一种混凝土细观裂纹自动识别及力学性能预测方法及系统与流程

本发明涉及混凝土识别及预测，尤其是涉及一种混凝土细观裂纹自动识别及力学性能预测方法及系统。

背景技术：

1、混凝土是土木工程中用量最大的建筑材料，其力学性能和安全寿命评估对基础设施的可持续运维至关重要。混凝土在浇筑和服役过程中，因收缩、温度效应、荷载作用等因素，内部不可避免地产生大量细观裂纹。这些裂纹的存在和发展直接导致混凝土弹性模量降低、强度下降，并最终引发结构失效。因此，定量描述混凝土内部裂纹特征并预测其对力学性能的影响，是混凝土结构安全评估的核心任务。

2、在混凝土细观损伤力学中，通常需要设定“初始损伤变量”这一关键参数来表征材料初始缺陷的严重程度。然而，现有方法多通过经验设定或宏观试验反推获得该参数，缺乏从材料真实微观结构出发的定量获取手段。另一方面，混凝土裂纹的计算机视觉识别技术虽然能够自动提取裂纹的几何信息，但通常以图像分割和参数统计为终点，未能与损伤力学建模相衔接。上述识别与建模的脱节，导致裂纹图像中蕴含的丰富微观信息无法直接服务于混凝土结构的性能评估。

3、因此，本领域亟需一种能够将混凝土裂纹图像识别结果直接转化为初始损伤变量、并进一步预测混凝土弹性模量、强度及应力-应变曲线的完整技术方案。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种混凝土细观裂纹自动识别及力学性能预测方法及系统，以解决背景技术中提到的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种混凝土细观裂纹自动识别及力学性能预测方法，包括以下步骤：

3、s1、获取混凝土细观裂纹图像，对混凝土细观裂纹图像进行裂纹识别，基于裂纹识别结果提取裂纹几何参数；

4、s2、根据裂纹几何参数，计算混凝土初始损伤变量；

5、s3、根据初始损伤变量，分别利用细观力学均匀化理论和经验退化公式，预测混凝土在当前损伤状态下的弹性模量、微裂纹摩擦系数、峰值损伤抗力和单轴抗压强度；

6、s4、根据初始损伤变量和预测结果，采用多尺度摩擦损伤本构模型，生成该损伤状态下混凝土在三轴压缩条件下的应力-应变全曲线。

7、优选的，步骤s1具体包括：

8、获取混凝土细观裂纹图像，并对混凝土细观裂纹图像进行灰度，得到灰度图像；

9、采用圆盘形结构元素对灰度图像进行形态学底帽变换，提取比周围背景更暗的细长裂纹特征，同时压制由光照不均引起的大尺度背景起伏；

10、进行形态学增强，将形态学底帽变换后的图像划分为若干互不重叠的子块，在每个子块内独立进行直方图均衡化，提升微裂纹与混凝土基质之间的灰度对比度；

11、对增强后的图像进行局部自适应阈值分割，获得初步二值图像，对初步二值图像进行边缘像素清零和基于连通域面积的滤波去噪，得到去噪后的裂纹二值图像；

12、对裂纹二值图像进行骨架化操作，检测骨架中的交叉点并进行膨胀切除，将交叉裂纹网络分离为多条独立分支；

13、构建全局欧氏距离场，沿每一条独立分支的骨架逐像素采样，提取该分支各位置的裂纹物理宽度，并统计最大宽度和平均宽度；

14、基于去噪后的裂纹二值图像和提取的裂纹骨架，计算几何特征参数。

15、优选的，裂纹几何参数包括裂纹面积占比、裂纹条数、裂纹骨架总长度、裂纹平均开度、裂纹平均长度和裂纹长宽比。

16、优选的，步骤s2具体为：根据裂纹面积占比和裂纹长宽比，利用细观力学等效介质理论，计算混凝土初始损伤变量，公式为：

17、。

18、优选的，弹性模量预测采用mori-tanaka均匀化方法，其表达式为：

19、；

20、式中，表示弹性模量，和分别为混凝土基质体积模量和剪切模量，表示损伤变量，和为与泊松比相关的微裂纹影响系数，表达式为：

21、；

22、。

23、优选的，单轴抗压强度基于摩擦系数和峰值损伤抗力随损伤变量的指数衰减关系计算，公式为：

24、；

25、；

26、；

27、式中，和分别为无损状态下微裂纹的摩擦系数和峰值损伤抗力，和为衰减速率参数，为峰值损伤抗力，表示摩擦系数；

28、根据和计算当前损伤状态下的单轴抗压强度：

29、。

30、优选的，多尺度摩擦损伤本构模型以初始损伤变量以及预测的微裂纹摩擦系数和峰值损伤抗力为输入参数，输出应力-应变全曲线。

31、本发明还提供了一种混凝土细观裂纹自动识别及力学性能预测系统，包括以下模块：

32、图像输入模块，用于获取混凝土细观裂纹图像；

33、裂纹识别与几何参数提取模块，对获取的混凝土细观裂纹图像，依次进行灰度、形态学底帽变换，形态学增强、局部自适应阈值分割和像素级拓扑修复处理，提取裂纹二值图像和裂纹骨架，并计算几何特征参数；

34、初始损伤计算模块，用于根据几何特征参数，计算混凝土初始损伤变量；

35、力学参数预测模块，用于根据初始损伤变量，分别利用细观力学均匀化理论和经验退化公式，预测混凝土在当前损伤状态下的弹性模量、微裂纹摩擦系数、峰值损伤抗力和单轴抗压强度；

36、结果输出模块，用于根据初始损伤变量和预测结果，采用多尺度摩擦损伤本构模型，生成该损伤状态下混凝土在三轴压缩条件下的应力-应变全曲线。

37、因此，本发明采用上述的一种混凝土细观裂纹自动识别及力学性能预测方法及系统，具有以下有益效果：

38、（1）实现了从裂纹图像到力学性能的完整预测，改进了现有技术中图像识别与力学建模相互独立、无法衔接的缺陷，创新性地将计算机视觉技术与细观损伤力学理论相结合，打通了“图像采集→裂纹识别→损伤变量计算→弹性模量/强度/应力-应变曲线预测”的全路径，使得混凝土细观裂纹图像中蕴含的丰富微观信息能够直接服务于宏观力学性能评估；

39、（2）初始损伤参数的获取具有明确的微观物理基础，通过细观力学均匀化理论和经验退化公式，直接从材料真实的微观裂纹几何特征出发计算损伤变量，保证了损伤表征的客观性和物理可解释性，改进了现有技术依赖经验预设或宏观反推、主观性强且缺乏物理依据的不足；

40、（3）能够预测不同损伤状态下混凝土的弹性模量、单轴抗压强度，并生成应力-应变曲线，为混凝土结构在损伤状态下的剩余承载力评估和剩余寿命预测提供了直接可用的关键力学参数；

41、（4）复杂交叉裂纹的几何参数提取精度显著提升，采用骨架交叉点切断与距离场采样方法，将交叉裂纹网络主动切断为多条独立分支进行单独分析，避免了传统方法在交叉区域因骨架拓扑复杂而导致的长度和宽度计算偏差，基于距离场的逐像素宽度采样技术能够获取整条裂纹的宽度分布，相比面积除以长度的平均宽度估算方法，对宽度不均匀裂纹和交叉点附近区域的表征更为精确。

42、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

1.一种混凝土细观裂纹自动识别及力学性能预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种混凝土细观裂纹自动识别及力学性能预测方法，其特征在于，步骤s1具体包括：

3.根据权利要求2所述的一种混凝土细观裂纹自动识别及力学性能预测方法，其特征在于：裂纹几何参数包括裂纹面积占比、裂纹条数、裂纹骨架总长度、裂纹平均开度、裂纹平均长度和裂纹长宽比。

4.根据权利要求3所述的一种混凝土细观裂纹自动识别及力学性能预测方法，其特征在于，步骤s2具体为：根据裂纹面积占比和裂纹长宽比，利用细观力学等效介质理论，计算混凝土初始损伤变量，公式为：

5.根据权利要求1所述的一种混凝土细观裂纹自动识别及力学性能预测方法，其特征在于，弹性模量预测采用mori-tanaka均匀化方法，其表达式为：

6.根据权利要求1所述的一种混凝土细观裂纹自动识别及力学性能预测方法，其特征在于：单轴抗压强度基于摩擦系数和峰值损伤抗力随损伤变量的指数衰减关系计算，公式为：

7.根据权利要求6所述的一种混凝土细观裂纹自动识别及力学性能预测方法，其特征在于：多尺度摩擦损伤本构模型以初始损伤变量以及预测的微裂纹摩擦系数和峰值损伤抗力为输入参数，输出应力-应变全曲线。

8.一种混凝土细观裂纹自动识别及力学性能预测系统，执行权利要求1-7任一项所述的一种混凝土细观裂纹自动识别及力学性能预测方法，其特征在于，包括以下模块：