,又可以描述正交各向异性。改进表达式为砂土细观图像信息分析提供了理论支撑。其次,梳理了数字图像中关于图像预处理、二值化、图像分割和边缘检测的新理论、新方法。按照图像处理的一般流程,在图像处理中对大米颗粒图像采用不同算法进行图像处理,并对处理后的图像效果进行对比,探索出适合颗粒图像处理的具体算法。最后选择最优算法对砂土颗粒图像进行处理,为下一步的颗粒细观分析做准备。最后,选用不同制样方法得到的不同砂土组构SEM图像分析结果,用本文推导的组构参量的表达式进行对比分析,通过多种方案验证了该参量的有效性。重新对SEM试验图像进行分析,从分割后的图像中统计出砂土颗粒数目和颗粒长轴偏转角度,将其应用到改进组构张量和α值描述理论中进行验证,与现有α值最新研究成果进行对比,证明了提出的组构张量的合理性。
【作者】刘金锋；
【导师】李学丰；马良荣；
【作者基本信息】宁夏大学，电子与通信工程（专业学位），2014，硕士
【关键词】砂土；颗粒；组构；组构张量；图像分析；

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