[发明专利]基于虚拟现实结合的筑坝颗粒材料力学试验系统及方法

说明书

本发明提供了一种基于虚拟现实结合的筑坝颗粒材料力学试验系统及方法。筑坝颗粒材料力学试验系统包括：原位力学试验数据获取部；颗粒追踪部，基于球谐转动不变量进行颗粒匹配与追踪，从而得到各颗粒的运动轨迹信息；数值模拟部，利用球谐函数重构颗粒形状特征，通过数值模拟生成与颗粒信息库中颗粒形状和尺寸对应的颗粒模型和数值样本；然后，对数值样本进行数值试验，得到数值试验数据；以及数据处理部，对原位力学试验数据获取部和颗粒追踪部的数据进行处理，得到物理实验数据表示的筑坝颗粒材料的宏细观力学特性，对数值模拟部的试验数据进行处理，得到数值实验数据表示的筑坝颗粒材料的宏细观力学特性。

技术领域

本发明属于颗粒宏细观力学研究领域，具体涉及基于虚拟现实结合的筑坝颗粒材料力学试验系统及方法。

技术背景

颗粒材料是一个复杂的多体相互作用体系，由大量不同形态颗粒组成的离散体系，如砂粒、矿石、碎石等。不同于传统固体与流体，颗粒材料具有显著的非均匀性和强耗散特性，在剪切作用下表现出屈服、体积膨胀、局部变形和断续崩塌等一系列失稳现象，成为力学、物理、岩土工程和水利工程的重点研究领域。颗粒材料在细观尺度的结构非均匀性和动力学异质性的特征决定了颗粒材料具有很多独特的宏观力学性质。因此对于筑坝颗粒材料的认识需要在本质上探求筑坝颗粒材料复杂宏观力学特性的细观机制，加强筑坝颗粒材料宏细观力学特性的研究，从颗粒细观结构和动力学出发建立宏观尺度和细观尺度力学行为的联系是必然途径，不仅能解决坝体工程实际问题提高工程设计水平，而且对颗粒材料的科学研究也有重要推进。

颗粒材料中的离散颗粒普遍呈现各向异性，包括颗粒尺寸、颗粒形状、颗粒体系内部结构的各向异性。自然界中的颗粒材料存在显著的形状多样性和各向异性的特征，这种独特的固有属性为颗粒自身的运动带来了较多的自由度，必然引起复杂多样化的颗粒体系内部组成结构和颗粒局部运动行为，显著影响颗粒材料的力学特性。众多试验测试和数值模拟均表明颗粒形状对颗粒材料的抗剪强度和剪切特性具有重要影响。众多学者意识到颗粒形状对颗粒材料的宏细观行为和变形特性起着至关重要的作用，引发了在颗粒形状的数值表征构造和数值模拟应用的研究。早期主要考虑较为规则的颗粒形状，如椭圆、椭球、立方体、二次曲面等。较规则的颗粒形状限制了对表面不光滑颗粒的探讨，随后发展了利用空间点信息、棱角信息和面信息组合的方式构建凸多面体颗粒。尽管前期的这些颗粒形状构造的研究为揭示颗粒材料细观结构组成发挥了极大的推动作用，但随着研究的深入，对规则颗粒形态的表征和重构并不能满足自然界和工程实践中对复杂颗粒形状材料的力学特性的高需求。因此对真实复杂形状颗粒材料内部的细观结构演化和细观力学的模拟和研究是相关学者一直追求的目标和动力。

颗粒材料的基本特征决定了单独从基本理论到试验手段再到数值分析方法上，表征与建立颗粒材料结构与性能的相关性存在极大困难。尽管离散单元方法的发展在过去三十年中为理解颗粒材料颗粒尺度力学行为的研究提供了技术手段，用于研究岩土颗粒材料的一系列行为，包括颗粒材料的屈服、塑性变形、级配演化、应变局部化和能量耗散能以及颗粒尺度的接触特征等。但DEM方法缺乏对复杂颗粒形态的准确描述，尤其是颗粒局部形态和表面纹理。后续连续-离散耦合分析方法的发展为考虑不规则颗粒形状和颗粒破碎的数值模拟做出了重大贡献，但对于更为复杂的真实颗粒形状的建模和分析仍存在不足。此外，在过去二十年，无损测试技术的发展，如X射线断层扫描技术，实现了对颗粒材料三维细观结构和颗粒局部形态的识别，同时为调查颗粒尺度运动学行为提供了试验手段，成为研究复杂颗粒体系的一种有前途的技术。但是，这种试验技术在不同的加载状态下匹配相同的单个颗粒仍然是一个实验挑战，特别是对于经历大变形和扫描状态之间的大应变间隔的颗粒系统。同时这种技术缺乏对颗粒尺度接触力行为的研究能力。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于虚拟现实结合的筑坝颗粒材料力学试验系统及方法，不仅能够充分考虑颗粒形状对宏细观力学特性的影响，而且能够提高原位力学试验中颗粒追踪的精度和效率，还可以定量地再现测试颗粒体系的宏观力学响应和细、微观尺度的力学行为。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：