[发明专利]一种三维颗粒体系中颗粒间接触力计算与力链的识别方法

说明书

本发明属于颗粒体系力链识别技术领域，涉及一种三维颗粒体系中颗粒间接触力计算与力链的识别方法，将圆球放置于刚性容器中构成三维颗粒体系，利用加载压头对其进行加压并通过XCT扫描仪来采集原始序列图像和目标序列图像，利用数字体相关方法对采集的原始序列图像和目标序列图像分析来获得各点的应力，再对目标图像进行图像边缘检测，对颗粒形心进行识别，读取颗粒形心坐标和各颗粒的接触点位置坐标，根据每个颗粒平衡条件建立方程组，求解上述方程组，来获得每个颗粒上所有接触点处的接触力f_i的大小以及方向；该方法原理简单，所需设备简单易得，使用方便灵活，测量结果准确，实用性强，应用环境友好，市场前景广阔。

技术领域:

本发明属于颗粒体系力链识别技术领域，涉及一种三维颗粒体系中颗粒间接触力计算与力链的识别方法，利用XCT扫描颗粒体系对扫描得到的图像进行数字体相关运算，获得颗粒的三维位移和应变，计算获得颗粒间接触力。

背景技术：

颗粒物质作为大量离散颗粒相互作用形成的复杂体系普遍存在于自然界、日常生活及生产中，其力学性质介于固体和液体之间，又远比普通固体和液体更为复杂，不能简单用传统的固体力学、流体力学理论或凝聚态物理学知识予以解释。

在重力或外荷载作用下，颗粒物质内部形成具有准直特性的网状结构，即力链，可分为承担主要荷载的强力链和保持强力链稳定的弱力链。力链作为颗粒细观力学研究的关键问题，决定着体系的静力学和动力学性质，是沟通微观与宏观力学问题的桥梁，是颗粒物质研究中的一个重要内容，日益受到学者关注。人们除了对接触力及本构模型进行深入研究之外，也积极探索实验技术检测体系内部的颗粒排布规律并建立起它与宏观力学行为的联系。

天平称重法和复写纸压痕法是常用的接触式力的检测方法。随着科技的发展，一些高科技手段被用于现颗粒体系力学性能检测，比如声发射、扫描电镜、三维X射线衍射、X射线计算机断层扫描方法、核磁共振，但这些方法对环境及设备要求过高，使用并不广泛。由于光弹颗粒受力会在颗粒表面形成明暗相间的条纹，颗粒内部受力观测直观、快捷，而且对该条纹进行处理可以实现颗粒内部应力计算。因此，光弹法逐渐成为人们观测颗粒体系力学性能的主要方法。Sanfratello研究了光弹颗粒体系力链长度的分布并得到力链长度随形成力链颗粒的个数增长呈指数衰减。Ling Zhang利用双分散光弹颗粒实现了二维颗粒体系在纯剪切和压缩条件下力链的识别。Tordesillas A对定容状态下密集光弹颗粒进行准静态循环剪切实验，对加载状态下力链屈曲及本构模型的影响进行了讨论。Yuan M,QSun等设计实验装置对二维光弹颗粒进行剪切实验，观测了加载过程中力链的重构并估算出剪切带宽度。Young-Hoon Jung将均匀的聚碳酸酯制成的弹性体颗粒表面涂敷薄的光弹涂料，使用光弹性测量技术将二维颗粒中的受力及力的传递过程可视化，并对力的大小进行定量测量，为研究砂土颗粒的性质提供了帮助。