一种随机板岩试样的三维数字化重构及数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种随机板岩试样的三维数字化重构及数值模拟方法，其包括：(S1)通过偏光显微镜和高分辨率的相机采集板岩切片和板岩试件中片理构造的统计特征；(S2)采用蒙特卡罗方法根据统计特征批量生成随机板岩试样；在每个随机板岩试样的生成过程中，采用将一维随机场与二维随机场相融合的方式实现随机板岩试样多尺度特征的三维数字化重构；(S3)依据三维数字化重构的随机板岩试样建立随机有限元数值模型，用于预测板岩试样的物理力学特性及其统计特征。本方法可批量生成随机板岩试样，节省了大量的时间成本和经济成本；本专利方法三维数字化重构随机板岩试样的流程简便、易操作。作。作。

【技术实现步骤摘要】
一种随机板岩试样的三维数字化重构及数值模拟方法


[0001]本专利技术涉及岩土工程领域，特别涉及一种随机板岩试样的三维数字化重构及数值模拟方法。

技术介绍

[0002]板岩是一种具有片理构造的天然岩土工程材料，由基质和片理面组成。一方面，基质和片理面呈现出多尺度的特征；另一方面，片理结构具有一定的随机性。板岩的多尺度特征和随机性是影响其物理力学性质的重要因素。因此，对随机板岩试样的多尺度特征进行三维数字化重构，对准确预测板岩的物理力学特性具有重要的意义。
[0003]现有近似的专利“一种岩石微缺陷三维重构的方法及系统”采用激光扫描仪对岩石试样进行全局扫描，获取岩石外观特征点云数据，以此建立岩石的外观三维结构框架；采用CT扫描仪对岩石试样分层扫描，获取岩石微缺陷图像；然后，将CT扫描得到的微缺陷图像植入三维结构框架，以重构微缺陷岩石试样。“柱状节理岩体重构方法及柱状节理岩体重构体”(2020)，针对柱状节理岩体，该方法通过对柱间节理面进行描图实现柱状节理岩体的重构，该方法精度有限，且会耗费高昂的时间成本。
[0004]现有专利主要针对微缺陷等特征对岩石进行重构，而无法重构岩石的多尺度片理构造特征，诸如本专利中片理构造的板岩；现有专利重构岩石试样需要对每一个岩石试样进行激光扫描、CT扫描等手段进行信息采集，耗费了大量人力物力；岩石试样的物理力学特性及其统计特征通常需要大量的物理力学试验，耗费高昂的时间成本和经济成本。
[0005]现有技术难以三维数字化重构具有多尺度特征和随机性的板岩试样，也不能高效率的批量生成板岩试样，同时当前所采用方法需要耗费高昂的时间成本和经济成本。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种随机板岩试样的三维数字化重构及数值模拟方法，该方法基于随机场理论，将二维随机场和一维随机场融合起来，对具有随机片理构造特征的板岩进行三维数字化重构，并采用三维数字化重构的随机板岩试样，建立随机有限元数值模型，以用于预测板岩试样的物理力学特性及其统计特征。
[0007]本专利技术的技术方案是一种随机板岩试样的三维数字化重构及数值模拟方法，其包括：
[0008](S1)通过偏光显微镜和高分辨率的相机采集板岩切片和板岩试件中片理构造的统计特征；
[0009](S2)采用蒙特卡罗方法根据统计特征批量生成随机板岩试样；在每个随机板岩试样的生成过程中，采用将一维随机场与二维随机场相融合的方式实现随机板岩试样多尺度特征的三维数字化重构；
[0010](S3)依据三维数字化重构的随机板岩试样建立随机有限元数值模型，用于预测板岩试样的物理力学特性及其统计特征。
[0011]本专利技术的进一步改进在于：步骤(S1)中通过偏光显微镜采集板岩切面图像，根据图像特征确定片理面的角度，并获取片理面厚度t的均值、方差和相关距离。
[0012]本专利技术的进一步改进在于：步骤(S1)中采用高分辨率相机获取板岩试件的图像，通过图像像素与试件实际尺寸之间的关系，得到片理面间距d的均值、方差和相关距离。
[0013]本专利技术的进一步改进在于：每个随机板岩试样的生成过程具体包括：将片理面间距视作一维随机场，并将片理面厚度视作二维随机场；采用随机场理论和片理面间距的统计参数生成板岩试件中n+1个片理面的间距d
i
，其中i为小于n+1的正整数；并采用随机场理论依据片理面厚度的统计参数依次生成n+1个片理面；最后，将n个片理间距和n+1个片理面融合在一起，即可生成一个完整的随机板岩试样。
[0014]本专利技术的进一步改进在于：每个随机有限元数值模型的建立过程具体包括以下步骤：将随机板岩试样导入数值软件，将基质划分为实体单元和无厚度的黏结单元，将片理面划分为无厚度的黏结单元，并将三维数字化试样中片理面厚度赋予片理面的黏结单元；施加边界和荷载条件，即可得到有限元数值模型。
[0015]本专利技术的有益效果为：本专利基于实验室采集的图像数据，结合板岩的多尺度片理构造，采用随机场理论批量生成随机板岩试样，并建立随机有限元模型，从而预测板岩的随机物理力学特性；通过批量生成随机板岩试样，节省因实验室工作人员制作试样所耗费的时间成本和经济成本；本专利方法三维数字化重构随机板岩试样的流程简便、易操作。
附图说明
[0016]图1是随机板岩试样的三维数字化重构及数值模拟方法的流程图；
[0017]图2是板岩试样及其示意图；
[0018]图3是三维数字化重构的随机板岩试样；
[0019]图4是一个随机板岩试样的随机有限元数值模型。
具体实施方式
[0020]如图1所示，本实施例提供一种随机板岩试样的三维数字化重构及数值模拟方法，其包括：
[0021](S1)通过偏光显微镜和高分辨率的相机采集板岩切片中片理构造的统计特征。
[0022]具体的，如图2所示，本步骤中通过偏光显微镜采集板岩切面图像，根据图像特征确定片理面的角度，并获取片理面厚度t的均值、方差和相关距离等统计参数。采用高分辨率相机获取板岩试件的图像，通过图像像素与试件实际尺寸之间的关系，得到片理面间距d的均值、方差和相关距离等统计参数。
[0023](S2)采用蒙特卡罗方法根据统计特征批量生成随机板岩试样。在每个随机板岩试样的生成过程中，采用将一维随机场与二维随机场相融合的方式实现随机板岩试样多尺度特征的三维数字化重构。
[0024]本实施例中，每个随机板岩试样的生成过程具体包括：将片理面间距视作一维随机场，并将片理面厚度视作二维随机场；采用随机场理论和片理面间距的统计参数生成板岩试件中n+1个片理面的间距d
i
，其中i为小于n+1的正整数；并采用随机场理论依据片理面厚度的统计参数依次生成n+1个片理面；最后，将n个片理间距(一维随机场)和n+1个片理面
(二维随机场)融合在一起，即可生成一个完整的随机板岩试样。生成的随机板岩试样如图3所示。
[0025](S3)依据三维数字化重构的随机板岩试样建立随机有限元数值模型，用于预测板岩试样的物理力学特性及其统计特征。
[0026]本步骤中，为步骤(S2)中生成的每一个随机板岩试样建立一个随机有限元数值模型。每个随机有限元数值模型的建立过程具体包括以下步骤：将随机板岩试样导入商业数值软件ABAQUS，并将基质划分为实体单元和无厚度的黏结单元，将片理面划分为无厚度的黏结单元，并通过子程序VUSDFLD将三维数字化试样中片理面厚度赋予片理面的黏结单元；施加边界和荷载条件，即可得到有限元数值模型。重复上述流程即可得到批量的随机有限元模型，随机有限元模型如图4所示，其中图4a为随机有限元模型，图4b为基质的实体单元，图4c为基质中的黏结单元。
[0027]以上详细描述了本专利技术的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本专利技术的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本
中技术人员依本专利技术的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种随机板岩试样的三维数字化重构及数值模拟方法，其特征在于包括以下步骤：(S1)通过偏光显微镜和高分辨率的相机采集板岩切片和板岩试件中片理构造的统计特征；(S2)采用蒙特卡罗方法根据统计特征批量生成随机板岩试样；在每个随机板岩试样的生成过程中，采用将一维随机场与二维随机场相融合的方式实现随机板岩试样多尺度特征的三维数字化重构；(S3)依据三维数字化重构的随机板岩试样建立随机有限元数值模型，用于预测板岩试样的物理力学特性及其统计特征。2.根据权利要求1所述的一种随机板岩试样的三维数字化重构及数值模拟方法，其特征在于：步骤(S1)中通过偏光显微镜采集板岩切面图像，根据图像特征确定片理面的角度，并获取片理面厚度t的均值、方差和相关距离。3.根据权利要求2所述的一种随机板岩试样的三维数字化重构及数值模拟方法，其特征在于：步骤(S1)中采用高分辨率相机获取板岩试件的图像，通过图像像素与试件实际尺寸之间的关系，得到片理面间...

【专利技术属性】
技术研发人员：王飞阳，张鹏举，陈有亮，李宁，邵俐，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：