CN106096135B - 一种基于aims设备的级配颗粒库文件数值生成方法 - Google Patents

一种基于aims设备的级配颗粒库文件数值生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于AIMS设备的级配颗粒库文件数值生成方法，包括以下步骤：(1)集料颗粒初筛；(2)AIMS设备批量扫描；(3)AIMS设备扫描筛选；(4)CT扫描；(5)图像处理；(6)PFC建模；(7)构建集料库。本发明的优点在于：二维、三维数值颗粒高度拟合实际形态；建立二维数值颗粒、三维数值颗粒与AMIS设备扫描到的颗粒物理性能指标对应，对道路数值模拟实验具有重要意义；建立二维、三维级配颗粒库文件，对于任何一个道路数值实验，可以通过根据需要调用相应粒径、相应指标的级配颗粒，提高了数值成型的使用效率。

Description

一种基于AIMS设备的级配颗粒库文件数值生成方法
技术领域
本发明涉及一种基于AIMS设备的级配颗粒库文件数值生成方法，属于道路工程技术领域。
背景技术
在道路工程数值离散模拟试验中，首先需要生成数值试件，无论是沥青混合料类、水泥稳定类还是碎石类材料，级配碎石都是不可或缺的重要组成部分，而在目前的道路工程数值模拟实验方法中，对于级配碎石的生成方法有所欠缺，有的方法生成的数值颗粒无法与级配颗粒的物理性能相联系，有的方法在数值试件成型过中直接生成颗粒模型，其颗粒模型不可重复调用，效率低下，有的方法无法精确模拟级配碎石形态，拟合较差。本发明提供了一种级配颗粒库文件的数值方法，很好地解决了现有方法的不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于AIMS设备的级配颗粒库文件数值生成方法，以解决目前现在有技术中存在的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于AIMS设备的级配颗粒库文件数值生成方法，包括以下步骤：
(1)集料颗粒初筛：通过标准筛，依据0.45次方最大密实度曲线筛选出0.075-25mm各档粒径的集料颗粒，将筛选的集料颗粒按照粒径大小整理存放，得到级配碎石颗粒；
(2)AIMS设备批量扫描：将初筛得到的级配碎石颗粒按照粒径大小分批次采用AIMS设备进行扫描，获取颗粒的二维轮廓图像，汇总收集各档颗粒的物理性能数据；
(3)AIMS设备扫描筛选：将颗粒粒径大于4.75mm的每一个粗集料颗粒单独扫描，筛选出各档粒径在不同棱角度的颗粒，单独标记存储；
(4)CT扫描：对单独标记存储的粗集料颗粒分别进行CT扫描，获取该颗粒的二维断层图像集合；
(5)图像处理：通过图像处理软件对AIMS扫描得到的二维轮廓图像、CT扫描得到的二维断层图像集合进行批量处理，获得各集料颗粒扫描图像的边缘轮廓信息；
(6)PFC建模：将各集料颗粒的边缘轮廓信息数据整理成PFC可读文件，建立不同粒径大小、不同棱角度大小的颗粒二维、三维数值模型；
(7)构建集料库：将生成的各数值颗粒的PFC可读文件、CT扫描图像、AIMS扫描的颗粒性能指标分类汇总归档，建立颗粒库内颗粒调用程序。
所述步骤(2)中，汇总收集各档粒径颗粒的物理性能数据包括Form2d、Angularity、Texture、Sphericity、Shape Ratios、颗粒长轴、中轴、短轴；各档粒径颗粒的物理性能数据用于数值试验时进行影响因素的比对分析，Angularity分布数据用于确定颗粒库内每个数值颗粒模型调用的概率。
所述步骤(3)中，将粒径分别大于4.75、9.5、13.2、19、25mm的颗粒依次单独进行扫描，获得每一个颗粒Form2d、Angularity、Texture、Sphericity、Shape Ratios、颗粒长轴、中轴、短轴的数据以及其对应的AIMS扫描的二维轮廓图像，并筛选出每一档粒径在Angularity指标0-2000、2000-2500、2500-3000、3000-3500、3500-4000、4000-4500、4500-5000、5000以上这8个范围内的颗粒各10个；数据按照颗粒所属标准筛大小—颗粒所属Angularity指标范围—颗粒实际Angularity指标大小的建立相应顺序文件夹树汇总，其中Form2d、Angularity、Texture、Sphericity、Shape Ratios、颗粒长轴、中轴、短轴数据用于后期实验比对该颗粒的物理性能指标对于数值实验的影响，AIMS扫描的二维轮廓图像用于快捷查看调用的数值颗粒形态。
所述步骤(3)中，AIMS扫描的二维轮廓图像用于二维颗粒数值生成；所述二维颗粒数值生成采用轮廓提取法，步骤为：通过图像软件精确读取轮廓像素位置，通过PFC2D软件在读取的轮廓位置处直接生成相切圆盘，轮廓内部没有圆盘填充，定义为一个CLUMP，形成一个二维颗粒数值；在PFC2D软件内对每一个成型的二维颗粒数值分别进行密度的重新标定，生成代码保存在相应文件夹中。
所述步骤(4)中，将步骤(3)中筛选出的集料颗粒进行CT扫描，获得每个颗粒的二维断层图像集合，所述二维断层图像集合用于三维颗粒数值生成；所述三维颗粒数值生成采用轮廓提取叠加法，步骤为：选取间隔相同的20层二维断层图像，根据颗粒实际大小确定二维断层图像间隔，使所选取的二维断层图像的第1层与第20层分别为颗粒俯视方向的最顶端与最底端；运用图像软件精确读取轮廓像素位置，通过PFC3D软件在每一层二维断层图像的轮廓处生成相切小球，轮廓内部没有小球填充，通过位置换算将20层小球颗粒叠加在一起，定义为一个CLUMP，形成一个三维颗粒数值；在PFC3D软件内对每一个成型的三维颗粒数值分别进行密度的重新标定，生成代码保存在相应文件夹中。
所述步骤(5)中，通过图像处理软件对AIMS扫描的二维轮廓图像、CT扫描的二维断层图像集合进行批量处理，实现图片批量灰度化，通过matlab软件读取每个图片轮廓处像素位置，并通过算法对轮廓处像素位置进行剔除，降低每个处理图片的像素数量。
所述步骤(5)中，运用Imagepro软件对于AIMS扫描的二维轮廓图像进行面积的测定，包括步骤(3)中得到的每一个颗粒AIMS扫描的二维轮廓图像的轮廓处圆盘面积和轮廓内未填充圆盘处面积以及步骤(4)中得到的每一个颗粒20层二维断层图像的轮廓处小球面积和轮廓内未填充小球的面积，将AIMS扫描的二维轮廓图像的轮廓内未填充圆盘处面积和轮廓处圆盘面积比值作为该二维数值颗粒密度的扩大系数，将每一个颗粒20层二维断层图像的轮廓内未填充小球的面积和与轮廓处小球面积的比值经过换算作为该三维数值颗粒密度的扩大系数；在PFC2D、PFC3D软件内定义二维数值颗粒与三维数值颗粒的密度时，需要在原先圆盘、小球的密度上分别乘以二维密度扩大系数、三维密度扩大系数。
所述步骤(6)中，二维数值颗粒建模是通过AIMS扫描，根据每一个AIMS扫描的二维轮廓图像单独形成每个二维数值颗粒的代码文件；三维数值颗粒建模是通过CT扫描，选取每个颗粒二维断层图像集合中的20层，单独形成每个三维数值颗粒的代码文件。
所述步骤(7)中，颗粒库包括二维颗粒库和三维颗粒库，二维颗粒库用于PFC2D软件，三维颗粒库用于PFC3D软件；二维颗粒库、三维颗粒库不仅精确模拟颗粒形态，且每一个二维颗粒代码、三维颗粒代码都对应有相应颗粒AIMS物理性能数据，用于道路数值实验；
在PFC2D、PFC3D软件中通过循环、数据交换分别调用二维、三维颗粒，并根据步骤(2)中汇总的每一档颗粒其Angularity指标在0-2000、2000-2500、2500-3000、3000-3500、3500-4000、4000-4500、4500-5000、5000以上这8个范围内的概率，来调用相应粒径大小下不同Angularity指标范围内的数值颗粒模型代码，形成数值实验试件。
所述步骤(7)中，二维颗粒库、三维颗粒库所包含的颗粒数据均是粒径大于等于4.75mm的粗集料颗粒，小于4.75mm的细集料颗粒均在PFC2D、PFC3D软件内分别通过相应尺寸圆盘、小球替代。
有益效果：本发明的优点在于：
(1)二维、三维数值颗粒高度拟合实际形态；(2)建立二维数值颗粒、三维数值颗粒与AIMS设备扫描到的颗粒物理性能指标对应，对道路数值模拟实验具有重要意义；(3)建立二维、三维级配颗粒库文件。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明所提到的AIMS设备是指美国Pine公司生产的集料图像测量系统(AIMS)。
如图1所示，一种基于AIMS设备的级配颗粒库文件数值生成方法，包括以下步骤：
(1)集料颗粒初筛：通过标准筛，依据0.45次方最大密实度曲线筛选出0.075-25mm各档粒径的集料颗粒，将筛选的集料颗粒按照粒径大小整理存放，得到级配碎石颗粒。
(2)AIMS设备批量扫描：将初筛得到的级配碎石颗粒按照粒径大小分批次采用AIMS设备进行扫描，获取颗粒的二维轮廓图像，汇总收集各档颗粒的物理性能数据；
汇总收集各档粒径颗粒的物理性能数据包括Form2d、Angularity、Texture、Sphericity、Shape Ratios、颗粒长轴、中轴、短轴；各档粒径颗粒的物理性能数据用于数值试验时进行影响因素的比对分析，Angularity分布数据用于确定颗粒库内每个数值颗粒模型调用的概率。
(3)AIMS设备扫描筛选：将颗粒粒径大于4.75mm的每一个粗集料颗粒单独扫描，筛选出各档粒径在不同棱角度的颗粒，单独标记存储；具体步骤为：将粒径分别大于4.75、9.5、13.2、19、25mm的颗粒依次单独进行扫描，获得每一个颗粒Form2d、Angularity、Texture、Sphericity、Shape Ratios、颗粒长轴、中轴、短轴的数据以及其对应的AIMS扫描的二维轮廓图像，并筛选出每一档粒径在Angularity指标0-2000、2000-2500、2500-3000、3000-3500、3500-4000、4000-4500、4500-5000、5000以上这8个范围内的颗粒各10个；数据按照颗粒所属标准筛大小—颗粒所属Angularity指标范围—颗粒实际Angularity指标大小的建立相应顺序文件夹树汇总，其中Form2d、Angularity、Texture、Sphericity、ShapeRatios、颗粒长轴、中轴、短轴数据用于后期实验比对该颗粒的物理性能指标对于数值实验的影响，AIMS扫描的二维轮廓图像用于快捷查看调用的数值颗粒形态；
AIMS扫描的二维轮廓图像用于二维颗粒数值生成；所述二维颗粒数值生成采用轮廓提取法，步骤为：通过图像软件精确读取轮廓像素位置，通过PFC2D软件在读取的轮廓位置处直接生成相切圆盘，轮廓内部没有圆盘填充，定义为一个CLUMP，形成一个二维颗粒数值；在PFC2D软件内对每一个成型的二维颗粒数值分别进行密度的重新标定，生成代码保存在相应文件夹中。
(4)CT扫描：对单独标记存储的粗集料颗粒分别进行CT扫描，获取该颗粒的二维断层图像集合；具体步骤为：将步骤(3)中筛选出的集料颗粒进行CT扫描，获得每个颗粒的二维断层图像集合，所述二维断层图像集合用于三维颗粒数值生成；所述三维颗粒数值生成采用轮廓提取叠加法，步骤为：选取间隔相同的20层二维断层图像，根据颗粒实际大小确定二维断层图像间隔，使所选取的二维断层图像的第1层与第20层分别为颗粒俯视方向的最顶端与最底端；运用图像软件精确读取轮廓像素位置，通过PFC3D软件在每一层二维断层图像的轮廓处生成相切小球，轮廓内部没有小球填充，通过位置换算将20层小球颗粒叠加在一起，定义为一个CLUMP，形成一个三维颗粒数值；在PFC3D软件内对每一个成型的三维颗粒数值分别进行密度的重新标定，生成代码保存在相应文件夹中。
(5)图像处理：通过图像处理软件对AIMS扫描得到的二维轮廓图像、CT扫描得到的二维断层图像集合进行批量处理，获得各集料颗粒扫描图像的边缘轮廓信息；具体步骤为：通过图像处理软件对AIMS扫描的二维轮廓图像、CT扫描的二维断层图像集合进行批量处理，实现图片批量灰度化，通过matlab软件读取每个图片轮廓处像素位置，并通过算法对轮廓处像素位置进行剔除，降低每个处理图片的像素数量，以提高PFC3D、PFC2D建模效率；
运用Imagepro软件对于AIMS扫描的二维轮廓图像进行面积的测定，包括步骤(3)中得到的每一个颗粒AIMS扫描的二维轮廓图像的轮廓处圆盘面积和轮廓内未填充圆盘处面积以及步骤(4)中得到的每一个颗粒20层二维断层图像的轮廓处小球面积和轮廓内未填充小球的面积，将AIMS扫描的二维轮廓图像的轮廓内未填充圆盘处面积和轮廓处圆盘面积比值作为该二维数值颗粒密度的扩大系数，将每一个颗粒20层二维断层图像的轮廓内未填充小球的面积和与轮廓处小球面积的比值经过换算作为该三维数值颗粒密度的扩大系数；在PFC2D、PFC3D软件内定义二维数值颗粒与三维数值颗粒的密度时，需要在原先圆盘、小球的密度上分别乘以二维密度扩大系数、三维密度扩大系数。
(6)PFC建模：将各集料颗粒的边缘轮廓信息数据整理成PFC可读文件，建立不同粒径大小、不同棱角度大小的颗粒二维、三维数值模型；
其中，二维数值颗粒建模是通过AIMS扫描，根据每一个AIMS扫描的二维轮廓图像单独形成每个二维数值颗粒的代码文件；三维数值颗粒建模是通过CT扫描，选取每个颗粒二维断层图像集合中的20层，单独形成每个三维数值颗粒的代码文件。
(7)构建集料库：将生成的各数值颗粒的PFC可读文件、CT扫描图像、AIMS扫描的颗粒性能指标分类汇总归档，建立颗粒库内颗粒调用程序；
其中，颗粒库包括二维颗粒库和三维颗粒库，二维颗粒库用于PFC2D软件，三维颗粒库用于PFC3D软件；二维颗粒库、三维颗粒库不仅精确模拟颗粒形态，且每一个二维颗粒代码、三维颗粒代码都对应有相应颗粒AIMS物理性能数据，用于道路数值实验；
在PFC2D、PFC3D软件中通过循环、数据交换分别调用二维、三维颗粒，并根据步骤(2)中汇总的每一档颗粒其Angularity指标在0-2000、2000-2500、2500-3000、3000-3500、3500-4000、4000-4500、4500-5000、5000以上这8个范围内的概率，来调用相应粒径大小下不同Angularity指标范围内的数值颗粒模型代码，形成数值实验试件。
二维颗粒库、三维颗粒库所包含的颗粒数据均是粒径大于等于4.75mm的粗集料颗粒，小于4.75mm的细集料颗粒均在PFC2D、PFC3D软件内分别通过相应尺寸圆盘、小球替代。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于AIMS设备的级配颗粒库文件数值生成方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）集料颗粒初筛：通过标准筛，依据0.45次方最大密实度曲线筛选出0.075-25mm各档粒径的集料颗粒，将筛选的集料颗粒按照粒径大小整理存放，得到级配碎石颗粒；
（2）AIMS设备批量扫描：将初筛得到的级配碎石颗粒按照粒径大小分批次采用AIMS设备进行扫描，获取颗粒的二维轮廓图像，汇总收集各档颗粒的物理性能数据；
（3）AIMS设备扫描筛选：将颗粒粒径大于等于4.75mm的每一个粗集料颗粒单独扫描，筛选出各档粒径在不同棱角度的颗粒，单独标记存储；
（4）CT扫描：对单独标记存储的粗集料颗粒分别进行CT扫描，获取该颗粒的二维断层图像集合；
（5）图像处理：通过图像处理软件对AIMS扫描得到的二维轮廓图像、CT扫描得到的二维断层图像集合进行批量处理，获得各集料颗粒扫描图像的边缘轮廓信息；
（6）PFC建模：将各集料颗粒的边缘轮廓信息数据整理成PFC可读文件，建立不同粒径大小、不同棱角度大小的颗粒二维、三维数值模型；
（7）构建集料库：将生成的各数值颗粒的PFC可读文件、CT扫描图像、AIMS扫描的颗粒性能指标分类汇总归档，建立颗粒库内颗粒调用程序。
2.根据权利要求1所述的基于AIMS设备的级配颗粒库文件数值生成方法，其特征在于：所述步骤（2）中，汇总收集各档粒径颗粒的物理性能数据包括Form2d、Angularity、Texture、Sphericity、Shape Ratios、颗粒长轴、中轴、短轴；各档粒径颗粒的物理性能数据用于数值试验时进行影响因素的比对分析，Angularity分布数据用于确定颗粒库内每个数值颗粒模型调用的概率。
3.根据权利要求1所述的基于AIMS设备的级配颗粒库文件数值生成方法，其特征在于：所述步骤（3）中，将粒径分别大于4.75、9.5、13.2、19、25mm的颗粒依次单独进行扫描，获得每一个颗粒Form2d、Angularity、Texture、Sphericity、Shape Ratios、颗粒长轴、中轴、短轴的数据以及其对应的AIMS扫描的二维轮廓图像，并筛选出每一档粒径在Angularity指标0-2000、2000-2500、2500-3000、3000-3500、3500-4000、4000-4500、4500-5000、5000以上这8个范围内的颗粒各10个；数据按照颗粒所属标准筛大小—颗粒所属Angularity指标范围—颗粒实际Angularity指标大小的顺序建立相应文件夹树汇总，其中Form2d、Angularity、Texture、Sphericity、Shape Ratios、颗粒长轴、中轴、短轴数据用于后期实验比对该颗粒的物理性能指标对于数值实验的影响，AIMS扫描的二维轮廓图像用于快捷查看调用的数值颗粒形态。
4.根据权利要求3所述的基于AIMS设备的级配颗粒库文件数值生成方法，其特征在于：所述步骤（3）中，AIMS扫描的二维轮廓图像用于二维颗粒数值生成；所述二维颗粒数值生成采用轮廓提取法，步骤为：通过图像软件精确读取轮廓像素位置，通过PFC2D软件在读取的轮廓位置处直接生成相切圆盘，轮廓内部没有圆盘填充，定义为一个CLUMP，形成一个二维颗粒数值；在PFC2D软件内对每一个成型的二维颗粒数值分别进行密度的重新标定，生成代码保存在相应文件夹中。
5.根据权利要求1所述的基于AIMS设备的级配颗粒库文件数值生成方法，其特征在于：所述步骤（4）中，将步骤（3）中筛选出的集料颗粒进行CT扫描，获得每个颗粒的二维断层图像集合，所述二维断层图像集合用于三维颗粒数值生成；所述三维颗粒数值生成采用轮廓提取叠加法，步骤为：选取间隔相同的20层二维断层图像，根据颗粒实际大小确定二维断层图像间隔，使所选取的二维断层图像的第1层与第20层分别为颗粒俯视方向的最顶端与最底端；运用图像软件精确读取轮廓像素位置，通过PFC3D软件在每一层二维断层图像的轮廓处生成相切小球，轮廓内部没有小球填充，通过位置换算将20层小球颗粒叠加在一起，定义为一个CLUMP，形成一个三维颗粒数值；在PFC3D软件内对每一个成型的三维颗粒数值分别进行密度的重新标定，生成代码保存在相应文件夹中。
6.根据权利要求1所述的基于AIMS设备的级配颗粒库文件数值生成方法，其特征在于：所述步骤（5）中，通过图像处理软件对AIMS扫描的二维轮廓图像、CT扫描的二维断层图像集合进行批量处理，实现图片批量灰度化，通过matlab软件读取每个图片轮廓处像素位置，并通过算法对轮廓处像素位置进行剔除，降低每个处理图片的像素数量。
7.根据权利要求6所述的基于AIMS设备的级配颗粒库文件数值生成方法，其特征在于：所述步骤（5）中，运用Imagepro软件对于AIMS扫描的二维轮廓图像进行面积的测定，包括步骤（3）中得到的每一个颗粒AIMS扫描的二维轮廓图像的轮廓处圆盘面积和轮廓内未填充圆盘处面积以及步骤（4）中得到的每一个颗粒20层二维断层图像的轮廓处小球面积和轮廓内未填充小球的面积，将AIMS扫描的二维轮廓图像的轮廓内未填充圆盘处面积和轮廓处圆盘面积比值作为该二维数值颗粒密度的扩大系数，将每一个颗粒20层二维断层图像的轮廓内未填充小球的面积和与轮廓处小球面积的比值经过换算作为该三维数值颗粒密度的扩大系数；在PFC2D、PFC3D软件内定义二维数值颗粒与三维数值颗粒的密度时，需要在原先圆盘、小球的密度上分别乘以二维密度扩大系数、三维密度扩大系数。
8.根据权利要求1所述的基于AIMS设备的级配颗粒库文件数值生成方法，其特征在于：所述步骤（6）中，二维数值颗粒建模是通过AIMS扫描，根据每一个AIMS扫描的二维轮廓图像单独形成每个二维数值颗粒的代码文件；三维数值颗粒建模是通过CT扫描，选取每个颗粒二维断层图像集合中的20层，单独形成每个三维数值颗粒的代码文件。
9.根据权利要求1所述的基于AIMS设备的级配颗粒库文件数值生成方法，其特征在于：所述步骤（7）中，颗粒库包括二维颗粒库和三维颗粒库，二维颗粒库用于PFC2D软件，三维颗粒库用于PFC3D软件；二维颗粒库、三维颗粒库不仅精确模拟颗粒形态，且每一个二维颗粒代码、三维颗粒代码都对应有相应颗粒AIMS物理性能数据，用于道路数值实验；
在PFC2D、PFC3D软件中通过循环、数据交换分别调用二维、三维颗粒，并根据步骤（2）中汇总的每一档颗粒其Angularity指标在0-2000、2000-2500、2500-3000、3000-3500、3500-4000、4000-4500、4500-5000、5000以上这8个范围内的概率，来调用相应粒径大小下不同Angularity指标范围内的数值颗粒模型代码，形成数值实验试件。
10.根据权利要求9所述的基于AIMS设备的级配颗粒库文件数值生成方法，其特征在于：所述步骤（7）中，二维颗粒库、三维颗粒库所包含的颗粒数据均是粒径大于等于4.75mm的粗集料颗粒，小于4.75mm的细集料颗粒均在PFC2D、PFC3D软件内分别通过相应尺寸圆盘、小球替代。
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