RFPAD細(xì)觀版培訓(xùn)教程

初級(jí)培訓(xùn)教程RFPA2D-DIP細(xì)觀力學(xué)版2/4/2023§主要內(nèi)容◆

RFPA-DIP細(xì)觀版簡(jiǎn)介◆數(shù)字圖像處理技術(shù)與材料非均勻性表征◆非均勻數(shù)字圖像表征與有限元網(wǎng)格的關(guān)系◆

RFPA功能按鈕與工具條介紹◆RFPA-DIP細(xì)觀版分析問(wèn)題的流程◆工程算例RFPA-DIP模擬2/4/2023大連力軟科技有限公司一、RFPA-DIP細(xì)觀版簡(jiǎn)介2/4/2023大連力軟科技有限公司§RFPA-DIP細(xì)觀版簡(jiǎn)介

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RFPA2D-DIP（RealisticFailureProcessAnalysisbasedDigitalImageProcessing）中，引入了數(shù)字圖像處理技術(shù)來(lái)表征巖石、混凝土等非均質(zhì)材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)。導(dǎo)入巖石或混凝土試樣斷面的數(shù)字圖像，運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)分析圖像的顏色特征，識(shí)別出各類細(xì)觀介質(zhì)，并賦予相應(yīng)的材料編號(hào)，確定各細(xì)觀介質(zhì)的材料區(qū)域。軟件自動(dòng)將處理后的非均勻表征圖像轉(zhuǎn)化為有限元網(wǎng)格，從而建立能反映材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，利用軟件快捷方便的材料賦值功能對(duì)細(xì)觀介質(zhì)材料賦值并輸入各細(xì)觀介質(zhì)本構(gòu)方程控制參數(shù)值。設(shè)置邊界條件，即進(jìn)行外載荷作用下的力學(xué)行為和破壞過(guò)程分析?！粼摪姹局饕槍?duì)由多種不同顏色的造巖礦物形成的巖石和灰度區(qū)分明顯的混凝土材料，亦可用來(lái)分析復(fù)合材料。目前圖像處理算法只針對(duì)Windows通用的24位BMP圖像。可以用來(lái)分析材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)行為的影響及其損傷破壞過(guò)程，作為對(duì)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有益的輔助研究手段。由于該版本是根據(jù)數(shù)字圖像建立模型的，所以數(shù)值模型的準(zhǔn)確性主要取決于導(dǎo)入的數(shù)字圖像的分辨率和圖像的顏色特征，也即數(shù)字圖像所能反映的材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)信息。

2/4/2023大連力軟科技有限公司◆非均質(zhì)材料，如巖石、混凝土等其內(nèi)部含有各種顆粒介質(zhì)、孔洞和微裂隙等缺陷，其力學(xué)性能與材料的非均質(zhì)性及細(xì)觀結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系，如應(yīng)力分布、裂隙擴(kuò)展、破壞模式、損傷演化過(guò)程等。§材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)2/4/2023大連力軟科技有限公司◆由于缺少有效的設(shè)備與手段來(lái)觀測(cè)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，得到其內(nèi)部不同性質(zhì)細(xì)觀介質(zhì)的真實(shí)幾何分布，以往難以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料真實(shí)的非均質(zhì)性研究?！魯?shù)字圖像作為一種信息資源，可以很好地反映了材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)。巖土工程材料在轉(zhuǎn)換為圖像時(shí)，其內(nèi)部不同物質(zhì)可以通過(guò)灰色度的變化在圖像中得到再現(xiàn)，保留了材料的非均質(zhì)性。所以數(shù)字圖像處理方法為研究巖土工程材料的力學(xué)性能提供了一種新途徑?！鞌?shù)字圖像處理技術(shù)2/4/2023大連力軟科技有限公司§RFPA-DIP數(shù)字圖像的導(dǎo)入

◆導(dǎo)入巖石或混凝土試樣斷面的數(shù)字圖像到RFPA中，運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)分析圖像的顏色特征，識(shí)別出各類細(xì)觀介質(zhì)，即確定細(xì)觀介質(zhì)材料ID，并確定細(xì)觀介質(zhì)的材料區(qū)域。

◆軟件自動(dòng)將處理后的非均勻表征圖像轉(zhuǎn)化為有限元網(wǎng)格，利用軟件快捷方便的材料賦值功能對(duì)細(xì)觀介質(zhì)材料賦值，從而建立能反映材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型。

◆輸入各細(xì)觀介質(zhì)本構(gòu)方程控制參數(shù)值。設(shè)置邊界條件，即進(jìn)行外載荷作用下的材料力學(xué)行為和破壞過(guò)程分析。RFPA細(xì)觀版引入了數(shù)字圖像處理技術(shù)來(lái)表征巖石、混凝土等非均質(zhì)材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)。2/4/2023大連力軟科技有限公司二、數(shù)字圖像處理技術(shù)

與材料非均勻性表征2/4/2023大連力軟科技有限公司§有關(guān)數(shù)字圖像的概念

◆在計(jì)算機(jī)中，按照顏色和灰度的多少可以將圖像分為二值圖像、灰度圖像、索引圖像和真彩色RGB圖像四種基本類型。

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數(shù)字圖像處理要根據(jù)不同圖像不同的顏色特征，選擇合適的顏色空間進(jìn)行處理。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，獲取圖像的方式和質(zhì)量都有很大改進(jìn)，獲取的圖像大都是彩色圖像，在RFPA的圖像處理中提供了兩種顏色空間進(jìn)行數(shù)字圖像處理，即RGB顏色空間和HSI顏色空間。2/4/2023大連力軟科技有限公司§RGB顏色空間

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計(jì)算機(jī)中通用的彩色空間。由于計(jì)算機(jī)彩色監(jiān)視器的輸人需要RGB三個(gè)彩色分量，通過(guò)三個(gè)分量的不同比例，在顯示屏幕上合成所需要的任意顏色，所以不管用什么形式的彩色空間，最后的輸出一定要轉(zhuǎn)換成RGB彩色空間。RGB彩色空間的示意圖2/4/2023大連力軟科技有限公司§HSI顏色空間

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HIS顏色空間用H、S、I三個(gè)參數(shù)描述顏色特性。其中H是色調(diào)，表示顏色，與波長(zhǎng)有關(guān)；S是飽和度，表示色純度，即單色光中滲人白光的程度；I是強(qiáng)度，表示人眼感知顏色的強(qiáng)弱程度，它和能量大小及人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的感知能力有關(guān)。這種彩色描述對(duì)人來(lái)說(shuō)是自然的、直觀的，更適合人的視覺(jué)特性。HSI彩色空間的示意圖2/4/2023大連力軟科技有限公司§材料數(shù)字圖像處理的目的和方法目的：

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細(xì)觀介質(zhì)分類，確定材料ID

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確定各細(xì)觀介質(zhì)的分布區(qū)域方法：

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多閾值分割

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邊緣檢測(cè)2/4/2023大連力軟科技有限公司§材料ID確定

◆巖石、混凝土等材料內(nèi)部的各種細(xì)觀介質(zhì)都有其各自的顏色，雖然通過(guò)其原始圖像能看出各細(xì)觀介質(zhì)的空間分布，但同一細(xì)觀介質(zhì)的顏色在試件內(nèi)部分布有深有淺，很難形成統(tǒng)一的算法，一般先進(jìn)行圖像分析，通過(guò)細(xì)觀介質(zhì)的顏色給材料分類。式中Ti為顏色分割閾值，ζ為細(xì)觀介質(zhì)的顏色值，n為材料ID號(hào)2/4/2023大連力軟科技有限公司(1)顏色直方圖(2)

某一掃描線上的顏色變化曲線與細(xì)觀介質(zhì)的位置關(guān)系分割閾值確定后，要對(duì)圖像進(jìn)行像素掃描，對(duì)圖像進(jìn)行多閾值分割，具體公式如下：g(x,y)=k如果g(x,y)分割圖像中像素點(diǎn)(x,y)的顏色值f(x,y)為原圖像中像素點(diǎn)(x,y)的顏色值。表示各分割閾值，假設(shè)共有N個(gè)閾值。分割的結(jié)果就是把某一區(qū)間內(nèi)的同一介質(zhì)賦予同相同的顏色§材料分割閾值的確定2/4/2023大連力軟科技有限公司(1)顏色直方圖分割圖像花崗巖R分量G分量B分量2/4/2023大連力軟科技有限公司◆

通過(guò)分析三個(gè)分量各自的直方圖，確定每個(gè)分量的分割閾值，然后再通過(guò)組合的方式，進(jìn)行細(xì)觀介質(zhì)分類。對(duì)于某些復(fù)雜的巖石圖像，其各個(gè)分量直方圖中并不一定存在明顯的谷，難以確定分割閾值。一般可以通過(guò)分析某一掃描線上三個(gè)分量的顏色變化曲線來(lái)確定分割閾值。巖石圖像R分量G分量B分量圖1105，166115，169110，167圖2169，246120，229127，242圖像分割閾值某一類型花崗巖分割圖像2/4/2023大連力軟科技有限公司（2）掃描線變化曲線確定◆對(duì)于混凝土等材料圖像，大部分屬于灰色圖像，可以在HSI顏色空間中，通過(guò)分析某一掃描線上I值的變化曲線來(lái)確定以I變量為參照量的分割閾值?；炷罙A’上I值的變化曲線分割閾值TI=1302/4/2023大連力軟科技有限公司§不同分割閾值的分割圖像(a)普通混凝土(b)I=130分割圖像2/4/2023大連力軟科技有限公司三、非均勻數(shù)字圖像表征

與有限元網(wǎng)格的關(guān)系2/4/2023大連力軟科技有限公司(1)正方形單元映射法

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在有限元方法中，需要將巖石劃分為許多小的網(wǎng)格。由于數(shù)字圖像是由一個(gè)矩形排列的像素點(diǎn)組成，其中每一個(gè)像素點(diǎn)是一個(gè)小的正方形。2/4/2023大連力軟科技有限公司

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每一個(gè)像素點(diǎn)可被看成有限元網(wǎng)格中的一個(gè)單元。對(duì)于每一個(gè)像素點(diǎn)，其四角點(diǎn)的坐標(biāo)可轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的矢量空間的物理位置，節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)可由圖像實(shí)際尺寸與圖像的像素尺寸變換得到。整個(gè)圖像就可轉(zhuǎn)換為正方形有限元網(wǎng)格，根據(jù)每個(gè)像素點(diǎn)所屬顏色的類別，在數(shù)值計(jì)算中可賦予相應(yīng)的材料種類，從而在計(jì)算中考慮巖石真實(shí)的非均勻性。分割圖像與有限元網(wǎng)格之間的映射關(guān)系2/4/2023大連力軟科技有限公司(2)位圖矢量化方法

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在RFPA中主要采用正方形單元映射方法，采用方形網(wǎng)格單元可以消除裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的網(wǎng)格效應(yīng)*；但也可以采用位圖矢量化方法，通過(guò)有限元網(wǎng)格自動(dòng)生成程序建立網(wǎng)格模型導(dǎo)入RFPA中進(jìn)行計(jì)算。細(xì)觀結(jié)構(gòu)DIP表征細(xì)觀結(jié)構(gòu)的矢量表征自動(dòng)生成的四邊形有限元網(wǎng)格*梁正召等.非均勻性巖石破裂的網(wǎng)格效應(yīng),東北巖石力學(xué)與工程分會(huì)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集,2005年2/4/2023大連力軟科技有限公司四、RFPA-DIP版操作流程2/4/2023大連力軟科技有限公司RFPA-DIP版界面顏色特征顯示區(qū)圖像導(dǎo)入圖像處理工具條§RFPA-DIP操作流程2/4/2023大連力軟科技有限公司導(dǎo)入數(shù)字圖像，設(shè)置初始參數(shù)§RFPA-DIP操作流程2/4/2023大連力軟科技有限公司數(shù)字圖像導(dǎo)入RFPA系統(tǒng)§RFPA-DIP操作流程2/4/2023大連力軟科技有限公司圖像顏色特征分析§RFPA-DIP操作流程2/4/2023大連力軟科技有限公司根據(jù)圖像顏色特征確定分割閾值，進(jìn)行圖像分割，確定細(xì)觀介質(zhì)和材料域。

(1)在RGB顏色空間中，利用R、G、B各顏色分量的分割閾組合進(jìn)行圖像分割；

(2)在HSI顏色空間中，利用I

分量的分割閾值就行圖像分割。選取的實(shí)例圖像，利用在HSI顏色空間中I值的變化選取分割閾值為T(mén)I1=100、TI2=155?！霷FPA-DIP操作流程2/4/2023大連力軟科技有限公司花崗巖的非均勻性表征圖像§RFPA-DIP操作流程2/4/2023大連力軟科技有限公司在不同的細(xì)觀介質(zhì)上，按下CTRL+左鍵細(xì)觀介質(zhì)的力學(xué)參數(shù)賦值§RFPA-DIP操作流程2/4/2023大連力軟科技有限公司細(xì)觀介質(zhì)可以考慮為均質(zhì)材料亦可考慮為非均勻材料賦值后以彈性模量表示的數(shù)值模型§RFPA-DIP操作流程2/4/2023大連力軟科技有限公司邊界條件控制條件§RFPA-DIP操作流程2/4/2023大連力軟科技有限公司計(jì)算得到應(yīng)力分布§RFPA-DIP操作流程2/4/2023大連力軟科技有限公司五、有關(guān)功能按鈕與工具條簡(jiǎn)介2/4/2023大連力軟科技有限公司§有關(guān)功能按鈕與工具條簡(jiǎn)介DIP菜單中的命令可以對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，來(lái)區(qū)分導(dǎo)入材料圖像中的各種細(xì)觀介質(zhì)?！癈olorInformation”命令顯示鼠標(biāo)劃過(guò)的掃描線上的各顏色分量的變化曲線

快捷方式：2/4/2023大連力軟科技有限公司IThresholdInput”命令打開(kāi)一個(gè)對(duì)話框，根據(jù)圖像在HSI顏色空間中I值的變化，輸入分割閾值；

快捷方式：§有關(guān)功能按鈕與工具條簡(jiǎn)介2/4/2023大連力軟科技有限公司“SegmentbyI”命令根據(jù)“IThresholdInput”命令輸入的分割閾值，對(duì)圖像進(jìn)行分割，確定材料ID和材料域；快捷方式：§有關(guān)功能按鈕與工具條簡(jiǎn)介2/4/2023大連力軟科技有限公司“Histogram”命令生成導(dǎo)入數(shù)字圖像的RGB三個(gè)顏色分量的直方圖，根據(jù)直方圖中“峰”、“谷”的變化確定各分量分割閾值；快捷方式：§有關(guān)功能按鈕與工具條簡(jiǎn)介2/4/2023大連力軟科技有限公司“MultiSegment”命令根據(jù)RGB各分量直方圖確定的分割閾值進(jìn)行圖像分割，確定材料ID和材料域；快捷方式：§有關(guān)功能按鈕與工具條簡(jiǎn)介2/4/2023大連力軟科技有限公司“ShowModelafterDIP”命令在一個(gè)無(wú)模式對(duì)話框中顯示圖像分割后的結(jié)果；快捷方式：§有關(guān)功能按鈕與工具條簡(jiǎn)介2/4/2023大連力軟科技有限公司“CheckDIPModel”命令改變無(wú)模式對(duì)話框中結(jié)果的顯示方式，一是以圖像分割結(jié)果表示，一是以賦予的彈性模量大小表示（彈模愈大，顏色愈亮）；快捷方式：§有關(guān)功能按鈕與工具條簡(jiǎn)介2/4/2023大連力軟科技有限公司六、工程算例RFPA-DIP模擬2/4/2023大連力軟科技有限公司①單軸壓縮試驗(yàn)?zāi)M花崗巖圖像RFPA模型與網(wǎng)格轉(zhuǎn)化2/4/2023大連力軟科技有限公司§模擬結(jié)果最小主應(yīng)力分布最小主應(yīng)力分布破壞過(guò)程中最大剪