[发明专利]全息模拟不规则道砟颗粒的多面体单元构建方法及系统

说明书

本发明提供一种全息模拟不规则道砟颗粒的多面体单元构建方法及系统，属于铁路有砟轨道设计技术领域，通过全息摄像法的全息记录和波前再现获取了道砟颗粒三维影像，获得了道砟颗粒的三维几何体，实现了道砟颗粒三维轮廓的高保真还原，利用虚拟道砟颗粒三维投影平台及边缘检测算法提取了各个投影面内道砟颗粒的二维几何廓形，基于平行线法则选取或更新了用于构造各阶多边形的特征点，利用“平面重构‑空间融合”方法，通过空间几何体求交集的方式构建了各阶多面体单元；提出利用随机点序列概率法计算了各阶多面体单元体积，并通过体积相似率确定了用于离散元建模的多面体单元阶数，提高多面体单元的模拟精度，实现了形态各异道砟颗粒的精细化建模。

技术领域

本发明涉及铁路有砟轨道设计技术领域，具体涉及一种全息模拟不规则道砟颗粒的多面体单元构建方法及系统。

背景技术

有砟轨道散体道床是由一定粒径级配、形态各异、棱角分明的碎石道砟堆积压密而成的层状构筑物，其内部道砟颗粒的外形、级配是影响道砟精细化模拟及颗粒间受力传递的关键。为真实模拟道砟颗粒的复杂形态，大多研究采用激光扫描法、双平面镜法获取道砟颗粒三维轮廓。但在实际操作过程中，激光扫描法需要多次翻转放置道砟颗粒，扫描过程耗时较长；双平面镜法生成道砟颗粒三维轮廓的重建算法复杂，工作效率较低。

除此之外，现有的道砟颗粒模拟大多是在利用激光扫描法或双平面镜法获得的复杂轮廓基础上，借助组合球单元(clump)进行模拟。这种模拟方法其本质上道砟颗粒间的接触均为球体与球体之间的点接触，无法真实反映道砟颗粒的复杂棱角特征及扁平状道砟颗粒间的棱棱接触、棱面接触及面面接触特性。另外，组合球单元(clump)在模拟道砟颗粒时，仅一个棱角特征就需数十个大小不同的球体单元，显著增加了有砟轨道数值模型的计算时间和成本。道砟颗粒是由形态各异的天然块石破碎后得到的，其颗粒几何外形更接近于棱角特征分明的多面体，因此采用组合球单元(clump)进行模拟存在很大缺陷。

三视图法和平面镜像法是生成多面体道砟颗粒的常用方法，但均有不足之处。如采用三视图法生成多面体道砟颗粒时，拍摄三视图的相机需要进行三维标定，仪器安装和操作过程复杂，而采用双平面镜法虽解决了三视图方法相机标定的缺点，但生成的三维几何模型表面的点、边和面的数目庞大，无法直接用于离散元计算。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全息模拟不规则道砟颗粒的多面体单元构建方法及系统，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一方面，本发明提供一种全息模拟不规则道砟颗粒的多面体单元构建方法，包括：

通过全息摄像法的全息记录和波前再现获取道砟颗粒三维影像；

利用图像处理技术对道砟颗粒三维影像进行处理，获得道砟颗粒的三维几何体；

利用虚拟道砟颗粒三维投影平台及边缘检测算法提取道砟颗粒的三维几何体各个投影面内道砟颗粒的二维几何廓形；

根据二维道砟轮廓点距离坐标轴最远的原则选取一阶特征点，构建一阶四边形，利用提出的“平面重构-空间融合”方法生成一阶多面体道砟颗粒；

根据平行线法则更新用于构造二阶及以上多边形的特征点，并结合“平面重构-空间融合”方法生成多阶多面体道砟颗粒单元；

根据随机点序列概率法获得各阶多面单元的体积，并通过计算与真实道砟颗粒之间的体积相似率，确定模拟道砟颗粒的多面体单元阶数。

优选的，通过全息摄像法的全息记录和波前再现获取道砟颗粒三维影像，包括：