CN109668784A - 一种智能岩石力学真三轴检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩石力学检测技术领域，公开了一种智能岩石力学真三轴检测系统及方法，所述智能岩石力学真三轴检测系统包括：压力检测模块、扫描模块、操作模块、中央控制模块、曲线特征绘制模块、数值仿真模块、密封模块、显示模块；本发明通过数值仿真模块提高岩石力学试验过程的数值仿真准确性，并以花岗岩试块三轴压缩试验为例，验证了仿真系统的合理性和有效性；同时，通过密封模块将每两个相邻承压垫块接触面处增加了阶梯槽，且在阶梯槽内加装密封橡胶条，由于密封橡胶条的存在，实现了两个相邻承压垫块接触面之间缝隙的充分密封，且密封橡胶条同时被密封胶裹覆，起到了双重密封的作用。

Description

一种智能岩石力学真三轴检测系统及方法

技术领域

本发明属于岩石力学检测技术领域，尤其涉及一种智能岩石力学真三轴检测系统及方法。

背景技术

岩石是由一种或几种矿物和天然玻璃组成的，具有稳定外形的固态集合体。由一种矿物组成的岩石称作单矿岩，如大理岩由方解石组成，石英岩由石英组成等；有数种矿物组成的岩石称作复矿岩，如花岗岩由石英、长石和云母等矿物组成，辉长岩由基性斜长石和辉石组成等等。没有一定外形的液体如石油、气体如天然气以及松散的沙、泥等，都不是岩石。岩石力学性质(mechanicalpropertiesofrocks)是指岩石在应力作用下表现的弹性、塑性、弹塑性、流变性、脆性、韧性、发热等力学性质。不同性质岩石的应力应变关系、变形条件或破裂条件等都不同。然而，现有对岩石力学试验过程的数值仿真误差大；同时，现有的对岩石密封方法也无法实现相邻两个承压垫块接触面之间的密封，使试验数据的准确性和可靠性大打则扣。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有对岩石力学试验过程的数值仿真误差大；同时，现有的对岩石密封方法也无法实现相邻两个承压垫块接触面之间的密封，使试验数据的准确性和可靠性大打则扣；图像轮廓模糊，不清晰；压力数据受温度影响，误差大。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种智能岩石力学真三轴检测系统及方法。

本发明是这样实现的，一种智能岩石力学真三轴检测方法，所述智能岩石力学真三轴检测方法包括：

第一步，利用真三轴试验仪检测岩石三个轴向压力数据信息；利用基于高频加强法对图像进行增强的CT扫描器扫描真三轴试验仪检测过程的图像；

第二步，利用操作控制台对检测设备进行操作控制；

第三步，利用基于抛物线插值算法对数据进行温度补偿的数据软件处理根据检测的数据绘制岩石力学真三轴压力变化数据曲线；

第四步，利用仿真程序对岩石力学试验数值进行仿真操作；

第五步，真三轴试验的岩石试样进行密封操作；

第六步，利用显示器显示检测系统界面及采集的压力、扫描图像数据信息。

进一步，所述第一步中高频加强法使用线性运算对图像进行处理，将图像中代表纹理的高频部分进行增强，然后再进行小波逆变换来恢复成原来大小的图像；

将图像的信号f(x，y)∈L²(R²)的频带定义于V²(x，y)空间里，尺度函数和小波函数分别是φ和ψ，f(x，y)是输入图像，则有分解：

引入权值K_i，n，得到：

进一步，所述第三步中抛物线插值算法包括：

二阶抛物线插值的公式如下：

其中，T₀、T₁、T₂为与T最接近的三个标定温度值，满足关系：

P₀、P₁、P₂为温度分别为T₀、T₁、T₂时的标定压强值。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述智能岩石力学真三轴检测方法的智能岩石力学真三轴检测系统，所述智能岩石力学真三轴检测系统包括：

压力检测模块，与中央控制模块连接，用于通过真三轴试验仪检测岩石三个轴向压力数据信息；

扫描模块，与中央控制模块连接，用于通过CT扫描器扫描真三轴试验仪检测过程的图像；

操作模块，与中央控制模块连接，用于通过操作控制台对检测设备进行操作控制；

中央控制模块，与压力检测模块、扫描模块、操作模块、曲线特征绘制模块、数值仿真模块、密封模块、显示模块连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；

曲线特征绘制模块，与中央控制模块连接，用于通过数据处理根据检测的数据绘制岩石力学真三轴压力变化数据曲线；

数值仿真模块，与中央控制模块连接，用于通过仿真程序对岩石力学试验数值进行仿真操作；

密封模块，与中央控制模块连接，用于对真三轴试验的岩石试样进行密封操作；

显示模块，与中央控制模块连接，用于通过显示器显示检测系统界面及采集的压力、扫描图像数据信息。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述智能岩石力学真三轴检测方法的岩石力学检测平台。

本发明的优点及积极效果为：本发明通过数值仿真模块利用Python语言对ABAQUS软件进行二次开发，对前处理过程(包括模型尺寸、加载参数的确定等)以及后处理过程(模拟结果的输出、数据的采集)进行编程，建立岩石力学试验过程的参数化数值模拟仿真系统；将考虑剪切效应的Drucker-Prager破坏准则编入vusdfld子程序中，引入失效单元删除算法研究荷载作用下岩石试块变形破坏过程，提高岩石力学试验过程的数值仿真准确性，并以花岗岩试块三轴压缩试验为例，验证了仿真系统的合理性和有效性；以及本发明的岩石力学试验数值仿真系统可根据用户需要与实验室加载平台进行数据匹配，极大提高了建模和分析效率，同时丰富了力学试验内容；同时，通过密封模块将每两个相邻承压垫块接触面处增加了阶梯槽，且在阶梯槽内加装密封橡胶条，由于密封橡胶条的存在，实现了两个相邻承压垫块接触面之间缝隙的充分密封，且密封橡胶条同时被密封胶裹覆，起到了双重密封的作用；采用高频加强法对图像进行加强突出高频分量，加强图像的轮廓，使图像更清晰；采用抛物线插值算法对数据进行温度补偿，减小不同温度导致的压力数据误差。

附图说明

图1是本发明实施例提供的智能岩石力学真三轴检测方法流程图。

图2是本发明实施例提供的智能岩石力学真三轴检测系统结构示意图；

图2中：1、压力检测模块；2、扫描模块；3、操作模块；4、中央控制模块；5、曲线特征绘制模块；6、数值仿真模块；7、密封模块；8、显示模块。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的智能岩石力学真三轴检测方法包括以下步骤：

S101：利用真三轴试验仪检测岩石三个轴向压力数据信息；利用基于高频加强法对图像进行增强的CT扫描器扫描真三轴试验仪检测过程的图像；

S102：利用操作控制台对检测设备进行操作控制；

S103：利用基于抛物线插值算法对数据进行温度补偿的数据软件处理根据检测的数据绘制岩石力学真三轴压力变化数据曲线；

S104：利用仿真程序对岩石力学试验数值进行仿真操作；

S105：对真三轴试验的岩石试样进行密封操作；

S106：利用显示器显示检测系统界面及采集的压力、扫描图像数据信息。

步骤S101中，本发明实施例提供的高频加强法包括：

高频加强法使用线性运算对图像进行处理，将图像中代表纹理的高频部分进行增强，然后再进行小波逆变换来恢复成原来大小的图像。

假设将图像的信号f(x，y)∈L²(R²)的频带定义于V²(x，y)空间里，尺度函数和小波函数分别是φ和ψ，f(x，y)是输入图像，则有分解：

如果引入一些权值K_i，n，则可以起到增强高频的效果，得到：

步骤S103中，本发明实施例提供的抛物线插值算法包括：

二阶抛物线插值的公式如下：

其中，T₀、T₁、T₂为与T最接近的三个标定温度值，满足关系：

P₀、P₁、P₂为温度分别为T₀、T₁、T₂时的标定压强值。

如图2所示，本发明提供的智能岩石力学真三轴检测系统包括：压力检测模块1、扫描模块2、操作模块3、中央控制模块4、曲线特征绘制模块5、数值仿真模块6、密封模块7、显示模块8。

压力检测模块1，与中央控制模块4连接，用于通过真三轴试验仪检测岩石三个轴向压力数据信息；

扫描模块2，与中央控制模块4连接，用于通过CT扫描器扫描真三轴试验仪检测过程的图像；

操作模块3，与中央控制模块4连接，用于通过操作控制台对检测设备进行操作控制；

中央控制模块4，与压力检测模块1、扫描模块2、操作模块3、曲线特征绘制模块5、数值仿真模块6、密封模块7、显示模块8连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；

曲线特征绘制模块5，与中央控制模块4连接，用于通过数据处理根据检测的数据绘制岩石力学真三轴压力变化数据曲线；

数值仿真模块6，与中央控制模块4连接，用于通过仿真程序对岩石力学试验数值进行仿真操作；

密封模块7，与中央控制模块4连接，用于对真三轴试验的岩石试样进行密封操作；

显示模块8，与中央控制模块4连接，用于通过显示器显示检测系统界面及采集的压力、扫描图像数据信息。

本发明提供的数值仿真模块6仿真方法如下：

1)通过Python语言编程对ABAQUS软件进行前处理二次开发和后处理二次开发，建立岩石力学试验过程的参数化数值模拟仿真系统；

2)将考虑剪切效应的Drucker-Prager破坏准则编入ABAQUS软件中的vusdfld子程序中，并引入失效单元删除算法模拟荷载作用下岩石试块变形破坏过程。

本发明提供的前处理二次开发，包括：通过编程实现用户自定义交互式模型尺寸、材料属性、边界条件参数的输入，并通过有限元计算，输出不同参数下的计算结果文件。

本发明提供的后处理二次开发，包括：通过编程实现对计算结果文件的读取、数据分析和用户指定结果的显示。

本发明提供的通过Python语言编程对ABAQUS软件进行前处理二次开发和后处理二次开发，建立岩石力学试验过程的参数化数值模拟仿真系统，具体包括：

将加载参数轴压P1和围压P2、试样几何参数高H和直径D、以及试块力学参数密度、弹性模量、泊松比、粘聚力和摩擦角设定为变化参数，利用Python语言编程进行参数化建模；在参数化建模程序开头添加交互式模块程序代码，使交互式模块程序代码中的参数与试验参数相匹配，当程序调用后首先进入用户自定义交互式窗口，即对数值模拟试验参数进行修改；

对不同试验参数下的参数化模型进行有限元计算。

本发明提供的密封模块7密封方法如下：

(1)改造承压垫块

根据岩石试样尺寸选配承压垫块，承压垫块的厚度大于岩石试样的厚度；

在每个承压垫块的岩石试样接触面两侧边角加工凹槽倒角，凹槽倒角为圆弧形结构，圆弧的半径等于承压垫块与岩石试样厚度差值的一半；

在每个承压垫块的相邻承压垫块接触面两侧边角加工凹槽倒角，凹槽倒角为圆弧形结构，圆弧的半径等于承压垫块与岩石试样厚度差值的一半；

在相邻两个承压垫块的接触面加工阶梯槽，阶梯槽的深度小于相邻承压垫块的宽度；

(2)装夹定位岩石试样

将改造好的承压垫块与岩石试样进行涂胶前的装夹，装夹岩石试样前，准备一块调整垫板，调整垫板的尺寸与岩石试样的待涂胶表面的尺寸相同，调整垫板的厚度等于承压垫块与岩石试样厚度差值的一半；

将调整垫板放置在岩石试样下部，再将岩石试样连同下部的调整垫板送入夹紧装置内进行装夹，首先通过夹紧装置外锁紧部分的锁紧螺栓将承压垫块及岩石试样夹紧固定，再通过夹紧装置内锁紧部分的锁紧螺栓依次将每两个相邻的承压垫块锁紧，此时岩石试样的上、下表面与承压垫块上、下表面的距离相等；

(3)加装密封橡胶条

装夹完成后，需在每个阶梯槽内加装密封橡胶条，密封橡胶条的直径略大于阶梯槽的槽高；密封橡胶条的长度大于岩石试样的高度且小于承压垫块的高度；

(4)对岩石试样涂抹密封胶

首先从岩石试样顶端开始涂胶，涂胶范围包括岩石试样裸露在外的全部表面、每个承压垫块的凹槽倒角及阶梯槽内密封橡胶条的全部外表面；然后通过刮板刮平压实密封胶的上表面，且密封胶的上表面与承压垫块的上表面相平齐；

松开夹紧装置外锁紧部分的锁紧螺栓，然后翻转岩石试样及其外围的承压垫块，按照岩石试样顶端的涂胶步骤，开始涂抹岩石试样底端裸露在外的全部表面、每个承压垫块的凹槽倒角及阶梯槽内密封橡胶条的全部外表面；

(5)对密封胶进行烘干

涂胶后的岩石试样及承压垫块形成组合体，将组合体轻缓的送入恒温箱中烘干，待密封胶全部烘干完毕后，取出组合体，岩石试样涂胶密封工作全部完成。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种智能岩石力学真三轴检测方法，其特征在于，所述智能岩石力学真三轴检测方法包括：

第一步，利用真三轴试验仪检测岩石三个轴向压力数据信息；利用基于高频加强法对图像进行增强的CT扫描器扫描真三轴试验仪检测过程的图像；

第二步，利用操作控制台对检测设备进行操作控制；

第三步，利用基于抛物线插值算法对数据进行温度补偿的数据软件处理根据检测的数据绘制岩石力学真三轴压力变化数据曲线；

第四步，利用仿真程序对岩石力学试验数值进行仿真操作；

第五步，真三轴试验的岩石试样进行密封操作；

第六步，利用显示器显示检测系统界面及采集的压力、扫描图像数据信息。

2.如权利要求1所述的智能岩石力学真三轴检测方法，其特征在于，所述第一步中高频加强法使用线性运算对图像进行处理，将图像中代表纹理的高频部分进行增强，然后再进行小波逆变换来恢复成原来大小的图像；

将图像的信号f(x，y)∈L²(R²)的频带定义于V²(x，y)空间里，尺度函数和小波函数分别是φ和ψ，f(x，y)是输入图像，则有分解：

引入权值K_i，n，得到：

3.如权利要求1所述的智能岩石力学真三轴检测方法，其特征在于，所述第三步中抛物线插值算法包括：

二阶抛物线插值的公式如下：

其中，T₀、T₁、T₂为与T最接近的三个标定温度值，满足关系：

P₀、P₁、P₂为温度分别为T₀、T₁、T₂时的标定压强值。

4.一种实现权利要求1所述智能岩石力学真三轴检测方法的智能岩石力学真三轴检测系统，其特征在于，所述智能岩石力学真三轴检测系统包括：

压力检测模块，与中央控制模块连接，用于通过真三轴试验仪检测岩石三个轴向压力数据信息；

扫描模块，与中央控制模块连接，用于通过CT扫描器扫描真三轴试验仪检测过程的图像；

操作模块，与中央控制模块连接，用于通过操作控制台对检测设备进行操作控制；

中央控制模块，与压力检测模块、扫描模块、操作模块、曲线特征绘制模块、数值仿真模块、密封模块、显示模块连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；

曲线特征绘制模块，与中央控制模块连接，用于通过数据处理根据检测的数据绘制岩石力学真三轴压力变化数据曲线；

数值仿真模块，与中央控制模块连接，用于通过仿真程序对岩石力学试验数值进行仿真操作；

密封模块，与中央控制模块连接，用于对真三轴试验的岩石试样进行密封操作；

显示模块，与中央控制模块连接，用于通过显示器显示检测系统界面及采集的压力、扫描图像数据信息。

5.一种应用权利要求1～3任意一项所述智能岩石力学真三轴检测方法的岩石力学检测平台。