ZESZYTY N A U K O W E PO LITEC H N IK I ŚLĄSKIEJ Seria: BUD OW NICTW O z. 97
2003 N r kol. 1573
Zbigniew SIKORA, R afał M ICH A LAK , M ariusz W Y ROŚLAK Politechnika G dańska
NOWA TECHNIKA POMIARÓW DEFORMACJI MATERIAŁU T-S
Streszczenie. W artykule przedstaw iono treściwy opis w ybranych elem entów nowego stanowiska badaw czego dla m ateriału Taylor-Schneebeli (T-S) w w arunkach płaskiego stanu odkształcenia. O m ów iono w ykorzystyw ane systemy pom iarowe, w tym nowy oparty na rejestracji zdjęć cyfrowych. A naliza pom iarów zw iązana je st z m etodam i cyfrowej interpretacji obrazów, co um ożliw ia śledzenie pola przem ieszczenia i obrotów cząstek materiału modelowego.
ANEW MEASUREMENT METHOD OF T-S MATERIAL DEFORMATION
Summary. A b rie f description o f a new Taylor-Schneebeli stand in plain strain conditions is presented. The m easurem ent system s used as well as the new one based on digital recording technique is described. The analysis o f m easurem ent results is connected w ith a new technique o f digital im age processing procedure. D isplacem ent and rotation o f all the grains of the model m aterial is possible on the basis o f this new technology.
1. Materiał Taylor-Schneebeli jako ośrodek rozdrobniony
W badaniach laboratoryjnych m echaniki gruntów w ykorzystuje się różne rodzaje ośrodka rozdrobnionego, ich wybór je st ściśle związany z program em podjętych badań.
Materiał badawczy, zgodnie z ogó ln ą zasadą, m ożna podzielić w dw ojaki sposób: n a ośrodek pochodzenia naturalnego i na ośrodek analogowy. Jednym z istotnych i często stosowanym dwuwymiarowym m ateriałem badaw czym je st ośrodek Taylor-Schneebeli (T-S), czyli wałeczki wykonane np. ze stopu alum inium (p. ry s.l), drewna, P V C lub innych m ateriałów syntetycznych. W ałeczki układa się ,je d n e na drugich” w dw uw ym iarowy stos o ustalonej strukturze. W Laboratorium M echaniki Gruntów na W ydziale Budow nictw a W odnego i Inżynierii Środow iska Politechniki Gdańskiej od w ielu lat w ykorzystuje się przedstaw iony na
Rys. 1. Aluminiowe wałeczki Taylor-Schneebeli ze znacznikami Fig. 1. Taylor-Schneebeli aluminum rods with special markers
rys. 1 m ateriał T-S. D wie charakterystyczne właściwości tego m ateriału są następujące [5]:
1) stos wałeczków stanowi strukturę dw uw ym iarow ą 2) m ieszanina w ałeczków (długość - 60 mm, średnice - 3 mm i 5 mm) o różnych średnicach tw orzy ośrodek niespoisty o wartości kąta
tarcia wew nętrznego w granicach <f> =23+34°.
Część w ałeczków w yposażono w znaczniki (rys. 1), które wykorzystyw ane są w cyfrowej analizie obrotów i przem ieszczeń poszczególnych cząstek T-S w obrębie formującego się pasa deformacji. Znaczniki wykonano w formie kółek o średnicy odpow iadającej średnicom w ałeczków. Aby m ożliw a była analiza obrotów i przem ieszczeń w ałeczków (kółek), na znacznikach um ieszczono prom ienie kółek o grubości 0.2 mm.
Tablica 1 Cechy fizyczne w ałeczków
Rodzaj wałeczków
Średnia m asa 1 szt.
m [g]
Gęstość objętościowa maksymalnie zagęszczonego stosu
P [g/cm3]
Porow atość n [%]
Wskaźnik porowatości
e r%]
max m in max min
<ł>3 1.23 2.61
21.6 9.3 27.6 10.3
0 5 3.08 2.4
0 3+5 mieszane w stosunku
wagowym 1:1
- 2.25 18.4 - 22.6 -
Jednym z podstaw owych zadań w ram ach m echaniki ośrodków rozdrobnionych jest określenie zachow ania się ośrodka w skali makro na podstaw ie w łaściw ości ośrodka w m ikroskali. Taki cel badań postaw iono podczas budowy nowego stanowiska do badań m odelowych [3], w którym analizowano deform ację stosu T-S poddanego obciążeniu ściskającem u w w arunkach płaskiego stanu odkształcenia. Istotnym elem entem badań był
Nowa technika pom iarów.. 169
pomiar przem ieszczenia i obrotów w ałeczków T-S, w szczególności w obszarze strefy lokalizacji pasa deform acji.
2. Nowe stanowisko do badań modelowych T-S
W pracach projektow ych nad now ym stanowiskiem badaw czym punktem wyjścia była stosowna adaptacja istniejących urządzeń w Laboratorium M echaniki Gruntów Katedry Geotechniki, opracowanych w cześniej koncepcji technicznych oraz w ieloletnich dośw iadczeń w badaniach m odelow ych gruntu. N ow e stanowisko badaw cze wym agało jednak opracowania w ielu w łasnych autorskich rozw iązań technicznych [1]. N a rys. 2 przedstawiono ogólny widok stanow iska badań modelowych.
Rys. 2. Ogólny widok stanowiska badawczego dla materiału T-S Fig. 2. General view o f the experimental stand for T-S material
Podstawowy cel badaw czy dotyczył śledzenia zjaw isk lokalizacji obszarów deform acji w ośrodku rozdrobnionym . K ontrolę w arunków brzegowych obciążenia w skali makro realizowano wykorzystując klasyczną technikę analogową.
Na rys. 3 przedstaw iono ideowy schem at stanow iska badań m odelow ych wraz z rozmieszczeniem analogow ych urządzeń pom iarowych przem ieszczenia. Zastosowano analogowe przetw orniki przem ieszczenia PSxlOO, które m ocowano do belki nośnej konstrukcji stanow iska, oraz m ierniki siły: FT-5307 S/50kN, FT-5307 M /S/25kN (rys. 3).
Pom iar przem ieszczenia i obrotów poszczególnych w ałeczków realizow ano wykorzystując technikę rejestracji cyfrowego w ideo DV. D okładna analiza zjaw iska lokalizacji deformacji wymaga wykonania badań na próbkach odpowiednio dużych rozm iarów. Stanowisko badawcze um ożliw iało badanie próbek o maksymalnych wym iarach (80-100) x(50-100) cm (odpowiednio wysokość i szerokość) z m ożliw ością łatwej ich zm iany [3],
FT-5307 S/50kN
I Początkowe punkty pomiarowe
I Przesunięcie początkowych punktów pomiarowych
FT-5307 M/S/25kN Rys. 3. Schemat rozmieszczenia mierników przemieszczenia i siły
Fig. 3. A chart of the displacement and force measurement system
2.1. Schem at pom iarów cyfrowych
Celem rejestracji w ideo był jakościow y opis zachowania się całego stosu badawczego oraz ilościowy opis przem ieszczeń i obrotów wałeczków w w ybranym obszarze formującego się pasa deformacji. W każdej serii badań rejestrowano deform ację stosu za pom ocą dwóch konw encjonalnych cyfrowych kam er w ideo, tj. S O N Y D C R -T R Y 2 0 oraz JV C GR-DYL9600.
Rys. 4. System równoczesnej rejestracji deformacji stosu ośrodka T-S Fig. 4. Simultaneous DV-recording system o f T-S material deformation
Nowa technika pom iarów.. 171
Jedna z kam er rejestrow ała obraz całego stosu, natom iast druga wybrany fragm ent stosu, w którym przewidyw ano pojaw ienie się pasm a lokalizacji (rys. 4). Sprzężenie kamer z systemem rejestracji danych w skali m akro następow ało na podstaw ie param etru czasowego.
2.2. Prezentacja w ybranej serii badań
Wykonano szeroki program badań m odelow ych [5], W artykule om aw ia się jedynie jedno badanie z serii C.IIb (zgodnie z oryginalną num eracją w [5]), na podstaw ie którego m ożna pokazać wybrane m ożliw ości nowej techniki pomiarowej przem ieszczenia i obrotów rejestrowanych w ałeczków w wyselekcjonow anym fragm encie deform ującego się stosu.
Rys. 5. Kolejne obrazy lokalizacji strefy deformacji w badaniu C.IIb
Fig. 5. Consecutive images o f shear-band localization in experiment No. C.IIb
Rys. 6. Zależność naprężenie-odkształcenie z wydzielonymi punktami krzywej Fig. 6. Stress-strain relationship with evidence of the deformation images
Przedm iotem badania (seria C.IIb) był stos wałeczków (T-S, 0 5 mm) o wysokości 100 cm i szerokości 50 cm. Stałe naprężenie boczne wynosiło 200 kPa. S kładow ą naprężenia pionowego, w badaniu dw uosiow ego ściskania, zadawano w sposób kinematyczny.
N a rys. 5 przedstaw iono serię obrazów w m om encie tw orzenia się pasa deformacji, które są podstaw ą do ilościow ego oszacow ania obrotów i przem ieszczeń w ałeczków w strefie zlokalizowanej deformacji. Zależność naprężenie-odkształcenie, z zaznaczeniem punktów reprezentujących koincydencje wybranych obrazów z przebiegiem obciążenia całego stosu, przedstawiono na rys. 6.
3. Metoda pomiarów przemieszczeń i obrotów wałeczków T-S
Ilościowy opis zachow ania się m ateriału rozdrobnionego na poziom ie m ikro wymaga stosowania niestandardowego oprogram ow ania komputerowego. N ależy zaznaczyć, że sposób, w jak i proponuje się przeprow adzenie analizy pom iarów przem ieszczenia i obrotów w ałeczków T-S, należy do unikatow ych w skali obecnych badań m ateriałów rozdrobnionych.
W literaturze znane s ą m etody takie, ja k na przykład: P IV (Particie Im age Yelocimetry), której przedm iotem badań je s t głównie m echanika płynów, DIP (D igital Image Processing) wykorzystujący rozbudow any program MATHEMATICA 4, który znajduje swe zastosowanie w w ielu dziedzinach inżynierii, a przede w szystkim bioinżynierii - bazuje jednak na obrazach cząstek zajm ujących m aksim um do kilku pikseli obrazu. Znany je st rów nież OCR (Optical Character Recognitioń), system rozpoznawania znaków, lub wiele, w iele innych, (Michalak,
2002). Żaden z klasy tych system ów rozpoznaw ania obrazów cyfrowych, na dzisiaj, jednak nie służy w pełni zadaniom zw iązanym z deform acją dw uwym iarow ego stosu wałeczków T-S.
Stąd też pow stała konieczność opracowania własnej techniki rozpoznaw ania obrazów, na podstawie której otrzym uje się m apy pól przem ieszczenia i obrotów cząstek stosu Taylor- Schneebeli. W szystkie aplikacje z grupy program ów kom puterow ych przetw arzających obrazy cyfrowe związane są z w ykorzystywaniem zaaw ansow anych m etod aproksymacji [4,5],
N a podstawie przeprow adzonych eksperym entów do dyspozycji pozostaje baza danych w postaci zdjęć reprezentujących zapis przem ieszczania się i obrotów w ałeczków w obrębie formującego się pasa deform acji [3].
Nowa technika pom iarów .. 173
o b ra z 2 O braz r Obraz r+1
Rys. 7. Schemat serii obrazów deformacji stosu wałeczków Taylor-Schneebeli Fig. 7. A schematic image series of T-S materiał deformation
Ocena deform acji stosu następuje poprzez porów nanie pozycji w ałeczków na dwóch kolejnych obrazach zarejestrow anych podczas realizacji badania m odelow ego, p. rys. 7.
Sprawdzeniu p o dlegają dane o lokalizacji poszczególnych w ałeczków i nachyleniu ich znaczników w zględem osi odciętych. M etoda lokalizacji w ałeczków (de fa c to ich znaczników) nie w ym aga num eracji w ałeczków, co z punktu w idzenia zastosow ań je s t bardzo
Rys. 8. Obroty poszczególnych wałeczków T-S; obrazy C.IIO 15-016 i C.11015-020 Fig. 8. Rotations o f the T-S grains; images C.II015-016 and C.II015-020
wygodne, w szczególności w zględem ustalania pozycji w ałeczka przy przejściu od jednego obrazu do drugiego. N a kolejnych rysunkach przedstaw iono wykresy obrotów poszczególnych w ałeczków T-S w w yniku porów nania pozycji w ałeczków z dwóch wybranych obrazów zgodnie z num eracją na rys. 5.
Na rys. 8 i rys. 9 zauw aża się, że wartości obrotów w ałeczków w ścisłej strefie lokalizacji zwiększają i zm niejszają się na przem ian w miarę obciążania stosu. Obroty są rozłożone na całym obszarze rejestrow anego fragm entu stosu. W yraźne pasm o ścinania generuje się na zdjęciu CIIb015-CIIb027. M ożna zatem uznać, że w trakcie deform acji stosu między
Obroty (deg)
wałeczkam i pulsacyjnie m obilizuje się tarcie wymuszając skokow y przyrost wzajemnych obrotów.
Vtysokość obrazu
Rys. 9. Obroty poszczególnych wałeczków T-S; obrazy C.II015-027 i C.II015-036 Fig. 9. Rotations o f the T-S grains; images C.H015-027 and C.II015-036
Rys. 10. Obroty poszczególnych wałeczków T-S; obrazy C.IIO 16-020 i C.II020-027 Fig. 10. Rotations o f the T-S grains; images C.11015-020 and C.II020-027
Nowa technika pom iarów.. 175
o 100 200 300 400 500 600
700 Wysokosc obrazu
Rys. 11. Wypadkowe przemieszczenie wałeczków T-S; obrazy C.IIO 15-027 Fig. 11. Displacement of the T-S grains; images C.II015-027
4. Wnioski
Na podstawie przykładu opisanego badania deform acji stosu T-S m ożna stwierdzić, że opracowana m etodologia prow adzenia badań m odelow ych na now ym stanowisku modelowym oraz now a jakościow o technika pom iarów od skali m ikro do skali makro stwarzają m ożliw ości badań dośw iadczalnych i analitycznych zachow ania się ośrodka rozdrobnionego poddanego różnym obciążeniom w w arunkach płaskiego stanu odkształcenia.
Cennym aspektem cyfrowej analizy zarejestrowanych obrazów je st fakt, że częstokroć żmudny i czasochłonny eksperym ent m ożna „pow tarzać” praktycznie nieograniczoną ilość razy, za każdym razem zw racając uw agę na inny aspekt deform ującego się stosu. N ow e aplikacje kom puterowej analizy obrazu są narzędziem , za po m o cą którego m ożna bez trudu
„dostać się do inform acji każdego ziarna” m ateriału rozdrobnionego, w tym przypadku materiału Taylor-Schneebeli.
PODZIĘKOWANIA
Autorzy składają podziękow ania KBN za wsparcie finansow e w ram ach następujących projektów badawczych: 1578/T07/2001/20 oraz 7T07E/00418.
LITERATURA
1. W yroślak M ., Sikora Z.: K oncepcja now ego aparatu dwuosiow ego ściskania, Inżynieria M orska i G eotechnika 1999, nr 5, s. 236-241
2. Sikora Z., W yroślak M.: A parat dw uosiowego ściskania dla ośrodka Taylor-Schneebeli.
Jubileuszowa Sesja Naukow a: Geotechnika w Budow nictw ie i Inżynierii Środowiska, Gdańsk 2000.
3. Sikora Z., W yroślak M.: A new Taylor-Schneebeli apparatus for localization problems.
Proc. in V International Sem inar on Renovation and Im provem ents to Existing Quay Structures, PG, G dańsk 2001, s. 129-137.
4. M ichalak R.: Zastosow anie m etody DEM i hom ogenizacji w analizie równowagi m ateriałów rozdrobnionych. Praca dyplom owa State-of-the-art. w ram ach Studium Doktoranckiego “G eotechnika i inżynieria środow iska” , PG, Gdańsk 2002
5. W yroślak M.: A naliza stref derorm acji w modelow ym ośrodku rozdrobnionym, praca doktorska, PG, XII 2002-12-10.
Recenzent: Prof, dr hab. inż. Ryszard IZBICK1
Abstract
A b rief description o f selected elem ents o f a new Taylor-Schneebeli stand in plain strain conditions is presented. The m easurem ent systems used as well as the new one based on digital recording technique is described. The analysis o f m easurem ent results is connected w ith a new technique o f digital im age processing procedure. D isplacem ent and rotation of all the grains o f the model material is possible on the basis o f this new technology.
