CN104007047B - 一种颗粒体系动力链的识别方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种颗粒体系动力链的识别方法

技术领域：

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，实时计算颗粒力和位移等宏观物理量，实现颗粒体系动力链的识别及提取。

背景技术：

颗粒物质作为大量离散颗粒相互作用形成的复杂体系普遍存在于自然界、日常生活及生产中，其力学性质介于固体和液体之间，又远比普通固体和液体更为复杂，不能简单用传统的固体力学、流体力学理论或凝聚态物理学知识予以解释。2005年，颗粒物质与湍流一并被《Science》列为100个科学难题之一，颗粒物质的基础力学问题研究成为近年来科学的前沿，也是国内外学者研究的热点问题。

颗粒物质的多尺度力学问题涉及体系内部结构各层次性质及各层次之间的关联。认为从多尺度结构和相关物理机制的角度研究颗粒物质是突破口，以多尺度的方法剖析是解决颗粒物质力学问题的有效途径之一，郑颖人院士曾指出“探索新理论和新模型,在岩土塑性力学中引入损伤力学，不连续介质力学以及智能算法等新理论；宏观与细观结合，开创新一代土的结构性本构模型”。颗粒体系多尺度中，宏观尺度是研究的颗粒体系，微观尺度是组成体系的颗粒单体，细观尺度是相邻颗粒单体以各种形式相互作用，由几个或者十几个颗粒持续接触作用形成具有准直性的力传递路径-力链，颗粒内部由荷载作用形成的力链网路在力的传递和能量耗散中起了重要作用。这些颗粒体系内部的微细观作用都体现于宏观材料的体积应变和变形特性。因此，力链的动力学响应决定宏观尺度的力学行为，是颗粒物质力学研究的关键问题和主要矛盾，成为近年来科学的前沿，也是国内外学者研究的热点问题。

目前，在力链分析中主要采取的是理论分析，数值模拟和实验测量的方法。然而，当前的颗粒力学理论分析遇到极大困难，尚未提出一个正确表达应力-应变关系的本构模型，数值模拟只是在有限的颗粒个数和形状的颗粒体系中展开模拟，具有很大的局限性，且计算量大，模拟结果仅属于指导性结论，难以满足理论研究和工程实际的需要。因此，实际实验的测量成为人们日益关注的重点，也是现阶段最有效和直接的研究手段。

天平称重法和复写纸压痕法是常用的接触式力的检测方法。随着科技的发展，一些非接触式测量手段被用于颗粒体系力学性能检测，比如声发射、扫描电镜、三维X射线衍射、X射线计算机断层扫描方法、核磁共振，但这些方法对环境及设备要求过高，使用并不广泛。由于光弹颗粒受力会在颗粒表面形成明暗相间的条纹，颗粒内部受力观测直观、快捷，而且对该条纹进行处理可以实现颗粒内部应力计算。因此，光弹法逐渐成为人们观测颗粒体系力学性能的主要方法，为研究砂土颗粒的性质提供了帮助。但现阶段开展的光弹实验仅是模型实验，而真实颗粒由于具有不同形状、表面有纹理和材质不透明的特点，无法利用光弹法进行实际测量，因此，光弹实验结果仅能为真实砂土颗粒受力模型及本构关系提供参考，不足以为大多数实际工程直接采纳，有一定的局限性。同时，尚未见有关于真实颗粒体系动力链实际测量方法的相关报道。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种颗粒体系加载过程中动力链的识别方法，实时计算颗粒力和位移等宏观物理量，并实现颗粒体系动力链的识别及提取。

为了实现上述目的，本发明通过CCD摄像机(德国Basler，型号：scA1600-14fm)、岛津万能试验机(型号：AG-IC50kN)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(ChargeCoupledDevice,电荷耦合器件)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(Digitalimagecorrelationmethod,DIC)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。

本发明所述CCD摄像机为型号scA1600-14fm的市售产品，岛津万能试验机为型号AG-IC50kN的市售产品；实验容器的主体结构包括刚性槽、有机玻璃、第一螺丝和第二螺丝，由刚性槽和有机玻璃通过第一螺丝固定成一个整体，有机玻璃的厚度根据实验条件进行更换，有机玻璃和刚性槽之间的距离通过添加垫板进行调节，并通过第二螺丝固定在实验平台上。

本发明与现有技术相比，能够对真实实验获得的数字图像进行分析，获得图像对应时刻的接触力大小，并提取出该时刻动力链网络，对时间序列图像进行分析，可以分析动力链网络的发展及演变。从实际实验中获取变形信息和接触点位置信息，可广泛应用于研究砂子和岩土等颗粒物质在加载过程中动力链网络的识别与提取，有利于加快颗粒物质细观力学的研究进展，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。

附图说明：

图1为本发明的工作原理流程示意框图。

图2为本发明涉及的动力链网络的matlab软件流程示意框图。

图3为本发明实施例涉及的实验容器结构原理示意图，包括刚性槽1、有机玻璃2、第一螺丝3和第二螺丝4。

图4为本发明实施例涉及的加载装置结构原理示意图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例：

本实施例对具有圆形截面的多根钢条进行加载，提取钢条截面的动力链，钢条长度2cm，直径为5mm，其具体步骤如下：

(1)、钢条端部喷制均匀的人工散斑，人工散斑的粒径为0.2mm～0.6mm，人工散斑作为后续数字图像相关方法计算的载体；

(2)、将钢条随机放入图3所示实验容器中，该容器是由刚性槽1和有机玻璃2通过第一螺丝3固定成一个整体，有机玻璃2的厚度根据实验条件进行更换，有机玻璃2和刚性槽1之间的距离通过添加垫板进行调节，该实验容器能通过第二螺丝4固定于实验平台上；

(3)、将图4所示的加载装置固定于岛津万能试验机(型号：AG-IC50KN)的加载夹头上，通过加载装置下方的圆柱体给试件施加集中载荷；

(4)、利用CCD摄像机垂直于容器及加载装置采集钢条试件变形图像，加载前，采集并保存图像001.bmp,随后开启岛津万能试验机，同时利用二维数字图像相关系统自带软件BCAMView(二维数字图像相关系统购自苏州卓力特光电仪器有限公司)以2幅/秒的频率自动采集试件加载过程中的变形图像，并以数字顺序编号自动保存到指定文件夹，得到加载过程中试件变形的序列图像；

(5)、对采集得到的图像进行处理，将100.bmp和001.bmp进行分析，得到加载第50秒时试件的位移场和变形场，对应变场通过图1所示流程进行计算，获得各颗粒的接触点上接触力的大小及方向；通过对100.bmp进行边缘检测，提取各颗粒形心和颗粒上所有接触点坐标信息，最后图2方法将颗粒接触力画出，展现该幅图所对应时刻的动力链信息。

Claims (2)

1.一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_{ZNSSD}={\mathrm{\Σ}}_{i=-N}^N{\mathrm{\Σ}}_{j=-N}^N{\[\frac{f(x_i,y_j)-f_m}{\mathrm{\Δ}f}-\frac{g(x_i^{\′},y_j^{\′})-g_m}{\mathrm{\Δ}g}\]}^2$

$\mathrm{\Δ}f={\mathrm{\Σ}}_{i=-N}^N{\mathrm{\Σ}}_{j=-N}^N{\[f(x_i,y_j)-f_m\]}^2$

$\mathrm{\Δ}g=\underset{i=-N}{\overset{N}{\Σ}}\underset{j=-N}{\overset{N}{\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；

${\mathrm{\σ}}_x=\frac{E}{1-{\mathrm{\μ}}^2}({\mathrm{\ϵ}}_x+{\mathrm{\ϵ}}_y)$

${\mathrm{\σ}}_y=\frac{E}{1-{\mathrm{\μ}}^2}({\mathrm{\ϵ}}_y+{\mathrm{\μ\ϵ}}_x)$

${\mathrm{\τ}}_{xy}=\frac{E}{2(1+\mathrm{\μ})}{\mathrm{\γ}}_{xy};$

其中，ε_x，ε_y，γ_xy分别为点的x方向应变、y方向应变和剪切应变；σ_x，σ_y，τ_xy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。

2.根据权利要求1所述颗粒体系动力链的识别方法，其特征在于所述CCD摄像机为型号scA1600-14fm的市售产品，岛津万能试验机为型号AG-IC50kN的市售产品；实验容器的主体结构包括刚性槽、有机玻璃、第一螺丝和第二螺丝，由刚性槽和有机玻璃通过第一螺丝固定成一个整体，有机玻璃的厚度根据实验条件进行更换，有机玻璃和刚性槽之间的距离通过添加垫板进行调节，并通过第二螺丝固定在实验平台上。