RFPAD细观版培训教程

初级培训教程RFPA2D-DIP细观力学版2/4/2023§主要内容◆

RFPA-DIP细观版简介◆数字图像处理技术与材料非均匀性表征◆非均匀数字图像表征与有限元网格的关系◆

RFPA功能按钮与工具条介绍◆RFPA-DIP细观版分析问题的流程◆工程算例RFPA-DIP模拟2/4/2023大连力软科技有限公司一、RFPA-DIP细观版简介2/4/2023大连力软科技有限公司§RFPA-DIP细观版简介

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RFPA2D-DIP（RealisticFailureProcessAnalysisbasedDigitalImageProcessing）中，引入了数字图像处理技术来表征岩石、混凝土等非均质材料的细观结构。导入岩石或混凝土试样断面的数字图像，运用数字图像处理技术分析图像的颜色特征，识别出各类细观介质，并赋予相应的材料编号，确定各细观介质的材料区域。软件自动将处理后的非均匀表征图像转化为有限元网格，从而建立能反映材料细观结构的数值模型，利用软件快捷方便的材料赋值功能对细观介质材料赋值并输入各细观介质本构方程控制参数值。设置边界条件，即进行外载荷作用下的力学行为和破坏过程分析。◆该版本主要针对由多种不同颜色的造岩矿物形成的岩石和灰度区分明显的混凝土材料，亦可用来分析复合材料。目前图像处理算法只针对Windows通用的24位BMP图像。可以用来分析材料细观结构对力学行为的影响及其损伤破坏过程，作为对相应实验结果有益的辅助研究手段。由于该版本是根据数字图像建立模型的，所以数值模型的准确性主要取决于导入的数字图像的分辨率和图像的颜色特征，也即数字图像所能反映的材料细观结构信息。

2/4/2023大连力软科技有限公司◆非均质材料，如岩石、混凝土等其内部含有各种颗粒介质、孔洞和微裂隙等缺陷，其力学性能与材料的非均质性及细观结构有着密切的联系，如应力分布、裂隙扩展、破坏模式、损伤演化过程等。§材料的细观结构2/4/2023大连力软科技有限公司◆由于缺少有效的设备与手段来观测材料的内部结构，得到其内部不同性质细观介质的真实几何分布，以往难以实现对材料真实的非均质性研究。◆数字图像作为一种信息资源，可以很好地反映了材料的细观结构。岩土工程材料在转换为图像时，其内部不同物质可以通过灰色度的变化在图像中得到再现，保留了材料的非均质性。所以数字图像处理方法为研究岩土工程材料的力学性能提供了一种新途径。§数字图像处理技术2/4/2023大连力软科技有限公司§RFPA-DIP数字图像的导入

◆导入岩石或混凝土试样断面的数字图像到RFPA中，运用数字图像处理技术分析图像的颜色特征，识别出各类细观介质，即确定细观介质材料ID，并确定细观介质的材料区域。

◆软件自动将处理后的非均匀表征图像转化为有限元网格，利用软件快捷方便的材料赋值功能对细观介质材料赋值，从而建立能反映材料细观结构的数值模型。

◆输入各细观介质本构方程控制参数值。设置边界条件，即进行外载荷作用下的材料力学行为和破坏过程分析。RFPA细观版引入了数字图像处理技术来表征岩石、混凝土等非均质材料的细观结构。2/4/2023大连力软科技有限公司二、数字图像处理技术

与材料非均匀性表征2/4/2023大连力软科技有限公司§有关数字图像的概念

◆在计算机中，按照颜色和灰度的多少可以将图像分为二值图像、灰度图像、索引图像和真彩色RGB图像四种基本类型。

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数字图像处理要根据不同图像不同的颜色特征，选择合适的颜色空间进行处理。随着计算机的发展，获取图像的方式和质量都有很大改进，获取的图像大都是彩色图像，在RFPA的图像处理中提供了两种颜色空间进行数字图像处理，即RGB颜色空间和HSI颜色空间。2/4/2023大连力软科技有限公司§RGB颜色空间

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计算机中通用的彩色空间。由于计算机彩色监视器的输人需要RGB三个彩色分量，通过三个分量的不同比例，在显示屏幕上合成所需要的任意颜色，所以不管用什么形式的彩色空间，最后的输出一定要转换成RGB彩色空间。RGB彩色空间的示意图2/4/2023大连力软科技有限公司§HSI颜色空间

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HIS颜色空间用H、S、I三个参数描述颜色特性。其中H是色调，表示颜色，与波长有关；S是饱和度，表示色纯度，即单色光中渗人白光的程度；I是强度，表示人眼感知颜色的强弱程度，它和能量大小及人眼对不同波长的感知能力有关。这种彩色描述对人来说是自然的、直观的，更适合人的视觉特性。HSI彩色空间的示意图2/4/2023大连力软科技有限公司§材料数字图像处理的目的和方法目的：

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细观介质分类，确定材料ID

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确定各细观介质的分布区域方法：

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多阈值分割

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边缘检测2/4/2023大连力软科技有限公司§材料ID确定

◆岩石、混凝土等材料内部的各种细观介质都有其各自的颜色，虽然通过其原始图像能看出各细观介质的空间分布，但同一细观介质的颜色在试件内部分布有深有浅，很难形成统一的算法，一般先进行图像分析，通过细观介质的颜色给材料分类。式中Ti为颜色分割阈值，ζ为细观介质的颜色值，n为材料ID号2/4/2023大连力软科技有限公司(1)颜色直方图(2)

某一扫描线上的颜色变化曲线与细观介质的位置关系分割阈值确定后，要对图像进行像素扫描，对图像进行多阈值分割，具体公式如下：g(x,y)=k如果g(x,y)分割图像中像素点(x,y)的颜色值f(x,y)为原图像中像素点(x,y)的颜色值。表示各分割阈值，假设共有N个阈值。分割的结果就是把某一区间内的同一介质赋予同相同的颜色§材料分割阈值的确定2/4/2023大连力软科技有限公司(1)颜色直方图分割图像花岗岩R分量G分量B分量2/4/2023大连力软科技有限公司◆

通过分析三个分量各自的直方图，确定每个分量的分割阈值，然后再通过组合的方式，进行细观介质分类。对于某些复杂的岩石图像，其各个分量直方图中并不一定存在明显的谷，难以确定分割阈值。一般可以通过分析某一扫描线上三个分量的颜色变化曲线来确定分割阈值。岩石图像R分量G分量B分量图1105，166115，169110，167图2169，246120，229127，242图像分割阈值某一类型花岗岩分割图像2/4/2023大连力软科技有限公司（2）扫描线变化曲线确定◆对于混凝土等材料图像，大部分属于灰色图像，可以在HSI颜色空间中，通过分析某一扫描线上I值的变化曲线来确定以I变量为参照量的分割阈值。混凝土AA’上I值的变化曲线分割阈值TI=1302/4/2023大连力软科技有限公司§不同分割阈值的分割图像(a)普通混凝土(b)I=130分割图像2/4/2023大连力软科技有限公司三、非均匀数字图像表征

与有限元网格的关系2/4/2023大连力软科技有限公司(1)正方形单元映射法

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在有限元方法中，需要将岩石划分为许多小的网格。由于数字图像是由一个矩形排列的像素点组成，其中每一个像素点是一个小的正方形。2/4/2023大连力软科技有限公司

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每一个像素点可被看成有限元网格中的一个单元。对于每一个像素点，其四角点的坐标可转换为相应的矢量空间的物理位置，节点坐标可由图像实际尺寸与图像的像素尺寸变换得到。整个图像就可转换为正方形有限元网格，根据每个像素点所属颜色的类别，在数值计算中可赋予相应的材料种类，从而在计算中考虑岩石真实的非均匀性。分割图像与有限元网格之间的映射关系2/4/2023大连力软科技有限公司(2)位图矢量化方法

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在RFPA中主要采用正方形单元映射方法，采用方形网格单元可以消除裂纹扩展过程中的网格效应*；但也可以采用位图矢量化方法，通过有限元网格自动生成程序建立网格模型导入RFPA中进行计算。细观结构DIP表征细观结构的矢量表征自动生成的四边形有限元网格*梁正召等.非均匀性岩石破裂的网格效应,东北岩石力学与工程分会学术讨论会论文集,2005年2/4/2023大连力软科技有限公司四、RFPA-DIP版操作流程2/4/2023大连力软科技有限公司RFPA-DIP版界面颜色特征显示区图像导入图像处理工具条§RFPA-DIP操作流程2/4/2023大连力软科技有限公司导入数字图像，设置初始参数§RFPA-DIP操作流程2/4/2023大连力软科技有限公司数字图像导入RFPA系统§RFPA-DIP操作流程2/4/2023大连力软科技有限公司图像颜色特征分析§RFPA-DIP操作流程2/4/2023大连力软科技有限公司根据图像颜色特征确定分割阈值，进行图像分割，确定细观介质和材料域。

(1)在RGB颜色空间中，利用R、G、B各颜色分量的分割阈组合进行图像分割；

(2)在HSI颜色空间中，利用I

分量的分割阈值就行图像分割。选取的实例图像，利用在HSI颜色空间中I值的变化选取分割阈值为TI1=100、TI2=155。§RFPA-DIP操作流程2/4/2023大连力软科技有限公司花岗岩的非均匀性表征图像§RFPA-DIP操作流程2/4/2023大连力软科技有限公司在不同的细观介质上，按下CTRL+左键细观介质的力学参数赋值§RFPA-DIP操作流程2/4/2023大连力软科技有限公司细观介质可以考虑为均质材料亦可考虑为非均匀材料赋值后以弹性模量表示的数值模型§RFPA-DIP操作流程2/4/2023大连力软科技有限公司边界条件控制条件§RFPA-DIP操作流程2/4/2023大连力软科技有限公司计算得到应力分布§RFPA-DIP操作流程2/4/2023大连力软科技有限公司五、有关功能按钮与工具条简介2/4/2023大连力软科技有限公司§有关功能按钮与工具条简介DIP菜单中的命令可以对数字图像进行简单处理，来区分导入材料图像中的各种细观介质。“ColorInformation”命令显示鼠标划过的扫描线上的各颜色分量的变化曲线

快捷方式：2/4/2023大连力软科技有限公司IThresholdInput”命令打开一个对话框，根据图像在HSI颜色空间中I值的变化，输入分割阈值；

快捷方式：§有关功能按钮与工具条简介2/4/2023大连力软科技有限公司“SegmentbyI”命令根据“IThresholdInput”命令输入的分割阈值，对图像进行分割，确定材料ID和材料域；快捷方式：§有关功能按钮与工具条简介2/4/2023大连力软科技有限公司“Histogram”命令生成导入数字图像的RGB三个颜色分量的直方图，根据直方图中“峰”、“谷”的变化确定各分量分割阈值；快捷方式：§有关功能按钮与工具条简介2/4/2023大连力软科技有限公司“MultiSegment”命令根据RGB各分量直方图确定的分割阈值进行图像分割，确定材料ID和材料域；快捷方式：§有关功能按钮与工具条简介2/4/2023大连力软科技有限公司“ShowModelafterDIP”命令在一个无模式对话框中显示图像分割后的结果；快捷方式：§有关功能按钮与工具条简介2/4/2023大连力软科技有限公司“CheckDIPModel”命令改变无模式对话框中结果的显示方式，一是以图像分割结果表示，一是以赋予的弹性模量大小表示（弹模愈大，颜色愈亮）；快捷方式：§有关功能按钮与工具条简介2/4/2023大连力软科技有限公司六、工程算例RFPA-DIP模拟2/4/2023大连力软科技有限公司①单轴压缩试验模拟花岗岩图像RFPA模型与网格转化2/4/2023大连力软科技有限公司§模拟结果最小主应力分布最小主应力分布破坏过程中最大剪