一种颗粒体系动力链的识别方法
【专利摘要】本发明属于颗粒体系力链识别【技术领域】，涉及一种颗粒体系动力链识别的方法，先将颗粒体系加载，采集变形前后颗粒体系图像分别作为原始图像和目标图像；再对原始图像和目标图像进行分析，得到目标图像对应时刻的颗粒体系面内位移场和应变场后根据应变场内每一点的应变得到各点的应力；再对目标图像进行图像边缘检测，对颗粒形心进行识别，读取颗粒形心坐标和各颗粒的接触点位置坐标，并对各颗粒建立力的平衡和力矩平衡方程，计算得到各颗粒上不同接触点处的接触力的大小和方向；最后将各颗粒接触力画出，相邻颗粒间接触力连续表示出来的图形即为动力链的路径；其方法简单，原理科学，使用方便灵活，实用性强，发展前景大，应用范围广。
【专利说明】—种颗粒体系动力链的识别方法
【技术领域】:
[0001]本发明属于颗粒体系力链识别【技术领域】，涉及一种颗粒体系动力链识别的方法，实时计算颗粒力和位移等宏观物理量，实现颗粒体系动力链的识别及提取。
【背景技术】:
[0002]颗粒物质作为大量离散颗粒相互作用形成的复杂体系普遍存在于自然界、日常生活及生产中，其力学性质介于固体和液体之间，又远比普通固体和液体更为复杂，不能简单用传统的固体力学、流体力学理论或凝聚态物理学知识予以解释。2005年，颗粒物质与湍流一并被《Science》列为100个科学难题之一，颗粒物质的基础力学问题研究成为近年来科学的前沿，也是国内外学者研究的热点问题。
[0003]颗粒物质的多尺度力学问题涉及体系内部结构各层次性质及各层次之间的关联。认为从多尺度结构和相关物理机制的角度研究颗粒物质是突破口，以多尺度的方法剖析是解决颗粒物质力学问题的有效途径之一，郑颖人院士曾指出“探索新理论和新模型，在岩土塑性力学中引入损伤力学，不连续介质力学以及智能算法等新理论；宏观与细观结合，开创新一代土的结构性本构模型”。颗粒体系多尺度中，宏观尺度是研究的颗粒体系，微观尺度是组成体系的颗粒单体，细观尺度是相邻颗粒单体以各种形式相互作用，由几个或者十几个颗粒持续接触作用形成具有准直性的力传递路径-力链，颗粒内部由荷载作用形成的力链网路在力的传递和能量耗散中起了重要作用。这些颗粒体系内部的微细观作用都体现于宏观材料的体积应变和变形特性。因此，力链的动力学响应决定宏观尺度的力学行为，是颗粒物质力学研究的关键问题和主要矛盾，成为近年来科学的前沿，也是国内外学者研究的热点问题。
[0004]目前，在力链分析中主要采取的是理论分析，数值模拟和实验测量的方法。然而，当前的颗粒力学理论分析遇到极大困难，尚未提出一个正确表达应力-应变关系的本构模型，数值模拟只是在有限的颗粒个数和形状的颗粒体系中展开模拟，具有很大的局限性，且计算量大，模拟结果仅属于指导性结论，难以满足理论研究和工程实际的需要。因此，实际实验的测量成为人们日益关注的重点，也是现阶段最有效和直接的研究手段。
[0005]天平称重法和复写纸压痕法是常用的接触式力的检测方法。随着科技的发展，一些非接触式测量手段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，但这些方法对环境及设备要求过高，使用并不广泛。由于光弹颗粒受力会在颗粒表面形成明暗相间的条纹，颗粒内部受力观测直观、快捷，而且对该条纹进行处理可以实现颗粒内部应力计算。因此，光弹法逐渐成为人们观测颗粒体系力学性能的主要方法，为研究砂土颗粒的性质提供了帮助。但现阶段开展的光弹实验仅是模型实验，而真实颗粒由于具有不同形状、表面有纹理和材质不透明的特点，无法利用光弹法进行实际测量，因此，光弹实验结果仅能为真实砂土颗粒受力模型及本构关系提供参考，不足以为大多数实际工程直接采纳，有一定的局限性。同时，尚未见有关于真实颗粒体系动力链实际测量方法的相关报道。
【发明内容】
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[0006]本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种颗粒体系加载过程中动力链的识别方法，实时计算颗粒力和位移等宏观物理量，并实现颗粒体系动力链的识别及提取。
[0007]为了实现上述目的，本发明通过(XD摄像机(德国Basler,型号:scA1600_14fm)、岛津万能试验机(型号:AG-1C50kN)和实验容器共同完成，其具体工艺步骤为:
[0008](I)、先将颗粒体系在平面应变状态下加载，使颗粒体系变形真实可见，利用CCD (Charge Coupled Device,电荷稱合器件)摄像机实时监测并自动采集颗粒体系变形图像；
[0009](2)、再采集变形前颗粒体系图像，并保存为bmp图像格式，作为原始图像；
[0010](3)、对颗粒体系进行加载，并以固定时间间隔采集颗粒体系变形图像，得到多个时刻颗粒体系变形图，作为目标图像；
[0011](4)、对采集得到的原始图像和目标图像进行分析，将目标图像与原始图像利用现有的数字图像相关方法进行分析，得到目标图像对应时刻的颗粒体系面内位移场和应变场；其中数字图像相关方法(Digital image correlation method, DIC)的原理为:对变形前后测量物体表面的两幅数字图像，利用灰度不变特性，匹配变形前后采集图像上的几何点，跟踪几何点的运 动，获得物体表面变形信息，即在变形前的图像中取待求点PU，y)为中心的(2N+1) X (2N+1)大小的计算子区S，在变形后的目标图像中移动，按归一化的最小平方距离相关函数进行计算，寻找以相关系数C出现极值所对应的点P ‘(X+u，y+v)为中心的(2N+1) X (2N+1)大小的目标子区Si，则U、V分别为点P(x，y)沿x方向和y方向的位移；归一化的最小平方距离相关函数公式:
[0012]
【权利要求】
1.一种颗粒体系动力链的识别方法，其特征在于通过CXD摄像机、岛津万能试验机和实验容器共同完成，其具体工艺步骤为: (1)、先将颗粒体系在平面应变状态下加载，使颗粒体系变形真实可见，利用CCD摄像机实时监测并自动采集颗粒体系变形图像； (2)、再采集变形前颗粒体系图像，并保存为bmp图像格式，作为原始图像； (3)、对颗粒体系进行加载，并以固定时间间隔采集颗粒体系变形图像，得到多个时刻颗粒体系变形图，作为目标图像； (4)、对采集得到的原始图像和目标图像进行分析，将目标图像与原始图像利用现有的数字图像相关方法进行分析，得到目标图像对应时刻的颗粒体系面内位移场和应变场；其中数字图像相关方法的原理为:对变形前后测量物体表面的两幅数字图像，利用灰度不变特性，匹配变形前后采集图像上的几何点，跟踪几何点的运动，获得物体表面变形信息，即在变形前的图像中取待求点P(x，y)为中心的(2N+1) X (2N+1)大小的计算子区S，在变形后的目标图像中移动，按归一化的最小平方距离相关函数进行计算，寻找以相关系数C出现极值所对应的点P ‘ (x+u, y+v)为中心的(2N+1) X (2N+1)大小的目标子区S,，则U、v分别为点PU，y)沿χ方向和I方向的位移；归一化的最小平方距离相关函数公式:
2.根据权利要求1所述颗粒体系动力链的识别方法，其特征在于所述CCD摄像机为型号scA1600-14fm的市售产品，岛津万能试验机为型号AG_IC50kN的市售产品；实验容器的主体结构包括刚性槽、有机玻璃、第一螺丝和第二螺丝，由刚性槽和有机玻璃通过第一螺丝固定成一个整体，有机玻璃的厚度根据实验条件进行更换，有机玻璃和刚性槽之间的距离通过添加垫板进行调 节，并通过第二螺丝固定在实验平台上。
【文档编号】G06F19/00GK104007047SQ201410268526
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月17日 优先权日:2014年6月17日
【发明者】陈凡秀, 张慧新, 庄琦, 孔亮 申请人:青岛理工大学