CN112595634A - 一种三维颗粒材料的内部变形分析实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维颗粒材料的内部变形分析实验装置及方法，解决了现有技术中难以实现三维颗粒体系细观参数分析的问题，具有有利于揭示颗粒体系微观响应的定量影响规律的有益效果，具体方案如下：一种三维颗粒材料的内部变形分析实验装置，包括若干颗粒，为透明固体；浸润液体，颗粒折射率与浸润液体的折射率相同；容器，用于盛放颗粒和浸润液体；激光器，设于容器的外侧，激光器发射的激光照射浸润液体时，浸润液体会发出荧光；记录设备，设于容器的外侧，用于采集获取颗粒序列图像；计算终端，记录设备将获取的颗粒序列图像发送给计算终端，计算终端通过颗粒序列图像建立三维颗粒体系。

Description

一种三维颗粒材料的内部变形分析实验装置及方法

技术领域

本发明涉及颗粒材料内部三维变形分析领域，尤其是一种三维颗粒材料的内部变形分析实验装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

从力学角度看，散体体系表现出远比普通液体和弹性固体等一般材料体系更为复杂的力学行为。大量颗粒组成的离散态颗粒体系呈现了剪切带、临界自组织、弛豫、类固体-类流体转变和流变等不同于固、液、气体的奇特力学现象和运动规律，而基于连续体假定的现有理论无法很好的予以解释。事实上，我们对颗粒体系基本规律远没有认识清楚，正如诺贝尔奖获得者法国Gennes教授在1999年曾指出的“我们对于颗粒这种耗散的非平衡态体系的每一件事都尚待理解，整体认知水平就如同上世纪三十年代我们对固体物理的理解”。究其原因，这与颗粒体系本身所具有的这些独特力学性质直接相关。

随着计算机及图像处理技术的发展，可视化光学测试方法得到极大发展。人们将现有的最先进手段应用于颗粒体系非均匀结构研究，并发现颗粒体系结构不均匀的确凿证据。此时，数字图像相关方法(Digital Image Correlation,DIC)走进了颗粒物质力学研究领域。Chauve等基于DIC首次研究了第三纪蠕变开始时多晶冰中颗粒内裂纹周围局部非均匀应变场的演化。Hurley等对颗粒单元方法(Granular Element Method,GEM)进行改进，结合DIC描述了任意形状、纹理和不透明颗粒内部力的传递。随后，Chen等、Marteau等开展实验，将DIC与GEM方法结合，计算得到了二维不透明颗粒体系内部接触力和颗粒运动学参数，对识别出的力链网络及其演变进行了分析。张兴义等结合DIC与GEM，给出了CICC导体在横向压力作用下的横截面股线接触力的分布特征，并对接触力链大小和方向进行了统计分析。

随着科技的发展，一些高科技非接触手段也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、核磁共振等，但这些方法对环境及设备要求高，扫描时间长，尤其不能实现原位加载，给后续数据处理和分析带来诸多不便，使用并不广泛。

总体来说，散体颗粒材料基础研究的发展和实验技术的进步紧密相关，虽然已经在力链识别以及颗粒大小、形状、弹性模量、泊松比等参数对力链网络的影响方面取得了一定的成果，但发明人发现，现有研究主要在二维颗粒体系方面，处于起步阶段。而现实中的颗粒材料都是三维的，需要开展三维颗粒体系细观尺度研究，现阶段缺少简便的实现三维颗粒体系接触力定量计算与力链识别的实验方法；难以实现真实三维颗粒体系的细观参数的分析；这些研究内容的开展对颗粒体系力链演变及稳定性探讨极为重要。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种三维颗粒材料的内部变形分析实验装置，通过搭建成像光学实验系统，对荧光颗粒体系进行激光层析扫描照射，通过记录设备获得颗粒体系内部的序列图像，有利于揭示颗粒体系微观响应的定量影响规律。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种三维颗粒材料的内部变形分析实验装置，包括：

若干颗粒，为透明固体；

浸润液体，颗粒折射率与浸润液体的折射率相同；

容器，用于盛放颗粒和浸润液体；

激光器，设于容器的外侧，激光器发射的激光照射浸润液体时，浸润液体会发出荧光；

记录设备，设于容器的外侧，用于采集获取颗粒序列图像；

计算终端，记录设备将获取的颗粒序列图像发送给计算终端，计算终端分析颗粒序列图像建立三维颗粒体系，并获取三维颗粒体系内部的三维变形参数。

上述实验装置搭建了成像光学实验装置，颗粒模拟散体，容器盛放颗粒和浸润液体，激光器发射激光，记录设备可进行颗粒序列图像的获取，通过计算终端进行相关分析，获得三维颗粒体系在设定状态下的颗粒位置、变形和轨迹信息。

如上所述的一种三维颗粒材料的内部变形分析实验装置，所述容器包括容器壁，容器壁内设置可相对于容器壁上下移动的可移动顶板，通过可移动顶板的设置，方便在容器壁内设置浸润液体和颗粒，同时便于通过可移动顶板向浸润液体和颗粒施加荷载。

如上所述的一种三维颗粒材料的内部变形分析实验装置，所述可移动顶板安装有位移传感器和力传感器，用于测量垂直应力和位移的大小，位移传感器和力传感器分别与控制器连接，控制器设置显示屏，用于显示位移传感器和力传感器所检测到的数值，便于实验。

如上所述的一种三维颗粒材料的内部变形分析实验装置，所述可移动顶板与施力机构连接，施力机构与控制器连接，施力机构可为直线移动单元，如电缸或其他机构，施力机构与可移动顶板连接，实现荷载的施加。

如上所述的一种三维颗粒材料的内部变形分析实验装置，所述记录设备为CCD相机，相机的摄像头安装滤光片，滤光片允许波长比所述激光器发射的激光波长长的光线通过；

CCD相机图像平面与所述激光器发射的激光平行。

如上所述的一种三维颗粒材料的内部变形分析实验装置，所述激光器安装于同所述控制器连接的直线驱动机构，通过直线驱动机构带动激光器从一侧到另一侧的移动，方便实验装置的实验进行。

第二方面，本发明还提供了一种三维颗粒材料的内部变形分析方法，采用所述的实验装置。

如上所述的一种三维颗粒材料的内部变形分析方法，包括如下内容：

在容器中盛放颗粒和浸润液体；

打开激光器，向容器发射激光，并向容器内颗粒和液体的混合液施加设定荷载，在不同荷载状态下通过记录设备采集颗粒体系多层的序列图像；

通过不同荷载状态下的序列图像获得不同荷载状态下的三维颗粒体系，对重构的三维颗粒体系进行数字体图像相关方法运算，获得颗粒体系内部位移、应变、应力等信息，实现颗粒体系内部的三维变形分析。

上述分析方法中，对每一个加载状态采集的序列图像通过折射率匹配扫描分析，获得不同状态下的三维颗粒体系，对其进行数字体图像相关运算，得到颗粒体系在加载过程中的位移、应力、应变，获得颗粒间接触力大小，分析加载过程中颗粒体系的力学特性。

如上所述的一种三维颗粒材料的内部变形分析方法，所述打开激光器，向容器发射激光，通过记录设备采集颗粒体系多层的序列图像，具体包括如下内容：

沿着容器的长度方向，从一侧到另一侧，每隔设定距离移动一次激光器，并通过记录设备采集颗粒体系多层的序列图像，获得原始状态下三维颗粒体系：状态1；

向容器内颗粒和液体的混合液施加设定荷载，在每一次荷载施加过程中，沿着容器的长度方向，从一侧到另一侧，每隔设定距离移动一次激光器，并通过记录设备采集颗粒体系多层的序列图像，获得不同荷载状态下的三维颗粒体系：状态2、状态3……状态N。

上述本发明的有益效果如下：

1)本发明通过激光照射时液体会发出荧光，使得在激光照射平面与颗粒表面的交叉处发生光衍射，则颗粒边界会形成清晰的轮廓被记录设备采集，对颗粒散体实施原位加载时，使用图像平面与激光片平行的相机对颗粒体系进行图像采集，获得颗粒序列图像，计算终端可通过图像处理技术重构三维颗粒体系，以利于对三维颗粒体系的分析。

2)本发明通过容器的设置，不仅可容纳浸润液体和颗粒，还可实现激光的透过，并不会影响到记录设备对图像的获取，其通过可移动顶板可向容器内浸润液体和颗粒施加不同大小的荷载。

3)本发明通过直线驱动机构的设置，可带动激光器沿着容器的长度方向或宽度方向移动，有利于实验装置的自动化控制。

4)本发明通过分析方法的提供，通过计算终端重构三维颗粒体系，并可对不同荷载状态下三维颗粒体系进行相关分析，得到颗粒体系在加载过程中的位移、应力、应变，获得颗粒间接触力大小，分析加载过程中颗粒体系的力学特性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的一种三维颗粒材料的内部变形分析实验装置的示意图。

图2是本发明根据一个或多个实施方式的容器的示意图。

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。

其中：1计算机，2CCD相机，3激光器，4电动导轨，5容器,6力传感器,7可移动顶板。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在难以实现真实三维颗粒体系细观参数分析问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种三维颗粒材料的内部变形分析实验装置及方法。

实施例一

本发明的一种典型的实施方式中，参考图1所示，一种三维颗粒材料的内部变形分析实验装置，包括如下内容：若干颗粒，为透明固体；浸润液体，颗粒折射率与浸润液体的折射率相同；容器，用于盛放颗粒和浸润液体；激光器3，设于容器5的外侧，激光器发射的激光照射浸润液体时，浸润液体会发出荧光；记录设备，设于容器的外侧，用于采集获取颗粒序列图像；计算终端，记录设备将获取的颗粒序列图像发送给计算终端，计算终端重构三维颗粒体系。

容器5包括容器壁，容器壁内设置可相对于容器壁上下移动的可移动顶板，通过可移动顶板的设置，方便在容器壁内设置浸润液体和颗粒，同时便于通过可移动顶板向浸润液体和颗粒施加荷载。

可移动顶板7安装有位移传感器和力传感器6，用于测量垂直应力和位移的大小，位移传感器和力传感器分别与控制器连接，控制器具有显示屏，用于显示位移传感器和力传感器的检测数值。

进一步地，可移动顶板8与施力机构连接，施力机构与控制器连接，施力机构可为直线移动单元，如电缸或其他机构，施力机构与可移动顶板连接，实现荷载的施加。

记录设备为CCD相机2，相机的摄像头安装滤光片，滤光片允许波长比激光器发射的激光波长长的光线通过；CCD相机图像平面与激光器发射的激光平行。

进一步，激光器安装于同控制器连接的直线驱动机构，通过直线驱动机构带动激光器从一侧到另一侧的移动，方便实验装置的实验进行。

具体地，在一些示例中，直线驱动机构为电动导轨4，电动导轨4带动激光器的直线移动。

容易理解的是，控制器可为PLC控制器或其他类型的控制器，控制器用于控制直线驱动机构、施力机构的动作，并获取传感器的相关数据。

需要说明的是，计算终端为计算机1，计算机1可对每一加载状态下获取的颗粒序列图像进行折射率匹配扫描分析，获得不同状态下的三维颗粒体系，且计算机内部设置数字体图像相关方法软件，进一步对三维颗粒体系进行数字体图像相关运算，获得颗粒体系内部位移、应变、应力等信息，实现了颗粒体系内部的三维变形分析。

实施例二

一种三维颗粒材料的内部变形分析方法，采用实施例一所述的一种三维颗粒材料的内部变形分析实验装置。

1)选择设定的颗粒；

为了实现基于折射率的荧光扫描，选用的颗粒材料和浸润液体要具有特殊性。首先颗粒材料必须是透明的，并且折射率要与浸润液体相同，混合物的固液相折射率差需要小于±2×10^-3，利用有机玻璃制作加工散体颗粒，散体颗粒重力约为0.01g，其中g是重力加速度。

在一些示例中，选择直径7mm的透明固体球，数量大约20-30个，固体球由聚甲基丙烯酸甲酯制成。

2)选择合适的浸润液体；

浸润液体为荧光染料液体，其吸收光谱的峰值应与所用激光剂的波长相匹配。染料的发射光谱窄于分散度，并应覆盖数码相机中使用的感光元件的吸收光谱，一些具体示例中，选择具有折射指数如1.45的荧光液体。

且液体为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的溶液。

3)在容器中盛放颗粒和浸润液体；

将颗粒和液体放入丙烯酸材料制成的透明立方形容器中，颗粒被溶液包围，颗粒与溶液折射率相同，减少了液体-颗粒-液体界面处的光折射，改善光学通道。颗粒直径5mm,重力约为0.01g，其中，g＝9.81m/s²为标准重力加速度。通过立方形容器的可移动顶板可对颗粒体系进行压缩实验，实验过程中，利用CCD相机2采集获取颗粒序列图像。

具体地，在本实施例中，容器5是利用透明的树脂玻璃制作而成的长方体，边长25mm×25mm×15mm，其中容器顶板是可上下移动的，顶板上安装了位移传感器和力传感器，用于测量垂直应力和位移的大小；顶板移动速度为1mm/s；

采用的相机为AVT Basler fm-14电荷耦合器件(CCD)相机获得的，相机分辨率为1200×1600像素，激光器均置于直线移动机构上，CCD相机的图像平面与激光器发出的光平行，CCD相机安装了滤光片，滤光片允许波长比所述激光器发射的激光波长长的光线通过，防止偶尔检测到的散射激光的干扰；

4)进行实验，利用CCD相机采集颗粒体系多层的序列图像，用于记录这一状态下颗粒体系的整体状态，当颗粒浸润到浸润液体中时，相机会看到一个一个的黑色颗粒，但打开激光器，激光照射时浸润液体会发出荧光，颗粒本身呈现黑色，液体透光为明亮色，在激光照射平面与颗粒表面的交叉处发生光衍射，则颗粒边界会形成清晰的轮廓，移动激光并同时使用图像平面与激光片平行的高分辨率CCD相机对颗粒体系进行体积扫描，采集序列图像；按照实验方案给颗粒施加每个荷载之后，都需要暂停几秒；

4-1)实验前，要先调节实验系统，打开激光器，调整相机位置；

4-2)打开激光器，确保激光器位于颗粒体系最左边，CCD相机采集此位置处层析图像1_0.bmp并保存；

4-3)按照指定步幅向右移动激光器0.5mm，CCD相机再次采集层析图像1_1.bmp并保存；

4-4)依次向右移动激光器0.5mm，CCD采集颗粒获得序列层析图像，并保存为1_2.bmp，1_3.bmp，……,直至完成对整个颗粒体系从左至右的层析扫描，保存了这一荷载状态下颗粒体系从左至右的一序列层析图像，这一序列扫描需要几分钟。

4-5)通过可移动顶板施加准静态荷载，加载顶板向下移动1mm，先保持几秒钟的停顿，以允许系统放松，开始本次荷载下序列图像的采集，重复上述步骤4-2)-4-4)，保存图片依次为2_0.bmp，2_1.bmp，2_2.bmp，2_3.bmp，……,直至将整个颗粒体系扫描完毕为止；

4-6)重复步骤4-5)，直至加载完毕；

5)通过重构三维颗粒体系，实现颗粒体系内部的三维变形分析；

对每一组层析扫描图像进行折射率匹配扫描进行分析，获得不同状态下的三维颗粒体系，对三维颗粒体系进行数字体图像相关运算，获得体系内部位移、应变、应力等信息，实现了颗粒体系内部的三维变形分析，实现颗粒体系细观参数时空演变规律分析。

5-1)对原始状态下得到的序列图像：1_0.bmp，1_1.bmp，1_2.bmp，……，利用折射率匹配扫描进行分析，获得原始状态下三维颗粒体系：状态1；

5-2)对不同荷载状态下得到的序列图像，依次利用折射率匹配扫描进行分析，获得不同荷载状态下的三维颗粒体系：状态2、状态3……状态N；

5-3)对得到的荷载状态下的三维颗粒体系：状态1、状态2、状态3……状态N进行数字体图像相关分析，获得颗粒体系在不同状态下的位移、应变、应力等信息，实现了散体材料内部三维变形的分析。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种三维颗粒材料的内部变形分析实验装置，其特征在于，包括：

若干颗粒，为透明固体；

浸润液体，颗粒折射率与浸润液体的折射率相同；

容器，用于盛放颗粒和浸润液体；

激光器，设于容器的外侧，激光器发射的激光照射浸润液体时，浸润液体会发出荧光；

记录设备，设于容器的外侧，用于采集获取颗粒序列图像；

计算终端，记录设备将获取的颗粒序列图像发送给计算终端，计算终端通过颗粒序列图像建立三维颗粒体系，并获取三维颗粒体系内部的三维变形分析。

2.根据权利要求1所述的一种三维颗粒材料的内部变形分析实验装置，其特征在于，所述容器包括容器壁，容器壁内设置可相对于容器壁上下移动的可移动顶板。

3.根据权利要求2所述的一种三维颗粒材料的内部变形分析实验装置，其特征在于，所述可移动顶板安装有位移传感器和力传感器，位移传感器和力传感器分别与控制器连接。

4.根据权利要求3所述的一种三维颗粒材料的内部变形分析实验装置，其特征在于，所述可移动顶板与施力机构连接，施力机构与所述控制器连接。

5.根据权利要求1所述的一种三维颗粒材料的内部变形分析实验装置，其特征在于，所述记录设备为CCD相机，相机的摄像头安装滤光片，滤光片允许波长比所述激光器发射的激光波长长的光线通过；

CCD相机图像平面与所述激光器发射的激光平行。

6.根据权利要求3所述的一种三维颗粒材料的内部变形分析实验装置，其特征在于，所述激光器安装于同所述控制器连接的直线驱动机构。

7.一种三维颗粒材料的内部变形分析方法，其特征在于，采用权利要求1-6中任一项所述的实验装置。

8.根据权利要求7所述的一种三维颗粒材料的内部变形分析方法，其特征在于，包括如下内容：

选择设定的颗粒和设定的浸润液体；

在容器中盛放颗粒和浸润液体；

打开激光器，向容器发射激光，并向容器内颗粒和液体的混合液施加设定荷载，在不同荷载状态下通过记录设备采集颗粒体系多层的序列图像；

通过不同荷载状态下的序列图像获得不同荷载状态下的三维颗粒体系，对重构的三维颗粒体系进行数字体图像相关方法运算，实现颗粒体系内部的三维变形分析。

9.根据权利要求8所述的一种三维颗粒材料的内部变形分析方法，其特征在于，所述打开激光器，向容器发射激光，并向容器内颗粒和液体的混合液施加设定荷载，在不同荷载状态下通过记录设备采集颗粒体系多层的序列图像，具体包括如下内容：

沿着容器的长度方向，从一侧到另一侧，每隔设定距离移动一次激光器，并通过记录设备采集颗粒体系多层的序列图像，获得原始状态下三维颗粒体系：状态1；

向容器内颗粒和液体的混合液施加设定荷载，在每一次荷载施加过程中，沿着容器的长度方向，从一侧到另一侧，每隔设定距离移动一次激光器，并通过记录设备采集颗粒体系多层的序列图像，获得不同荷载状态下的三维颗粒体系：状态2、状态3……状态N。

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