CN111665172B - 结构界面处砂颗粒细观结构运动状态分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结构界面处砂颗粒细观结构运动状态分析方法，包括根据拍摄的结构界面处砂颗粒受荷运动过程图像，计算砂颗粒的运动学参数，计算相邻砂颗粒接触点位置；根据相邻砂颗粒接触点位置和预设判断规则，判断相邻砂颗粒接触点摩擦类型；构建砂颗粒的运动学参数、相邻砂颗粒接触点摩擦类型结果图；根据砂颗粒的运动学参数，获取符合预设三角规则的砂颗粒三角结构，构建砂颗粒三角结构状态趋势图。本发明实现了结构界面处砂颗粒细观结构运动状态分析方法，同时本发明计算速度快、结果图形展示清晰丰富、应用范围广，能为分析结构界面处与土体相互作用特性提供有效的理论依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种结构界面处砂颗粒细观结构运动状态分析方法，属于结构与土相互作用界面细观结构状态特性分析领域。
背景技术
颗粒介质是由大量固体颗粒相互作用组成的复杂体系，砂土、堆石体等都是典型的颗粒介质体系，其宏观力学性质与其构成的颗粒及其内部细观结构有着非常紧密的联系，因此从颗粒细观角度去探明并解释颗粒体系宏观力学性质，以求在细观与宏观之间建立起关联非常重要。
为了从本质上认识与土体相互作用的结构物的承载特性，深入研究结构与砂土接触界面的砂颗粒的细观运动情况，获得其细观结构特征量，研究其变化规律，并据此建立起颗粒细观与抗滑结构宏观力学行为特点的一一对应关系很有必要。在结构与土体相互作用过程中，对结构界面处对土体固定区域拍摄一系列照片，采用现有PIV(粒子图像测速技术)分析技术能够得到土体的整体位移场数据，但是无法跟踪各个单个砂颗粒的运动状态、分析砂颗粒之间的相互作用、以及多个砂颗粒之间构成的细观结构的变化状态。因此我们需要建立适合分析结构界面处砂颗粒细观结构运动状态的方法。
发明内容
本发明提供了一种结构界面处砂颗粒细观结构运动状态分析方法，解决了背景技术中披露的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
结构界面处砂颗粒细观结构运动状态分析方法，包括，
根据拍摄的结构界面处砂颗粒受荷运动过程图像，计算砂颗粒的运动学参数，计算相邻砂颗粒接触点位置；
根据相邻砂颗粒接触点位置和预设判断规则，判断相邻砂颗粒接触点摩擦类型；
构建砂颗粒的运动学参数、相邻砂颗粒接触点摩擦类型结果图；
根据砂颗粒的运动学参数，获取符合预设三角规则的砂颗粒三角结构，构建砂颗粒三角结构状态趋势图。
砂颗粒的运动学参数包括砂颗粒质心速度、砂颗粒角速度和砂颗粒转角方向。
计算砂颗粒质心速度公式为，
其中，
为单个砂颗粒的质心速度矢量，n为单个砂颗粒内速度矢量的个数，vi为砂颗粒内的第i个速度矢量。
计算砂颗粒角速度公式为，
其中，θ为砂颗粒角速度，
为单个砂颗粒的质心速度矢量，v为单个砂颗粒内任意的速度矢量，
为计算所取的速度矢量所在位置与砂颗粒质心的距离。
计算砂颗粒转角方向的过程为，
将砂颗粒内最大/任意速度矢量v减去质心速度矢量，得到差值向量；
将差值向量向v所在位置l与质心连线的垂直方向分解，得到判断向量；
响应于l的y轴坐标大于砂颗粒质心的y轴坐标，若判断向量的水平分量为正，则砂颗粒顺时针旋转，否则砂颗粒逆时针旋转；
响应于l的y轴坐标小于砂颗粒质心的y轴坐标，若判断向量的水平分量为正，则砂颗粒逆时针旋转，否则砂颗粒顺时针旋转；
响应于l的y轴坐标等于砂颗粒质心的y轴坐标、并且l的x轴坐标大于砂颗粒质心的x轴坐标，若判断向量的垂直分量为正，则砂颗粒逆时针旋转，否则砂颗粒顺时针旋转；
响应于l的y轴坐标等于砂颗粒质心的y轴坐标、并且l的x轴坐标小于砂颗粒质心的x轴坐标，若判断向量的垂直分量为正，则砂颗粒顺时针旋转，否则砂颗粒逆时针旋转。
计算相邻砂颗粒接触点位置的过程为，
以砂颗粒群的最外围边缘相邻砂颗粒质心的连线作为包络线，以包络线内所有砂颗粒质心为顶点生成三角形，获得所有三角形每条边的两顶点坐标；
根据两顶点坐标计算两顶点间直线方程，获取三角形各边上的点；其中，点的横坐标取整近似；
用三角形各边上的点减去自身与二值图像中砂颗粒连通域的交集，得到砂颗粒连通域间隙中的直线段的点，获得砂颗粒连通域间隙中的直线段；
删除长度超过长度阈值的直线段，删除因颗粒轮廓分割而分成两段以上但在同一直线的上直线段，分别对剩下的每条直线段上点的坐标取平均值并取整，获得每条直线段的中点位置，这些中点为相邻砂颗粒接触点位置。
判断相邻砂颗粒接触点摩擦类型的过程为，
响应于相邻两砂颗粒均无角速度，若相邻两砂颗粒速度绝对值的差值小于或等于阈值D时，则判定接触点无摩擦或静摩擦，若相邻两砂颗粒速度绝对值的差值大于阈值D，则判定接触点是滑动摩擦；其中，若砂颗粒转角计算值大于阈值W时，则判定砂颗粒有角速度；
响应于相邻两砂颗粒中一个有角速度，计算有角速度的砂颗粒绕接触点转动的质心线速度，若该质心线速度与该砂颗粒质心速度绝对值的差值小于或等于阈值T，则判定接触点是滚动摩擦，若差值大于阈值T，则判定接触点是滑动摩擦；
若相邻两砂颗粒有相反方向的角速度、且角速度差值小于或等于阈值W，则判定接触点是滚动摩擦，若相邻两砂颗粒有相反方向的角速度、且角速度差值大于阈值W，则判定接触点是滑动摩擦；
若相邻两砂颗粒有相同方向的角速度，则判定接触点为滑动摩擦。
阈值T的公式为，
其中，θ为砂颗粒角速度，d为有角速度的砂颗粒质心到接触点的距离。
根据砂颗粒的运动学参数，获取符合预设三角规则的砂颗粒三角结构，构建砂颗粒三角结构状态趋势图，具体过程为，
获取至少有两个接触点的砂颗粒三角结构；
根据预设状态规则，判定砂颗粒三角结构的状态趋势；
获取各种状态趋势的砂颗粒三角结构数量，统计各种状态趋势的百分比，构建砂颗粒三角结构状态趋势图。。
根据预设状态规则，判定砂颗粒三角结构的状态趋势的过程为，
计算砂颗粒移动前后，对应砂颗粒三角结构周长的变化量；
响应于周长变化量为增加量、且大于阈值Pixel，则判定该砂颗粒三角结构为趋向于不稳定状态的结构；
响应于周长变化量为减少量、且减少量大于阈值Pixel，则判定该砂颗粒三角结构为趋向稳定状态的结构；
响应于周长变化量不为0、且变化量小于或等于阈值Pixel，则判定该砂颗粒三角结构为基本不变状态的结构。
本发明所达到的有益效果：本发明实现了结构界面处砂颗粒细观结构运动状态分析方法，通过结构界面处砂颗粒受荷运动过程图像，构建砂颗粒三角结构状态趋势图，得到对在结构受荷影响下，砂颗粒运动特点和细观结构演化过程，同时本发明计算速度快、结果图形展示清晰丰富、应用范围广，能为分析结构界面处与土体相互作用特性提供有效的理论依据。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为砂颗粒的运动学参数、相邻砂颗粒接触点摩擦类型结果图；
图3为砂颗粒三角结构状态趋势图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，结构界面处砂颗粒细观结构运动状态分析方法，包括以下步骤：
步骤1，获取并处理结构界面处砂颗粒受荷运动过程图像。
(1-1)获取拍摄的结构界面处砂颗粒受荷运动过程中连续的N帧图像，图像清晰度需满足单个砂颗粒的像素密度不小于3000pixel/mm2，通过MATLAB的PIVlab软件进行分析，获得相应的粒子图像测速数据，即速度场矩阵V。
(1-2)通过Photoshop等图像处理软件标注步骤(1-1)中拍摄的第一帧到第N-1帧图像，将每个砂颗粒的轮廓勾勒出来，确保每个砂颗粒轮廓之间不相互黏连，获得砂颗粒的二值图像P。
(1-3)通过MATLAB对步骤(1-2)中获得的二值图像P使用半径为2或3个像素的圆盘核心进行腐蚀处理，缩小砂颗粒连通域的面积，得到新的二值图像P2。
(1-4)将步骤(1-3)中的二值图像P2进行等距采样，压缩至与速度场矩阵V同样维度大小，得到新的二值图像P3，记所使用的采样间隔为interval。
(1-5)依次标记步骤(1-4)中的二值图像P3的连通域，计算每个连通域的质心坐标，将坐标取整后即为各砂颗粒的质心行、列坐标。
步骤2，计算砂颗粒的运动学参数，包括砂颗粒质心速度、砂颗粒角速度和砂颗粒转角方向。
21)计算砂颗粒质心速度。
(21-1)使用标准差为1、处理数据的窗口大小为7*7的高斯低通滤波器，对步骤(1-1)中的速度场矩阵V进行平滑处理，再将速度场矩阵V中的每个元素与二值图像P3对应位置元素相乘，最后将所得矩阵中每个元素除以步骤(1-4)中的采样间隔interval，得到只包含所有砂颗粒内部速度矢量的速度场矩阵V1。
(21-2)对速度场矩阵V1中每个颗粒内部的速度矢量依次按行、列使用高斯加权移动平均滤波器(滤波器窗口长度为10个数据)进行平滑处理，再分别计算每个砂颗粒的质心速度矢量，计算表达式如下：
其中，
为单个砂颗粒的质心速度矢量，n为单个砂颗粒内速度矢量的个数，vi为砂颗粒内的第i个速度矢量。
22)计算砂颗粒角速度。
具体公式如下：
其中，θ为砂颗粒角速度，
为单个砂颗粒的质心速度矢量，v为单个砂颗粒内任意的速度矢量，
为计算所取的速度矢量所在位置与砂颗粒质心的距离。
23)计算砂颗粒转角方向。
(23-1)将砂颗粒内最大/任意速度矢量v减去质心速度矢量，得到差值向量h。
(23-2)将差值向量向v所在位置l与质心连线的垂直方向分解，得到判断向量h2。
(23-3)响应于l的y轴坐标大于砂颗粒质心的y轴坐标，若判断向量h2的水平分量为正，则砂颗粒顺时针旋转，否则砂颗粒逆时针旋转；
响应于l的y轴坐标小于砂颗粒质心的y轴坐标，若判断向量h2的水平分量为正，则砂颗粒逆时针旋转，否则砂颗粒顺时针旋转；
响应于l的y轴坐标等于砂颗粒质心的y轴坐标、并且l的x轴坐标大于砂颗粒质心的x轴坐标，若判断向量h2的垂直分量为正，则砂颗粒逆时针旋转，否则砂颗粒顺时针旋转；
响应于l的y轴坐标等于砂颗粒质心的y轴坐标、并且l的x轴坐标小于砂颗粒质心的x轴坐标，若判断向量h2的垂直分量为正，则砂颗粒顺时针旋转，否则砂颗粒逆时针旋转。
步骤3，计算相邻砂颗粒接触点位置。
(3-1)以砂颗粒群的最外围边缘相邻砂颗粒质心的连线作为包络线，以包络线内所有砂颗粒质心为顶点生成德劳内三角形，获得所有德劳内三角形每条边的两顶点坐标。
(3-2)用步骤(3-1)中的两顶点坐标计算两顶点间直线方程，依次代入整数横坐标，获取直线段上点的取整近似横纵坐标，即三角形各边上的点。
(3-3)用步骤(3-2)中的三角形各边上的点减去它们自身与二值图像P3中砂颗粒连通域的交集，得到砂颗粒连通域间隙中的直线段的点，这些点依次连接获得砂颗粒连通域间隙中的直线段。
(3-4)删除步骤(3-3)中长度超过长度阈值(根据实际拍摄像素取相应的长度阈值，一般为3至4单位)的直线段，这表明该直线段所连接的两砂颗粒没有基础；删除因颗粒轮廓分割而分成两段以上但在同一直线的上直线段，这表明该直线段没有经过砂颗粒接触面；分别对剩下的每条直线段上点的坐标取平均值并取整，获得每条直线段的中点位置，这些中点为相邻砂颗粒接触点位置。
步骤4，根据相邻砂颗粒接触点位置和预设判断规则，判断相邻砂颗粒接触点摩擦类型。
具体过程为：
(4-1)响应于相邻两砂颗粒均无角速度，若相邻两砂颗粒速度绝对值的差值小于或等于阈值D时，则判定接触点无摩擦或静摩擦，若相邻两砂颗粒速度绝对值的差值大于阈值D，则判定接触点是滑动摩擦；其中，若砂颗粒转角计算值大于阈值W时，则判定砂颗粒有角速度；
(4-2)响应于相邻两砂颗粒中一个有角速度，计算有角速度的砂颗粒绕接触点转动的质心线速度，若该质心线速度与该砂颗粒质心速度绝对值的差值小于或等于阈值T，则判定接触点是滚动摩擦，若差值大于阈值T，则判定接触点是滑动摩擦；
(4-3)若相邻两砂颗粒有相反方向的角速度、且角速度差值小于或等于阈值W，则判定接触点是滚动摩擦，若相邻两砂颗粒有相反方向的角速度、且角速度差值大于阈值W，则判定接触点是滑动摩擦；
(4-4)若相邻两砂颗粒有相同方向的角速度，则判定接触点为滑动摩擦。
上述过程中，取所有砂颗粒的最大转角的20分之一为阈值W，取所有砂颗粒最大速度的20分之一为阈值D；阈值T的公式为：
其中，θ为砂颗粒角速度，d为有角速度的砂颗粒质心到接触点的距离。
步骤5，分别统计摩擦类型为无摩擦或静摩擦、滑动摩擦、滚动摩擦的相邻砂颗粒接触点的数量，用三种摩擦类型的接触点数量分别除以接触点的总数量，得到三种摩擦类型的接触点的百分比，构建砂颗粒的运动学参数、相邻砂颗粒接触点摩擦类型结果图。
如图2所示，在步骤(1-1)中的第一帧图像上；用箭头的方向和大小分别表示砂颗粒质心速度(位移)的方向和大小；用砂颗粒质心为原点的小半径扇形圆弧内角大小和旋转方向分别表示砂颗粒角速度的大小和旋转方向；在所有相邻砂颗粒接触点处分別绘制正方形、圆形和菱形，分別代表三种不同的接触点摩擦类型。
步骤6，根据砂颗粒的运动学参数，获取符合预设三角规则的砂颗粒三角结构，构建砂颗粒三角结构状态趋势图。
具体过程如下：
(6-1)获取至少有两个接触点的砂颗粒三角结构。
当组成三角结构中的三个砂颗粒之间至少有两个位接触点时，该三角结构具有研究价值，继续计算其三角结构状态趋势，否则不再对其进行任何计算。
(6-2)根据预设状态规则，判定砂颗粒三角结构的状态趋势。
A1)对每个砂颗粒质心坐标叠加质心的速度矢量(位移)，得到砂颗粒移动后的位置坐标，计算砂颗粒移动前后，对应砂颗粒三角结构周长的变化量，并取周长变化量曲线图中呈线性分布的数据绝对值最大值为阈值Pixel。
A2)响应于周长变化量为增加量、且大于阈值Pixel，则判定该砂颗粒三角结构为趋向于不稳定状态的结构。
A3)响应于周长变化量为减少量、且减少量大于阈值Pixel，则判定该砂颗粒三角结构为趋向稳定状态的结构。
A4)响应于周长变化量不为0(即周长发生变化)、且变化量小于或等于阈值Pixel，则判定该砂颗粒三角结构为基本不变状态的结构。
(6-3)获取各种状态趋势的砂颗粒三角结构数量，统计各种状态趋势的百分比；该百分比用于在结果图的下面标明数据，这是要获得的结果之一。
(6-4)构建砂颗粒三角结构状态趋势图。
如图3所示，在步骤(1-1)中的第一帧图像上，以砂颗粒质心为三角形顶点，绘制能组成砂颗粒三角结构的三角形，并对这些三角形分别填充不同的颜色，分别代表三种不同的三角结构稳定趋势。
上述方法利用PIV分析得到的位移场数据，以及分割出来的砂颗粒形状图片，使用刚体运动力学求解出各个单个砂颗粒的速度矢量、角速度和转角方向，并利用德劳内三角形来近似颗粒之间形成的接触关系，判断出相邻砂颗粒之间的接触点位置，再根据静摩擦(或无摩擦)、滑动摩擦、滚动摩擦的运动力学特点，判断相邻两砂颗粒接触点处的摩擦类型并绘制图形展示，最后利用由砂颗粒构成的细观三角结构在运动前后的位置变化，计算三角结构的不同稳定性的比例变化趋势并绘制图形展示。
本发明实现了结构界面处砂颗粒细观结构运动状态分析方法，通过结构界面处砂颗粒受荷运动过程图像，构建砂颗粒三角结构状态趋势图，得到对在结构受荷影响下，砂颗粒运动特点和细观结构演化过程，同时本发明计算速度快、结果图形展示清晰丰富、应用范围广，能为分析结构界面处与土体相互作用特性提供有效的理论依据。
以上所述仅是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，在不脱离发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为发明的保护范围。
Claims (10)
1.结构界面处砂颗粒细观结构运动状态分析方法，其特征在于：包括，
根据拍摄的结构界面处砂颗粒受荷运动过程图像，计算砂颗粒的运动学参数，计算相邻砂颗粒接触点位置；
根据相邻砂颗粒接触点位置和预设判断规则，判断相邻砂颗粒接触点摩擦类型；
构建砂颗粒的运动学参数、相邻砂颗粒接触点摩擦类型结果图；
根据砂颗粒的运动学参数，获取符合预设三角规则的砂颗粒三角结构，构建砂颗粒三角结构状态趋势图。
2.根据权利要求1所述的结构界面处砂颗粒细观结构运动状态分析方法，其特征在于：砂颗粒的运动学参数包括砂颗粒质心速度、砂颗粒角速度和砂颗粒转角方向。
3.根据权利要求2所述的结构界面处砂颗粒细观结构运动状态分析方法，其特征在于：计算砂颗粒质心速度公式为，
其中，
为单个砂颗粒的质心速度矢量，n为单个砂颗粒内速度矢量的个数，vi为砂颗粒内的第i个速度矢量。
4.根据权利要求2所述的结构界面处砂颗粒细观结构运动状态分析方法，其特征在于：计算砂颗粒角速度公式为，
其中，θ为砂颗粒角速度，
为单个砂颗粒的质心速度矢量，v为单个砂颗粒内任意的速度矢量，
为计算所取的速度矢量所在位置与砂颗粒质心的距离。
5.根据权利要求2所述的结构界面处砂颗粒细观结构运动状态分析方法，其特征在于：计算砂颗粒转角方向的过程为，
将砂颗粒内最大/任意速度矢量v减去质心速度矢量，得到差值向量；
将差值向量向v所在位置l与质心连线的垂直方向分解，得到判断向量；
响应于l的y轴坐标大于砂颗粒质心的y轴坐标，若判断向量的水平分量为正，则砂颗粒顺时针旋转，否则砂颗粒逆时针旋转；
响应于l的y轴坐标小于砂颗粒质心的y轴坐标，若判断向量的水平分量为正，则砂颗粒逆时针旋转，否则砂颗粒顺时针旋转；
响应于l的y轴坐标等于砂颗粒质心的y轴坐标、并且l的x轴坐标大于砂颗粒质心的x轴坐标，若判断向量的垂直分量为正，则砂颗粒逆时针旋转，否则砂颗粒顺时针旋转；
响应于l的y轴坐标等于砂颗粒质心的y轴坐标、并且l的x轴坐标小于砂颗粒质心的x轴坐标，若判断向量的垂直分量为正，则砂颗粒顺时针旋转，否则砂颗粒逆时针旋转。
6.根据权利要求1所述的结构界面处砂颗粒细观结构运动状态分析方法，其特征在于：计算相邻砂颗粒接触点位置的过程为，
以砂颗粒群的最外围边缘相邻砂颗粒质心的连线作为包络线，以包络线内所有砂颗粒质心为顶点生成三角形，获得所有三角形每条边的两顶点坐标；
根据两顶点坐标计算两顶点间直线方程，获取三角形各边上的点；其中，点的横坐标取整近似；
用三角形各边上的点减去自身与二值图像中砂颗粒连通域的交集，得到砂颗粒连通域间隙中的直线段的点，获得砂颗粒连通域间隙中的直线段；
删除长度超过长度阈值的直线段，删除因颗粒轮廓分割而分成两段以上但在同一直线的上直线段，分别对剩下的每条直线段上点的坐标取平均值并取整，获得每条直线段的中点位置，这些中点为相邻砂颗粒接触点位置。
7.根据权利要求1所述的结构界面处砂颗粒细观结构运动状态分析方法，其特征在于：判断相邻砂颗粒接触点摩擦类型的过程为，
响应于相邻两砂颗粒均无角速度，若相邻两砂颗粒速度绝对值的差值小于或等于阈值D时，则判定接触点无摩擦或静摩擦，若相邻两砂颗粒速度绝对值的差值大于阈值D，则判定接触点是滑动摩擦；其中，若砂颗粒转角计算值大于阈值W时，则判定砂颗粒有角速度；
响应于相邻两砂颗粒中一个有角速度，计算有角速度的砂颗粒绕接触点转动的质心线速度，若该质心线速度与该砂颗粒质心速度绝对值的差值小于或等于阈值T，则判定接触点是滚动摩擦，若差值大于阈值T，则判定接触点是滑动摩擦；
若相邻两砂颗粒有相反方向的角速度、且角速度差值小于或等于阈值W，则判定接触点是滚动摩擦，若相邻两砂颗粒有相反方向的角速度、且角速度差值大于阈值W，则判定接触点是滑动摩擦；
若相邻两砂颗粒有相同方向的角速度，则判定接触点为滑动摩擦。
8.根据权利要求7所述的结构界面处砂颗粒细观结构运动状态分析方法，其特征在于：阈值T的公式为，
其中，θ为砂颗粒角速度，d为有角速度的砂颗粒质心到接触点的距离。
9.根据权利要求1所述的结构界面处砂颗粒细观结构运动状态分析方法，其特征在于：根据砂颗粒的运动学参数，获取符合预设三角规则的砂颗粒三角结构，构建砂颗粒三角结构状态趋势图，具体过程为，
获取至少有两个接触点的砂颗粒三角结构；
根据预设状态规则，判定砂颗粒三角结构的状态趋势；
获取各种状态趋势的砂颗粒三角结构数量，统计各种状态趋势的百分比，构建砂颗粒三角结构状态趋势图。
10.根据权利要求9所述的结构界面处砂颗粒细观结构运动状态分析方法，其特征在于：根据预设状态规则，判定砂颗粒三角结构的状态趋势的过程为，
计算砂颗粒移动前后，对应砂颗粒三角结构周长的变化量；
响应于周长变化量为增加量、且大于阈值Pixel，则判定该砂颗粒三角结构为趋向于不稳定状态的结构；
响应于周长变化量为减少量、且减少量大于阈值Pixel，则判定该砂颗粒三角结构为趋向稳定状态的结构；
响应于周长变化量不为0、且变化量小于或等于阈值Pixel，则判定该砂颗粒三角结构为基本不变状态的结构。
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