[发明专利]一种颗粒体系动力链的识别方法

摘要

本发明属于颗粒体系力链识别技术领域，涉及一种颗粒体系动力链识别的方法，先将颗粒体系加载，采集变形前后颗粒体系图像分别作为原始图像和目标图像；再对原始图像和目标图像进行分析，得到目标图像对应时刻的颗粒体系面内位移场和应变场后根据应变场内每一点的应变得到各点的应力；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，并对各颗粒建立力的平衡和力矩平衡方程，计算得到各颗粒上不同接触点处的接触力的大小和方向；最后将各颗粒接触力画出，相邻颗粒间接触力连续表示出来的图形即为动力链的路径；其方法简单，原理科学，使用方便灵活，实用性强，发展前景大，应用范围广。

主权项

一种颗粒体系动力链的识别方法，其特征在于通过CCD摄像机、岛津万能试验机和实验容器共同完成，其具体工艺步骤为：(1)、先将颗粒体系在平面应变状态下加载，使颗粒体系变形真实可见，利用CCD摄像机实时监测并自动采集颗粒体系变形图像；(2)、再采集变形前颗粒体系图像，并保存为bmp图像格式，作为原始图像；(3)、对颗粒体系进行加载，并以固定时间间隔采集颗粒体系变形图像，得到多个时刻颗粒体系变形图，作为目标图像；(4)、对采集得到的原始图像和目标图像进行分析，将目标图像与原始图像利用现有的数字图像相关方法进行分析，得到目标图像对应时刻的颗粒体系面内位移场和应变场；其中数字图像相关方法的原理为：对变形前后测量物体表面的两幅数字图像，利用灰度不变特性，匹配变形前后采集图像上的几何点，跟踪几何点的运动，获得物体表面变形信息，即在变形前的图像中取待求点P(x,y)为中心的(2N+1)×(2N+1)大小的计算子区S，在变形后的目标图像中移动，按归一化的最小平方距离相关函数进行计算，寻找以相关系数C出现极值所对应的点P‘(x+u,y+v)为中心的(2N+1)×(2N+1)大小的目标子区S′，则u、v分别为点P(x,y)沿x方向和y方向的位移；归一化的最小平方距离相关函数公式：$C_{\mathrm{ZNSSD}}={\mathrm{\Σ}}_{i=-N}^N{\mathrm{\Σ}}_{j=-N}^N{[\frac{f(x_i,y_j)-f_m}{\mathrm{\Δf}}-\frac{g\left(x_i^{\′}{y}_j^{\′}\right)-g_m}{\mathrm{\Δg}}]}^2$$\mathrm{\Δf}={\mathrm{\Σ}}_{i=-N}^N{\mathrm{\Σ}}_{j=-N}^N{[f(x,y)-f_m]}^2$$\mathrm{\Δg}=\underset{i=-N}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=-N}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[g(x_i^{\′},y_j^{\′})-g_m]}^2$其中，f(x,y)是变形前计算子区S的中心点P(x,y)的灰度值，g(x,y)是变形后目标子区S′中心点P‘的灰度值；f_m和g_m是变形前子区和目标子区的灰度平均值；N是正整数，N的具体数值在计算过程中自行设置；Δf是变形前各点灰度与平均灰度的差的平方和，Δg是变形后各点灰度与相应平均灰度的差的平方和，C_ZNSSD代表归一化的最小平方距离相关函数公式。(5)、将应变场内每一点的应变代入平面应变状态下的应力‑应变关系式,得到各点的应力；${\mathrm{\σ}}_x=\frac{E}{1-{\mathrm{\μ}}^2}({\mathrm{\ϵ}}_x+{\mathrm{\ϵ}}_y)$${\mathrm{\σ}}_y=\frac{E}{1-{\mathrm{\μ}}^2}({\mathrm{\ϵ}}_y+{\mathrm{\μ\ϵ}}_x)$${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}=\frac{E}{2(1+\mathrm{\μ})}{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{xy}};$其中，ε_x，ε_y，γx_y分别为点的x方向应变、y方向应变和剪切应变；σ_x，σ_y，τx_y分别为点的x方向应力、y方向应力和剪切应力；E为弹性模量，μ为泊松比；(6)、对步骤(3)中采集得到的目标图像利用Canny算子进行图像边缘检测，采用Hough变换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；(7)、对各颗粒建立力的平衡和力矩平衡方程：其中N_C为颗粒接触点个数，fⁱ为第i个接触点处的接触力，sⁱ为第i个接触点相对于坐标原点的方向向量；(8)、计算得到各颗粒上不同接触点处的接触力fⁱ的大小和方向；(9)、利用常规使用的matlab软件将各颗粒接触力画出，通过箭头的长短、粗细及颜色来区分力的大小；相邻颗粒间接触力连续表示出来的图形即为动力链的路径。