CN110502825A - 一种提取三维破裂面的方法 - Google Patents

一种提取三维破裂面的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110502825A
CN110502825A CN201910763384.5A CN201910763384A CN110502825A CN 110502825 A CN110502825 A CN 110502825A CN 201910763384 A CN201910763384 A CN 201910763384A CN 110502825 A CN110502825 A CN 110502825A
Authority
CN
China
Prior art keywords
particle
screening
particles
displacement
extracting
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910763384.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110502825B (zh
Inventor
丛宇
张黎明
王在泉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Qingdao University of Technology
Original Assignee
Qingdao University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Qingdao University of Technology filed Critical Qingdao University of Technology
Priority to CN201910763384.5A priority Critical patent/CN110502825B/zh
Publication of CN110502825A publication Critical patent/CN110502825A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110502825B publication Critical patent/CN110502825B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T17/00Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
    • G06T17/10Constructive solid geometry [CSG] using solid primitives, e.g. cylinders, cubes
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00Image analysis
    • G06T7/0002Inspection of images, e.g. flaw detection
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2200/00Indexing scheme for image data processing or generation, in general
    • G06T2200/04Indexing scheme for image data processing or generation, in general involving 3D image data

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Graphics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Quality & Reliability (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

本发明公开了一种提取三维破裂面的方法,包括以下步骤:基于离散元原理构建不同尺寸的三维颗粒模型,记录施加压力前模型中颗粒的初始状态信息;实现复杂路径下的岩土质材料加卸荷试验,提取模型加卸荷过程中所有颗粒的状态信息;筛选并移除速度方向与加载/卸载方向相同或相反的颗粒;通过颗粒流间运动方向或相对位移角度进一步筛选颗粒;提取筛选后颗粒的状态信息,重构岩样试验后的破裂面;本发明方法巧妙的设置筛选位移、位移角度、速度筛选条件,能快速得到目标颗粒,提取颗粒坐标经过拉格朗日插值算法可重构岩样试验后的破裂面,实现离散元加卸荷试验后破裂面的提取,用于后续的信息特征。

Description

一种提取三维破裂面的方法
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域,具体涉及一种提取三维破裂面的方法。
背景技术
岩土体变形破坏过程一直是岩土工程中的重要研究课题。基于离散元原理可以解决如岩土体等不连续、非均质介质问题,通过数值模拟的方式模拟岩土体内部的大位移、变形与破坏,得到较为真实的岩土体非线性变形破坏过程特征。而破裂面是岩土体变形破坏过程的客观表达,蕴含着丰富的变形过程信息。
室内试验中对破裂面信息的提取一般采用激光扫描或者光学扫描等方式,通过对破裂面特征的重构,进一步给出破裂面与破坏过程间的内在联系,为岩土体变形破坏过程的研究提供依据。由于岩土体材料非均质特性和试验条件的客观限制,破裂面的室内试验无法大量重复,而离散元模型试验通过赋予接触颗粒间受力、位移、速度、加速度等,将离散元颗粒体集合成特定的岩土体材料。
现有的离散元模型无法直接给出破裂面,更不用说有效提取破裂面蕴含的破坏信息。因此,提出一种基于离散元原理的加卸荷仿真实验后岩土质材料破裂面特征提取方法,以满足对破裂面信息的提取需求,进一步支持复杂岩体变形破坏过程的研究。
发明内容
为了解决现有加卸荷仿真试验对试验后破裂面蕴含信息提取的不足问题。本方法提出一种提取三维破裂面的方法。通过构建不同尺寸的三维颗粒模型,记录施加压力前、加卸荷后模型中颗粒的状态信息,多次对比筛选与设置条件相符的颗粒,从而提取计算生成得到破裂面。
本发明的技术方案为:一种提取三维破裂面的方法,包括以下步骤:
(1)基于离散元原理构建不同尺寸的三维颗粒模型,记录施加压力前模型中颗粒的初始状态信息,初始状态信息具体包括位置、位移、速度;
(2)实现复杂路径下的岩土质材料加卸荷试验,提取模型加卸荷过程中所有颗粒的状态信息;
(3)筛选并移除速度方向与加载/卸载方向相同或相反的颗粒;
(4)通过颗粒流间运动方向或相对位移角度进一步筛选颗粒;
(5)提取筛选后颗粒的状态信息,重构岩样试验后的破裂面。
进一步地,所述步骤(1)的具体步骤为:
(1.1)基于颗粒流原理建立岩土质材料三维模型边界,包括圆柱体、长方体、立方体;
(1.2)生成球形自由径颗粒或多个颗粒组成的颗粒组;
(1.3)记录模型内颗粒的状态信息,将其放入不同的数组矩阵;其中,模型内颗粒的状态信息包括初始空间位置、初始位移、初始速度。
进一步地,所述步骤(2)的具体步骤为:
(2.1)通过虚拟边界墙体的位移或速度控制模型载荷的加卸载,进而实现不同工况下岩土体的加卸荷破坏虚拟仿真;
(2.2)加卸荷过程全程记录模型内所有颗粒在不同时间步下的状态信息,将其分别放入不同的数组矩阵;其中,所有颗粒在不同时间步下的状态信息包括空间位置、位移、速度。
进一步地,所述步骤(3)的具体步骤为:
(3.1)将试验后颗粒的速度信息与初始状态下边界墙的速度信息进行对比,计算出加卸荷试验后所有颗粒与加载边界墙的位移矢量方向差;
(3.2)试验后的颗粒模型进行速度矢量方向差的第一次筛选,删除掉方向差为0°或者180°的颗粒;完成第一次筛选。
进一步地,所述步骤(4)的具体步骤为:
(4.1)将试验后颗粒的位置信息与初始状态下颗粒的位置信息进行对比,计算出第一次筛选后所有颗粒试验前后的位移量差;
(4.2)对第一次筛选后的颗粒模型进行位移量差的第二次筛选,删除掉特定位移量的颗粒;完成第二次筛选。
(4.3)将试验后颗粒的位置信息进行对比,对一定范围内的颗粒进行位移矢量方向对比;完成第三次筛选。
进一步地,所述步骤(5)的具体步骤为:
(5.1)对筛选后的颗粒,以Pi(x,y,z)形式输出颗粒的空间坐标信息以及颗粒的半径信息;
(5.2)利用拉格朗日插值算法拟合坐标形成破裂面,重现岩土质材料三维破裂面。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
(1)本发明方法巧妙的设置筛选位移、位移角度、速度筛选条件,能快速得到目标颗粒,提取颗粒坐标经过拉格朗日插值算法可重构岩样试验后的破裂面,实现离散元加卸荷试验后破裂面的提取,用于后续的信息特征。
(2)数值仿真是岩土体力学性质研究的有效补充方式,破裂面蕴含着岩样加卸荷破坏的重要信息,当前加卸荷数值仿真破坏后破裂面无法进行有效的定量分析,本发明可以提供一种有效的分析手段。
(3)岩样加卸荷破坏后会出现主裂纹和多条次生裂纹,本发明提供一种筛选方法,筛选出影响岩样破坏的近似主裂纹。
(4)筛选后的近似主裂纹由大量颗粒组成,为便于定量分析主裂纹特征,本发明可以将主裂纹转换成近似破裂面进行特征分析。
附图说明
图1是本发明实施例的生成颗粒后的初始模型;
图2是本发明实施例的一定加卸载路径下破坏后的岩样;
图3~6是本发明实施例的不同筛选条件得到的模型裂纹带;
图7是本发明实施例的筛选后颗粒裂纹带进一步插值得到的破裂面。
具体实施方式
下面结合实施例,对本发明作进一步的详细说明,但本发明的实施方法不限于此。
实施例:一种提取三维破裂面的方法,包括以下步骤:
(1)基于离散元原理构建不同尺寸的三维颗粒模型,记录施加压力前模型中颗粒的初始状态信息,初始状态信息具体包括位置、位移、速度;具体步骤为:
(1.1)基于颗粒流原理建立岩土质材料三维模型边界,如图1所述生成立方体虚拟墙;
(1.2)生成球形自由径颗粒或多个颗粒组成的颗粒组;
(1.3)记录模型图1中立方体虚拟墙内颗粒的状态信息,将其放入不同的数组矩阵A;其中,模型内颗粒的状态信息包括初始空间位置、初始位移、初始速度;
(2)实现复杂路径下的岩土质材料加卸荷试验,提取模型加卸荷过程中所有颗粒的状态信息;具体步骤为:
(2.1)通过虚拟边界墙体的位移或速度控制模型载荷的加卸载,进而实现不同工况下岩土体的加卸荷破坏虚拟仿真;如图2所示,此时试样模型内出现大量裂纹,包括主裂纹以及次生裂纹;
(2.2)加卸荷过程全程记录模型内所有颗粒在不同时间步下的状态信息,将其分别放入不同的数组矩阵B;其中,所有颗粒在不同时间步下的状态信息包括空间位置、位移、速度
(3)筛选并移除速度方向与加载/卸载方向相同或相反的颗粒;具体步骤为:
(3.1)将图2中试验后颗粒的速度信息与图1中初始状态下边界墙的速度信息进行对比,计算出加卸荷试验后所有颗粒与加载边界墙的位移矢量方向差;
(3.2)试验后的颗粒模型进行速度矢量方向差的第一次筛选,删除掉方向差为0°或者180°的颗粒;如图3所示,完成第一次筛选;
(4)通过颗粒流间运动方向或相对位移角度进一步筛选颗粒;具体步骤为:
(4.1)将试验后颗粒的位置信息与初始状态下颗粒的位置信息进行对比,计算出第一次筛选后所有颗粒试验前后的位移量差;
(4.2)对第一次筛选后的颗粒模型进行位移量差的第二次筛选,删除掉特定位移量的颗粒;如图4所示,完成第二次筛选;
(4.3)将试验后颗粒的位置信息进行对比,对一定范围内的颗粒进行位移矢量方向对比;如图5、6所示,完成第三次筛选;
(5)提取筛选后颗粒的状态信息,重构岩样试验后的破裂面;具体步骤为:
(5.1)对图6中筛选后的颗粒,以Pi(x,y,z)形式输出颗粒的空间坐标信息以及颗粒的半径信息;
(5.2)如图7所示,利用拉格朗日插值算法拟合坐标形成破裂面,重现岩土质材料三维破裂面。

Claims (6)

1.一种提取三维破裂面的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)基于离散元原理构建不同尺寸的三维颗粒模型,记录施加压力前模型中颗粒的初始状态信息,初始状态信息具体包括位置、位移、速度;
(2)实现复杂路径下的岩土质材料加卸荷试验,提取模型加卸荷过程中所有颗粒的状态信息;
(3)筛选并移除速度方向与加载/卸载方向相同或相反的颗粒;
(4)通过颗粒流间运动方向或相对位移角度进一步筛选颗粒;
(5)提取筛选后颗粒的状态信息,重构岩样试验后的破裂面。
2.根据权利要求1所述的一种提取三维破裂面的方法,其特征在于,所述步骤(1)的具体步骤为:
(1.1)基于颗粒流原理建立岩土质材料三维模型边界,包括圆柱体、长方体、立方体;
(1.2)生成球形自由径颗粒或多个颗粒组成的颗粒组;
(1.3)记录模型内颗粒的状态信息,将其放入不同的数组矩阵;其中,模型内颗粒的状态信息包括初始空间位置、初始位移、初始速度。
3.根据权利要求1所述的一种提取三维破裂面的方法,其特征在于,所述步骤(2)的具体步骤为:
(2.1)通过虚拟边界墙体的位移或速度控制模型载荷的加卸载,进而实现不同工况下岩土体的加卸荷破坏虚拟仿真;
(2.2)加卸荷过程全程记录模型内所有颗粒在不同时间步下的状态信息,将其分别放入不同的数组矩阵;其中,所有颗粒在不同时间步下的状态信息包括空间位置、位移、速度。
4.根据权利要求1所述的一种提取三维破裂面的方法,其特征在于,所述步骤(3)的具体步骤为:
(3.1)将试验后颗粒的速度信息与初始状态下边界墙的速度信息进行对比,计算出加卸荷试验后所有颗粒与加载边界墙的位移矢量方向差;
(3.2)试验后的颗粒模型进行速度矢量方向差的第一次筛选,删除掉方向差为0°或者180°的颗粒;完成第一次筛选。
5.根据权利要求1所述的一种提取三维破裂面的方法,其特征在于,所述步骤(4)的具体步骤为:
(4.1)将试验后颗粒的位置信息与初始状态下颗粒的位置信息进行对比,计算出第一次筛选后所有颗粒试验前后的位移量差;
(4.2)对第一次筛选后的颗粒模型进行位移量差的第二次筛选,删除掉特定位移量的颗粒;完成第二次筛选。
(4.3)将试验后颗粒的位置信息进行对比,对一定范围内的颗粒进行位移矢量方向对比;完成第三次筛选。
6.根据权利要求1所述的一种提取三维破裂面的方法,其特征在于,所述步骤(5)的具体步骤为:
(5.1)对筛选后的颗粒,以Pi(x,y,z)形式输出颗粒的空间坐标信息以及颗粒的半径信息;
(5.2)利用拉格朗日插值算法拟合坐标形成破裂面,重现岩土质材料三维破裂面。
CN201910763384.5A 2019-08-19 2019-08-19 一种提取三维破裂面的方法 Active CN110502825B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910763384.5A CN110502825B (zh) 2019-08-19 2019-08-19 一种提取三维破裂面的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910763384.5A CN110502825B (zh) 2019-08-19 2019-08-19 一种提取三维破裂面的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110502825A true CN110502825A (zh) 2019-11-26
CN110502825B CN110502825B (zh) 2023-04-07

Family

ID=68588319

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910763384.5A Active CN110502825B (zh) 2019-08-19 2019-08-19 一种提取三维破裂面的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110502825B (zh)

Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2001243980A1 (en) * 2000-03-13 2001-12-06 Spicer Corporation Limited-bandwidth electronic data communication system
US6760107B1 (en) * 2002-04-12 2004-07-06 Pointsource Technologies, Llc Detection of scattered light from particles
CN102415243A (zh) * 2011-10-04 2012-04-18 吉林大学 基于离散元法的玉米脱粒过程分析方法
CN102799713A (zh) * 2012-06-26 2012-11-28 武汉大学 堆石坝心墙水力劈裂的数值模拟方法
CA2852007A1 (en) * 2011-10-12 2013-04-18 National Oilwell DHT, L.P. Dispersion of hardphase particles in an infiltrant
CN103279991A (zh) * 2013-04-16 2013-09-04 西南石油大学 一种利用离散裂缝端点变形数模提高油藏开发效果的方法
WO2013134427A2 (en) * 2012-03-06 2013-09-12 Ion Geophysical Corporation Model predicting fracturing of shale
CN104599321A (zh) * 2015-01-24 2015-05-06 合肥工业大学 基于X-ray CT图像的真实集料颗粒离散元模型构建方法
CN105044774A (zh) * 2015-08-26 2015-11-11 长安大学 一种地震作用下边坡稳定性预测方法
CN105224742A (zh) * 2015-09-29 2016-01-06 鞍钢集团矿业公司 一种分析爆破作用下台阶边坡稳定性的方法
CN106408651A (zh) * 2016-08-26 2017-02-15 东南大学 一种基于像素提取的三维数值颗粒成型方法
CN106960070A (zh) * 2016-12-28 2017-07-18 山东科技大学 一种基于有限元‑离散元ct重构煤体的渗流模拟方法
CN107169236A (zh) * 2017-06-15 2017-09-15 中国水利水电科学研究院 一种基于有限元与离散元耦合的虚拟三轴试验仿真方法
CN107644120A (zh) * 2017-08-16 2018-01-30 南京大学 一种用于岩土体三维离散元快速建模和模拟的通用数值模拟箱
CN107808030A (zh) * 2017-09-19 2018-03-16 中国石油大学(北京) 一种分层伸展的离散元模拟方法
CN108397184A (zh) * 2018-05-18 2018-08-14 西南石油大学 一种自支撑裂缝导流能力的数值计算方法
CN109387870A (zh) * 2017-08-14 2019-02-26 中国石油化工股份有限公司 碳酸盐岩表层缝洞储集体刻画方法

Patent Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2001243980A1 (en) * 2000-03-13 2001-12-06 Spicer Corporation Limited-bandwidth electronic data communication system
US6760107B1 (en) * 2002-04-12 2004-07-06 Pointsource Technologies, Llc Detection of scattered light from particles
CN102415243A (zh) * 2011-10-04 2012-04-18 吉林大学 基于离散元法的玉米脱粒过程分析方法
CA2852007A1 (en) * 2011-10-12 2013-04-18 National Oilwell DHT, L.P. Dispersion of hardphase particles in an infiltrant
WO2013134427A2 (en) * 2012-03-06 2013-09-12 Ion Geophysical Corporation Model predicting fracturing of shale
CN102799713A (zh) * 2012-06-26 2012-11-28 武汉大学 堆石坝心墙水力劈裂的数值模拟方法
CN103279991A (zh) * 2013-04-16 2013-09-04 西南石油大学 一种利用离散裂缝端点变形数模提高油藏开发效果的方法
CN104599321A (zh) * 2015-01-24 2015-05-06 合肥工业大学 基于X-ray CT图像的真实集料颗粒离散元模型构建方法
CN105044774A (zh) * 2015-08-26 2015-11-11 长安大学 一种地震作用下边坡稳定性预测方法
CN105224742A (zh) * 2015-09-29 2016-01-06 鞍钢集团矿业公司 一种分析爆破作用下台阶边坡稳定性的方法
CN106408651A (zh) * 2016-08-26 2017-02-15 东南大学 一种基于像素提取的三维数值颗粒成型方法
CN106960070A (zh) * 2016-12-28 2017-07-18 山东科技大学 一种基于有限元‑离散元ct重构煤体的渗流模拟方法
CN107169236A (zh) * 2017-06-15 2017-09-15 中国水利水电科学研究院 一种基于有限元与离散元耦合的虚拟三轴试验仿真方法
CN109387870A (zh) * 2017-08-14 2019-02-26 中国石油化工股份有限公司 碳酸盐岩表层缝洞储集体刻画方法
CN107644120A (zh) * 2017-08-16 2018-01-30 南京大学 一种用于岩土体三维离散元快速建模和模拟的通用数值模拟箱
CN107808030A (zh) * 2017-09-19 2018-03-16 中国石油大学(北京) 一种分层伸展的离散元模拟方法
CN108397184A (zh) * 2018-05-18 2018-08-14 西南石油大学 一种自支撑裂缝导流能力的数值计算方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JOHN C.STEUBEN 等: ""Discrete element modeling of particle-based additive manufacturing processes"", 《COMPUTER METHODS IN APPLIED MECHANICS AND ENGINEERING》 *
贺晶晶 等: ""不同加载速率下玄武岩三点弯断裂性能及破坏形貌的试验研究"", 《实验力学》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110502825B (zh) 2023-04-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wu et al. Experimental and numerical study on the interaction between holes and fissures in rock-like materials under uniaxial compression
Fu et al. Discrete element modeling of crushable sands considering realistic particle shape effect
CN110473597B (zh) 砾岩力学性质评价分析方法及系统
CN106960070B (zh) 一种基于有限元-离散元ct重构煤体的渗流模拟方法
Qian et al. Simulating ballast shear strength from large-scale triaxial tests: Discrete element method
CN107169236B (zh) 一种基于有限元与离散元耦合的虚拟三轴试验仿真方法
Hu et al. 3D modelling of soil-rock mixtures considering the morphology and fracture characteristics of breakable blocks
Kuang et al. Experimental and numerical study on the fragmentation mechanism of a single calcareous sand particle under normal compression
CN108613869B (zh) 结构面抗剪强度试验全过程视踪试验方法
CN114818427A (zh) 一种基于真实颗粒形状的离散元可破碎颗粒模型建模方法
CN111123374A (zh) 一种基于匹配滤波的探地雷达全波形反演方法
Li et al. The 3D reconstruction of a digital model for irregular gangue blocks and its application in PFC numerical simulation
Shi et al. Micromorphological characterization and random reconstruction of 3D particles based on spherical harmonic analysis
CN110502825A (zh) 一种提取三维破裂面的方法
LU507010B1 (en) Method for accurately calculating volumetric strain of flexible membrane in triaxial test simulated by discrete element method
Zhang et al. Preserved structure modeling of soil-rock mixtures and physical cover generation based on finite element meshes
Liu et al. High-precision computational modeling of soil-rock mixtures considering realistic shape of rock blocks
Chen et al. Influences of true 3D twin flaws on principal stress status and crack occurrence of brittle rock-like samples under uniaxial compression: Insights from experimental and DEM studies
CN111159794A (zh) 多裂隙类岩石试样力学性质的几何损伤流变分析方法
Das et al. Modeling granular particle shape using discrete element method
CN104121864B (zh) 一种岩石错动裂缝面的间隙评价方法
Tu et al. A new numerical method for constructing the three-dimensional microstructure of S-RM using digital image processing technology
CN115754007A (zh) 一种基于声发射技术和层析成像技术的损伤检测方法
CN113268874B (zh) 一种基于lbm-dda耦合的堆积体渗流侵蚀破坏模拟计算方法
Zeng et al. Three‐dimensional model reconstruction and numerical simulation of the jointed rock specimen under conventional triaxial compression

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant