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方案

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟现实结合的筑坝颗粒材料力学试验系统及方法
本专利技术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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于虚拟现实结合的筑坝颗粒材料力学试验系统，其特征在于，包括：/n原位力学试验数据获取部，通过微型三轴仪和X射线计算机断层扫描对待测筑坝颗粒材料的原位三轴剪切试验和X射线断层扫描，获取剪切前各向同性状态下的颗粒材料内部各颗粒的结构图像，对结构图像进行处理得到包含各颗粒的形状、尺寸和位置信息的颗粒信息库，并在微型三轴仪剪切加载过程中获取不同时刻的颗粒材料发生变形后的结构图像；/n颗粒追踪部，与原位力学试验数据获取部通信相连，基于球谐转动不变量进行颗粒匹配与追踪：对颗粒材料的结构图像进行图像处理，确定筑坝颗粒材料的颗粒平均粒径d

【技术特征摘要】
1.基于虚拟现实结合的筑坝颗粒材料力学试验系统，其特征在于，包括：
原位力学试验数据获取部，通过微型三轴仪和X射线计算机断层扫描对待测筑坝颗粒材料的原位三轴剪切试验和X射线断层扫描，获取剪切前各向同性状态下的颗粒材料内部各颗粒的结构图像，对结构图像进行处理得到包含各颗粒的形状、尺寸和位置信息的颗粒信息库，并在微型三轴仪剪切加载过程中获取不同时刻的颗粒材料发生变形后的结构图像；
颗粒追踪部，与原位力学试验数据获取部通信相连，基于球谐转动不变量进行颗粒匹配与追踪：对颗粒材料的结构图像进行图像处理，确定筑坝颗粒材料的颗粒平均粒径d50和颗粒的总个数，和各图像中每个颗粒编号对应的颗粒质心、体积、颗粒的球谐转动不变量向量；选取颗粒信息库中的颗粒组成参考构型，参考构型中任一参考颗粒i的匹配过程为：对于被搜索图像，以参考颗粒i的质心位置为中心，在3d50为半径的球体内搜索颗粒，处在搜索区域内的所有颗粒均储存在1Ck，i数组中，作为第一候选颗粒集；从第一候选颗粒集中去除体积差异较大的颗粒，并将剩下的颗粒储存到2Ck，i数组中，作为第二候选颗粒集；对第二候选颗粒集2Ck，i中的任一候选颗粒j与参考颗粒i计算对应的球谐转动不变量的二范数差值，并储存在数组RDk，i中；在数组RDk，i中最小二范数差值对应的颗粒j暂认为是与参考颗粒i最相似的颗粒，并将颗粒j作为参考颗粒i的匹配颗粒，待存储至被搜索图像所对应的数组{Tk}中；判断在数组{Tk}中颗粒j是否已被匹配给其它参考颗粒p，如判断为否，则将颗粒j匹配给参考颗粒i并储存到匹配颗粒集{Tk}中；若判断为是，则进一步判断参考颗粒i与颗粒j的转动不变量的二范数差值RDk，i(j)与参考颗粒p和颗粒j的转动不变量的二范数差值RDk，p(j)大小，若RDk，p(j)≤RDk，i(j)，则认为颗粒j与匹配颗粒p更为匹配，需要对参考颗粒i进行重新匹配，并将候选颗粒集2Ck，i中的颗粒j去除；如果RDk，p(j)＞RDk，i(j)，则认为颗粒j与参考颗粒i更为匹配，需要对参考颗粒p进行重新匹配，并将参考颗粒p候选颗粒集2Ck，p中的颗粒j去除，将匹配颗粒集{Tk}中参考颗粒p的匹配关系删除，将颗粒j匹配给参考颗粒i储存到匹配颗粒集{Tk}中；通过以上方法，将参考构型中的每个参考颗粒与被搜索的图像中的对应颗粒匹配，各图像都完成搜索和匹配后，得到所有参考颗粒精确匹配到各时刻图像中对应颗粒的匹配颗粒集{Tk}，从而得到各参考颗粒的运动轨迹信息；
数值模拟部，与原位力学试验数据获取部通信相连，基于颗粒信息库和待测筑坝颗粒材料的填筑级配和体积分数，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，进而生成与筑坝颗粒材料一致的数值样本；然后，对数值样本进行数值试验，试验条件与采用微型三轴仪进行的原位三轴剪切试验一致，得到数值试验数据；以及
数据处理部，与原位力学试验数据获取部、颗粒追踪部、数值模拟部均通信相连，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。


2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实结合的筑坝颗粒材料力学试验系统，其特征在于：
其中，参考构型中的颗粒为从当前待匹配图像中的颗粒中筛选出的具有代表性形态特征的一批颗粒。


3.根据权利要求1所述的基于虚拟现实结合的筑坝颗粒材料力学试验系统，其特征在于：其中，在颗粒追踪部中，是从第一候选颗粒集中去除体积差异大于10％的颗粒。


4.根据权利要求1所述的基于虚拟现实结合的筑坝颗粒材料力学试验系统，其特征在于：
其中，在数值模拟部中，首先对将数值模拟的装样容器调成真实容器高度的两倍，然后填充颗粒，直到达到指定的体积分数，接着采用重力沉积和多层压实的方法进一步加密直至达到试验样本的高度，然后将数值装样容器的高度缩小至与真实容器高度相同，再进行数值试验。


5.根据权利要求1所述的基于虚拟现实结合的筑坝颗粒材料力学试验系统，其特征在于：
其中，在数值模拟部中，从颗粒形状库内随机选择颗粒，按照实际颗粒级配对该颗粒进行缩放，然后将选择的颗粒以随机的位置填充至容器中，直到达到指定的体积分数；再采用重力沉积和多层压实的方法进一步加密直至达到试验样本的高度和体积分数，得到数值样本；在填充过程中，应保证颗粒不会发生颗粒重叠和...

【专利技术属性】
技术研发人员：马刚，陈远，孙壮壮，邹宇雄，周伟，常晓林，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42