[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

摘要

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。

主权项

1.一种三维颗粒体系中颗粒间接触力计算与力链的识别方法，其特征在于具体测量方法按如下步骤进行：(1)、先将圆球放置于刚性容器中构成三维颗粒体系，再将该刚性容器置于旋转平台上，利用加载压头对三维颗粒体系进行竖向加载，利用XCT扫描仪对加载过程中颗粒体系进行扫描并获得序列扫描图；(2)、XCT扫描仪配备的加载压头处于加载零状态时，XCT扫描仪扫描无荷载状态下颗粒体系，获得序列图像，并保存为bmp图像格式，作为原始序列图像，命名为ref0；(3)、XCT扫描仪配备的加载压头对颗粒体系进行加载，间隔固定时间t0，利用XCT扫描仪对颗粒体系不同变形状态下进行扫描，获得序列图像并保存该状态下的序列图像，命名为def1，加载过程中旋转平台与加载压头同步带动颗粒体系旋转；(4)、开启加载压头，对三维颗粒体系进行持续加载，间隔固定的时间t0，并重复步骤(3)，获得多个时刻颗粒体系扫描图def2、def3……defn，作为目标序列图像；(5)、利用数字体相关方法对获得的原始序列图像和目标序列图像进行分析，得到每个时刻的目标序列图像相对于原始序列图像的三维位移场(x,y,z三个方向)和应变场(x,y,z三个方向)；其中数字体相关方法(Digital volume correlation method,DVC)是基于数字图像相关方法的一种三维数字体相关运算；(6)、将步骤(5)获得的三维应变场中所有点的应变通过基于广义胡克定律的应力‑应变关系式如下,得到各点的应力：其中，εx，εy，εz分别为点的x方向应变、y方向应变和z 方向应变；σx，σy，σz分别为点的x方向应力、y方向应力和z方向应力；E为弹性模量，ν为泊松比；(7)、对步骤(4)中采集得到的多组目标序列图像在Matlab软件中进行二值化处理，并利用Canny算子对步骤(4)中采集得到的多组目标序列图像进行边缘检测，然后对图像中的颗粒形心进行识别，获得颗粒形心坐标，对颗粒相邻两形心连线的中点进行阈值设置，获得各颗粒的接触点坐标；(8)、每个颗粒需要满足力的平衡条件和力矩平衡条件其中M_C为颗粒接触点个数，f_i为第i个接触点处的接触力，根据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；(9)、利用Matlab软件将步骤(8)中得到的各颗粒接触力fi的大小通过箭头的长短、粗细及颜色来区分，接触力的方向通过箭头方向表示；相邻颗粒间接触力连续表示出来的图形即为力链，通过设置阈值大小，大于阈值的力用红色表示，小于阈值的力用蓝色标识，用以区分强力链和弱力链；所述XCT扫描仪选用型号XTH320的市售产品,并且该方法通过三维颗粒体系中颗粒间接触力与力链测量装置来实现，其主体结构包括XCT扫描探测器、刚性容器、旋转平台和与旋转平台同步的加载压头；圆柱形的刚性容器中装填有弹性圆球构成的三维颗粒体系，XCT扫描仪的主体结构包括XCT扫描探测器和加载压头，XCT扫描探测器位于刚性容器的左侧，用以对加载过程中刚性容器中的三维颗粒体系进行扫描并获得序列扫描图，加载压头位于刚性容器的上部，用以对刚性容器中的三维颗粒体系进行加载，刚性容器的下部置有用以带动刚性容器旋转的旋转平台，加载压头与旋转平台同步旋转；加载压头对刚性容器中的三维颗粒体系进行加载，XCT扫描探测器旋转扫描获得序列图像，利用数字体图像相关方法和Matlab后续处理计算颗粒间接接触力并提取和识别三维颗粒体系内部力链。