一种岩石力学性能反演模拟方法及相关设备

本发明涉及岩石力学，特别涉及一种岩石力学性能反演模拟方法及相关设备。

背景技术：

1、在现有技术中，3d打印技术已被广泛应用于石化产品、生物产品、金属、混凝土、岩石等材料的相似模拟及材料结构设计中。对材料不同材料和方法构建的3d打印材料的力学性质进行研究，有助于寻找到相似材料的力学性质演变规律，从而服务于材料结构设计以及材料力学性质规律的掌握，为材料设计和材料力学本构及多因素作用下的损伤演变机制研究提供参考。因此，构建多相岩石的3d打印材料试件数值模拟模型，进而开展数值模拟研究，揭示相似3d打印材料的力学性质对于揭示岩石类材料力学性质具有重要意义。

2、通常而言，3d打印材料的数值模拟研究可以采用有限元、有限差分、扩展有限元、颗粒流离散元、fdem等方法。其中，颗粒流离散元和fdem方法不仅模拟多种载荷条件所诱导的天然裂缝与扰动裂缝的相交作用，而且可更容易在模拟模型中建立岩体内部的多种矿物或颗粒结构，因而在近年来受到了大量关注。现有技术中，在岩石力学领域，采用泰森多边形构建岩体内复杂破裂路径，形成泰森多边形式的块状岩体模型，从而实现了岩体微结构压缩模拟，该研究很好地模拟了岩石材料裂缝的随机扩展现象，为岩石材料微观行为的理解提供了详实的信息；在土木工程领域，通过基于随机方法或数字岩心重建的球形或多边形骨料形成了混凝土压缩的fdem模型，从而开展了块体/颗粒型试件的微结构压缩模拟。然而，现有的研究均侧重于对试件内块体/颗粒形态的重建，而且，所模拟对象大都为高强度、高脆性材料。而受发展阶段局限，当前3d打印材料通常具有低强度、弱脆性等特点，由此形成的裂缝通常呈现裂缝带的形式。因此，采用现有技术的模拟方法模拟3d打印材料单轴压缩实验的裂缝带演化过程还存在适用性缺陷。因此，结合数字岩心重建技术重构实验后的3d打印材料试件，并结合有限元等方法构建数值模拟模型，进而细致探讨3d打印材料力学性质的差异、损伤特征的演变规律、以及多因素综合作用下的力学性能影响因素是极其必要的。

3、因此，现有技术还有待改进和提高。

技术实现思路

1、针对现有技术的上述缺陷，本发明提供一种岩石力学性能反演模拟方法及相关设备，旨在解决现有技术中还没有适用于3d打印多相岩石材料力学性能反演模拟的方法，难以探索3d打印岩石试件压缩实验中难以观测到的试件损伤特征的演变规律问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

3、本发明的第一方面，提供一种岩石力学性能反演模拟方法，所述方法包括：

4、获取目标试件，所述目标试件为力学实验后的3d打印岩石试件；

5、对所述目标试件进行ct扫描，获得目标切片数据，所述目标切片数据为多个；

6、根据所述目标切片数据生成目标三维图像；

7、获取所述目标三维图像中目标色相所在像素点的坐标数据，生成所述目标色相对应的坐标数据字典；

8、构建三维长方体部件，结合所述目标色相对应的坐标数据字典获取所述目标色相在网络模型单元中的标签集合；

9、构建目标研究区域，所述目标研究区域包含所述目标色相在网络模型单元中的标签集合；

10、获取所述目标试件对应的实验条件以及结果曲线，根据所述目标试件的实验条件和结果曲线构建目标反演模拟模型。

11、所述的岩石力学性能反演模拟方法，其中，所述根据所述目标切片数据生成目标三维图像，包括：

12、对多个所述目标切片数据进行交互式二值化处理，得到多个二值化图片；

13、采用第一目标函数将多个所述二值化图片转换为多个目标图像矩阵，将所述多个目标图像矩阵保存为第一字典；

14、遍历所述第一字典，得到目标三维矩阵；

15、根据预设的网格种子数量和预设分辨率获取所述目标三维矩阵对应的尺寸，得到所述目标三维图像。

16、所述的岩石力学性能反演模拟方法，其中，所述获取所述目标三维图像中目标色相所在像素点的坐标数据，生成所述目标色相对应的坐标数据字典，包括：

17、获取高度方向每个所述目标切片的数据信息，采用第二目标函数获取所述目标色相的空间位置；

18、重组所述目标色相的数据点信息，生成第二字典，所述第二字典为所述目标色相对应的坐标数据字典。

19、所述的岩石力学性能反演模拟方法，其中，所述构建三维长方体部件，结合所述目标色相对应的坐标数据字典获取所述目标色相在网络模型单元中的标签集合，包括：

20、根据预设模型尺寸和预设的网格种子尺寸构建由长方体式的六面体网格单元组成的所述三维长方体部件；

21、创建空列表，遍历所述第二字典，获取所述目标色相对应的单元标签，将所述目标色相对应的单元标签加入所述空列表，得到目标列表，所述目标列表为所述目标色相在网络模型单元中的标签集合。

22、所述的岩石力学性能反演模拟方法，其中，所述构建目标研究区域，包括：

23、根据所述目标列表获取第一单元集合和第二单元集合，所述第一单元集合为所述目标色相对应的网格单元的集合，所述第二单元集合为所述目标三维图像中非目标色相对应的网格单元的集合；

24、根据所述目标试件的尺寸参数获取预设的初始研究区域，删除所述目标研究区域中除所述第一单元集合和第二单元集合之外的网格单元以得到所述目标研究区域。

25、所述的岩石力学性能反演模拟方法，其中，所述根据所述目标试件的实验条件和结果曲线构建目标反演模拟模型，包括：

26、采用第三函数创建所述目标研究区域的上下边界处的网格点集合；

27、根据所述目标试件的实验条件和结果曲线的换算参数创建所述目标反演模拟模型的载荷步和边界条件。

28、所述的岩石力学性能反演模拟方法，其中，所述构建目标反演模拟模型后，还包括：

29、根据所述目标试件力学实验的应力应变曲线和损伤的数据结果，对所述目标反演模拟模型进行校验，以获取所述目标试件的损伤破坏过程。

30、本发明的第二方面，提供一种岩石力学性能反演模拟装置，包括：

31、切片数据获取模块，所述切片数据获取模块用于获取目标试件，所述目标试件为力学实验后的3d打印岩石试件；对所述目标试件进行ct扫描，获得目标切片数据，所述目标切片数据为多个；

32、数据字典获取模块，所述数据字典获取模块用于根据所述目标切片数据生成目标三维图像；获取所述目标三维图像中目标色相所在像素点的坐标数据，生成所述目标色相对应的坐标数据字典；

33、研究区域构建模块，所述研究区域构建模块用于构建三维长方体部件，结合所述目标色相对应的坐标数据字典获取所述目标色相在网络模型单元中的标签集合；构建目标研究区域，所述目标研究区域包含所述目标色相在网络模型单元中的标签集合；

34、反演模拟模型构建模块，所述反演模拟模型构建模块用于获取所述目标试件对应的实验条件以及结果曲线，根据所述目标试件的实验条件和结果曲线构建目标反演模拟模型。

35、本发明的第三方面，提供一种终端，所述终端包括处理器、与处理器通信连接的计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质适于存储多条指令，所述处理器适于调用所述计算机可读存储介质中的指令，以执行实现上述任一项所述的岩石力学性能反演模拟方法的步骤。

36、本发明的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现上述任一项所述的岩石力学性能反演模拟方法的步骤。

37、与现有技术相比，本发明提供了一种岩石力学性能反演模拟方法及相关设备，本发明提供的岩石力学性能反演模拟方法中，通过获取目标试件，所述目标试件为力学实验后的3d打印岩石试件，然后对所述目标试件进行ct扫描，获得目标切片数据，所述目标切片数据为多个，再根据所述目标切片数据生成目标三维图像，获取所述目标三维图像中目标色相所在像素点的坐标数据，生成所述目标色相对应的坐标数据字典后，首先构建三维长方体部件，结合所述目标色相对应的坐标数据字典获取所述目标色相在网络模型单元中的标签集合，然后构建目标研究区域，所述目标研究区域包含所述目标色相在网络模型单元中的标签集合，最后获取所述目标试件对应的实验条件以及结果曲线，根据所述目标试件的实验条件和结果曲线构建目标反演模拟模型。本发明提供的岩石力学性能反演模拟方法，通过快速自动化地提取实验后3d打印岩石材料目标色相像素坐标数据，进而自动构建目标反演模拟模型，开展3d打印试件的反演模拟研究，为3d打印岩石类材料试件力学性质的研究提供了方法支撑。