一种基于球谐重构和3D打印技术的砂粒三维形态仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种基于球谐重构和3D打印技术的砂粒三维形态仿真方法，包括获取样品砂粒的CT图像，对CT图像进行图像处理和分析，提取每个砂粒的边界体素，并根据该边界像素的分辨率换算获得组成砂粒表面的各个顶点的三维坐标；引入球谐函数，并拟合获得每个砂粒对应的球谐系数；定义并获取每个样本砂粒的球谐表征因数，将球谐表征因数作为砂粒形态在各个频率空间的数字表征；采用多元高斯分布模型，生成球谐表征因数的随机序列；还原出随机球谐系数序列，并通过球谐函数重构砂粒三维形态，由此生成虚拟砂粒；对所生成的虚拟砂粒进行3D打印。本发明专利技术制备的仿真砂填补了实际研究中制作真实砂粒的空白，能够实现天然砂粒三维形态的随机生成和高度仿真。随机生成和高度仿真。

【技术实现步骤摘要】
一种基于球谐重构和3D打印技术的砂粒三维形态仿真方法


[0001]本专利技术涉及一种砂粒三维形态仿真方法，尤其涉及一种基于球谐重构和3D打印技术的砂粒三维形态仿真方法。

技术介绍

[0002]颗粒形态是砂土最为重要的特征之一，其与宏观力学性质间的相关性已经受到了越来越多的关注。颗粒形态对砂土的基本力学性质以及颗粒破碎特性影响尤为显著，包括砂土在低应力条件下压缩特性、抗剪强度、剪胀效应和临界状态行为，以及在高应力条件下的颗粒破碎行为等。通常对砂土颗粒形态影响机理研究的主要方法有数值模拟和物理试验。在数值模拟研究方面，采用基于离散元进行不同形状颗粒的数值模拟已经发展得较为成熟，但由于模拟形状与真实颗粒间尚存在较大差距，因而未得到广泛应用。在物理试验研究方面，目前仍存在以下不足：
[0003](1)由于试验设备和方法的局限性，试验材料往往局限于具有不同形态特征的天然或人工替代材料。不同天然材料在密度、弹性模量、单颗粒剪切强度等基本性能上存在差异，难以进行基于颗粒形态的单一变量控制；人工替代材料，如钢球、玻璃微珠等，存在颗粒形态单一且不可控的问本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于球谐重构和3D打印技术的砂粒三维形态仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)获取样品砂粒的CT图像，对CT图像进行图像处理和分析，提取每个砂粒的边界体素，并根据该边界像素的分辨率换算获得组成砂粒表面的各个顶点的三维坐标；(2)引入球谐函数，将步骤(1)中的三维坐标转换为球坐标作为球谐函数的输入值，并拟合获得每个砂粒对应的球谐系数；(3)基于步骤(2)中的球谐系数，定义并获取每个样本砂粒的球谐表征因数，将球谐表征因数作为砂粒形态在各个频率空间的数字表征；(4)对样本砂粒的球谐表征因数序列进行统计分析，采用多元高斯分布模型，生成球谐表征因数的随机序列；(5)根据步骤(4)生成的球谐表征因数随机序列还原出随机球谐系数序列，并通过球谐函数重构砂粒三维形态，由此生成虚拟砂粒；(6)对所生成的虚拟砂粒进行3D打印建模，构建虚拟砂粒的支撑体系，随后将建成的三维模型剖分成逐层的切片，从而指导打印机逐层打印；(7)完成打印后，去除支撑，对打印砂进行清洗和养护，完成仿真砂粒的生产。2.根据权利要求1所述的一种基于球谐重构和3D打印技术的砂粒三维形态仿真方法，其特征在于，所述步骤(2)中的球谐函数采用下列表达式：征在于，所述步骤(2)中的球谐函数采用下列表达式：征在于，所述步骤(2)中的球谐函数采用下列表达式：其中，g(θ,φ)是砂粒的中心到表面顶点的距离，θ∈[0,π]和φ∈[0,2π]分别是球面坐标系中的天顶角和方位角，d
n,m
是球谐系数，u
n,m
是球谐序列，p
n,m
(x)是第n阶m级项对应的勒让德多项式，i是虚数单位。3.根据权利要求1所述的一种基于球谐重构和3D打印技术的砂粒三维形态仿真方法，其特征在于，所述步骤(3)中的球谐表征因数采用下列表达式：D
n
＝A
n
/A0其中，A
n
表示第n频率空间的波幅，D
n
表示第n频率空间的球谐表征因数，D0＝1，D1＝0。4.根据权利要求1所述的一种基于球谐重构和3D打印技术的砂粒...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁晖，沈扬，陈世壮，刘若男，阳龙，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：