一种基于图像识别的散体剪切特性演化规律研究方法

1.本发明涉及散体力学研究技术领域，特别涉及一种基于图像识别的散体剪切特性演化规律研究方法。


背景技术：

2.散体系统是生活中最常见的现象，也是工程中常见的系统。其失稳过程为剪切破坏，探究剪切过程中的散体的力学特性和运动特性是研究散体系统的基础。在自然界中，散体系统通常呈自然堆积状态，其内部的不均匀性包括尺寸、形状以及赋存状态，这些因素决定了散体系统的复杂性。因此，研究散体的不均匀性对剪切特性，包括应力、位移、旋转、剪切带与涡旋的演化过程有重要影响，对散体系统的安全性具有重要意义。
3.目前，为研究散体剪切特性，主要是基于散体剪切试验进行力学特性及其影响因素分析。分析散体系统的剪切特性对散体系统的堆存、处理以及失稳预测具有重要意义。但是，目前在散体剪切特性的研究中，剪切过程涉猎较少，基本都是从剪切结果推断剪切过程，或者采用离散元数值模拟匹配剪切结果，进而观察剪切过程的演化。此外，剪切过程不可视，无法实时探究剪切过程中剪切面的位移、速度、旋转以及剪切带的生成。且由于剪切设备的小型化和不可视，学者在研究过程中往往都忽略了散体系统的流动特性，对散体涡旋的研究少之又少。针对散体系统的剪切运动特性以定性分析为主，缺乏定量表征。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种基于图像识别的散体剪切特性演化规律研究方法，以解决现有的散体剪切试验中，剪切过程不可视、无法实现散体剪切运动特性，如位移、速度、旋转、剪切带和涡旋演化的实时监测与定量表征的技术问题。
5.为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
6.一种基于图像识别的散体剪切特性演化规律研究方法，该方法包括：
7.根据待研究散体材料的粒径级配确定剪切盒的尺寸，并对所述剪切盒进行改装；其中，对剪切盒进行改装包括：将所述剪切盒的前面板改装为透明面板；
8.将待研究散体材料装填到改装后的剪切盒中，并在改装后的剪切盒上覆盖上压板和滑动加压装置，对待研究散体材料进行散体剪切试验；
9.采用图像识别设备，透过改装后的剪切盒的前面板，对散体剪切试验过程中，剪切盒内所装填的待研究散体材料的剪切过程实时进行图像采集和记录；
10.基于记录的剪切过程图像，对待研究散体材料的剪切特性进行定量化表征。
11.进一步地，所述对散体剪切试验过程中，剪切盒内所装填的待研究散体材料的剪切过程实时进行图像采集和记录，包括：
12.通过图像采集的方式对待研究散体材料剪切过程中剪切面颗粒的位移和旋转、剪切带的生成和演化，以及涡旋的生成和演化过程进行识别和记录。
13.进一步地，所述剪切特性包括：散体材料的力学特性和运动特性；其中，
14.所述力学特性包括：剪切强度、残余强度、内摩擦角和摩擦系数；
15.所述运动特性包括：剪切过程中剪切面颗粒的位移、速度、旋转、剪切带的生成与演化，以及涡旋的生成与演化。
16.进一步地，所述涡旋为散体材料速度涡旋，为剪切过程中部分颗粒速度矢量围绕某个中心呈旋转的特性。
17.进一步地，所述透明面板与所述剪切盒的盒体之间为可拆卸连接。
18.进一步地，待研究散体材料的粒径小于改装后的剪切盒尺寸的十分之一。
19.进一步地，所述基于记录的剪切过程图像，对待研究散体材料的剪切特性进行定量化表征，包括：
20.处理所述图像识别设备所记录的图像的差异，分析其中的趋势走向，将图片信息数字化，进行数学建模，对所需剪切特性进行定量化表征；
21.将剪切面颗粒的位移、旋转、剪切带的演化和涡旋的演化与剪切位移有机结合，交叉分析剪切过程中待研究散体材料的运动特性与力学特性的内在联系。
22.进一步地，所述方法还包括：
23.对待研究散体材料进行预处理，并将预处理后的待研究散体材料装填在改装后的剪切盒的透明面板处；其中，所述预处理包括喷漆和/或散斑；
24.所述剪切特性的识别包括：基于预处理后的待研究散体材料进行识别和基于待研究散体材料的轮廓进行识别。
25.进一步地，所述基于记录的剪切过程图像，对待研究散体材料的剪切特性进行定量化表征，包括：
26.针对剪切试验过程中所记录的全部图像进行系列处理，得到每种剪切特性对应的时间规律；并结合位移计所测剪切位移对剪切特性进行空间分布表征。
27.进一步地，所述对待研究散体材料的剪切特性进行定量化表征，包括：
28.对散体材料位移、速度、旋转、剪切带和涡旋和力学特性进行定量化表征；
29.其中，所述散体材料位移、速度和旋转的定量化表征为不同位置、不同粒径的颗粒随剪切位移及其散体本身特性的定量分析；所述剪切带的定量化表征为剪切带形状、位置、生成时间、倾角随剪切位移及其散体本身特性的定量化表征；所述涡旋的定量化表征为涡旋的大小、位置、演化轨迹随剪切位移的定量化及其散体本身特性的定量化表征；所述力学特性的定量化表征为散体剪切强度、残余强度随颗粒位移、速度、旋转、剪切带及涡旋的演化的定量化表征。
30.本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
31.本发明运用图像识别技术对散体颗粒在透明化改装的剪切盒中进行剪切试验的过程进行图像处理，通过对剪切面颗粒的位移、速度、旋转等基本元素的研究以及剪切带和涡旋的演化研究得到其运动特性，结合直剪仪得到的力学特性进行有机结合，从而对散体的运动特性和力学特性进行定量化表征，探究其剪切内部机理，进一步解释散体系统本身的力学特性以及运动特性。
32.本发明的方法克服了传统方法对于散体剪切试验的剪切过程不可视、无法对过程进行实时监测以及定量化表征的缺点；本发明从颗粒系统的剪切试验出发，探究散体系统的剪切特性，包括力学特性和位移特性，实现了数值模拟才能实现的对散体剪切过程中颗
粒位移、速度、旋转及剪切带的实时监测，引入流体力学的涡旋概念，对颗粒系统的流动性加以研究，对散体系统的运动特性表征和安全性具有重要意义，对散体系统的堆积及失稳防治具有重要指导意义。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为本发明实施例提供的基于图像识别的散体剪切特性演化规律研究方法的流程示意图；
35.图2为颗粒位移与旋转监测示意图；
36.图3为剪切带监测示意图；
37.图4为速度涡旋示意图。
具体实施方式
38.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
39.本实施例针对散体颗粒室内研究手段滞后，无法对散体系统剪切过程进行实时监测、定量化表征等问题，提供一种基于图像识别的散体剪切特性演化规律研究方法，包括剪切盒的改装、散体颗粒剪切试验、剪切特性的识别、剪切特性的定量化表征四部分。具体地，如图1所示，该方法的执行流程包括：
40.s1，根据待研究散体材料粒径级配确定剪切盒的尺寸并对剪切盒进行改装；
41.需要说明的是，所述剪切盒包括滑动加压装置，保证剪切盒在剪切过程中仍能稳定传递压力，压板稳定接收上部压力并均匀传递到散体上，位移计与下剪切盒固定且与上剪切盒接触不受力，保证位移测量的准确性。本实施例对剪切盒进行改装包括：一是根据散体粒径级配与剪切仪的尺寸确定剪切盒的尺寸。二是将剪切盒的前面板改装为透明面板，以便透过该透明面板观察内部散体剪切过程中的变化，保证散体颗粒在剪切过程中能够被图像识别设备识别和记录；其中，透明面板需具有足够刚度不会产生大的变形，且该透明面板采用螺纹固定，便于拆卸和更换。三是将下剪切盒左侧安装位移计固定与上剪切盒平行。
42.其中，进行散体剪切的散体可以是矿山中的矿石、岩石和相似材料，也可以是道路工程中的道砟，也可以是农业产品中的小麦、大豆、玉米、化学晶体等所有散体材料。进行散体剪切的散体粒径需要小于剪切盒尺寸的十分之一，以保证剪切过程中剪切相关运动特性比较明显，图像识别设备能准确识别。具体地，散体颗粒粒径大小在3～30mm为宜，以保证散体剪切试验的准确性。
43.s2，将待研究散体材料装填到改装后的剪切盒中，并在改装后的剪切盒上覆盖上压板和滑动加压装置，对待研究散体材料进行散体剪切试验；
44.需要说明的是，散体颗粒剪切试验采用岩石直剪仪与改装后的剪切盒进行。通过滑动加压装置和压板对散体添加固结应力和横向剪切应力进行散体剪切试验，同步开启图
像识别设备对散体剪切过程进行图像识别和记录。其中，固结应力与横向剪切应力是均匀分布的面应力，保证剪切过程中散体受力均匀。剪切试验过程中，剪切盒上部能够稳定的横向载荷保证剪切，也有上部加压装置在剪切过程中稳定施加竖向固结应力。其中，散体颗粒需根据图像识别进行特殊处理(如喷漆和散斑)，特殊处理的散体颗粒装填在剪切盒的透明材料板处。
45.s3，采用图像识别设备，透过改装后的剪切盒的前面板对散体剪切试验过程中，剪切盒内所装填的待研究散体材料的剪切过程实时进行图像采集和记录；
46.需要说明的是，所述图像识别设备能够调整与剪切盒的距离和自身高度，保证图像识别的清晰度。所述图像识别设备能对散体材料的基本特征进行稳定识别，也能进行稳定记录；图像识别可以是基于特殊处理的散斑进行识别，也可以是基于散体轮廓进行识别。图像识别设备能够记录剪切过程中的每个散体颗粒的变化，包括位移、速度、旋转等基本变化。所述涡旋为速度涡旋，为剪切过程中部分颗粒速度矢量围绕某个中心呈旋转的特性，如图4所示。
47.图像识别设备对剪切试验过程中散体变化规律进行监测，将散体颗粒的变化规律如剪切面的颗粒位移、旋转、剪切带及涡旋的演化用数字图像技术记录。其中，散体颗粒剪切试验需和图像识别设备同步进行，保障剪切过程的精细化处理。其中，颗粒位移与旋转的监测如图2所示，剪切带的监测如图3所示。
48.s4，基于记录的剪切过程图像对待研究散体材料剪切特性进行定量化表征。
49.需要说明的是，剪切特性为散体剪切试验过程中所表现出来的特征变化，包括力学特性如剪切强度、残余强度、内摩擦角和摩擦系数等，也包括运动特性如剪切过程中颗粒的位移、速度、旋转、剪切带和涡旋的演化。
50.其中，剪切运动特性的识别可以是基于特殊处理的散斑进行识别，也可以是基于散体轮廓的识别。剪切特性的定量化表征为颗粒位移、速度、旋转、剪切带和涡旋以及力学特性的定量化表征。
51.其中，颗粒位移、速度、旋转的定量化表征为不同位置、不同粒径的颗粒随着剪切位移及其散体本身特性的定量分析。剪切带的定量化表征为剪切带形状、位置、生成时间、倾角随着剪切位移及其散体本身特性的定量化表征。涡旋的定量化表征为涡旋的大小、位置、演化轨迹随着剪切位移的定量化及其散体本身特性的定量化表征。力学特性的定量化表征为散体剪切强度、残余强度随着颗粒位移、速度、旋转、剪切带以及涡旋的演化的定量化表征。
52.上述图像处理过程为对图片进行处理，并将图片识别的信息进行数字化建立数学模型，对所需剪切特性进行定量化表征。该过程能处理图像的差异分析其中的趋势走向，能将图片信息数字化，进行数学建模。本实施例根据记录内容，采用数字分析软件进行识别与处理，引入流体力学的涡旋概念，分析其形成机理等，能够将剪切面颗粒位移、旋转、剪切带的演化和涡旋的演化与剪切位移有机结合，交叉分析剪切过程中散体运动特性与力学特性的内在联系。
53.具体地，所述图像处理是针对剪切试验过程中所记录的全部图片进行系列处理，得到每种特性对应的时间规律；所述图像处理可以结合位移计所测剪切位移对剪切特性进行空间分布表征；所述图像处理需要对散体颗粒的位移、速度、旋转、剪切带以及涡旋的演
化规律进行数字化。所述建立数学模型是将剪切试验过程中的剪切特性如散体颗粒的位移、速度、旋转、剪切带和涡旋进行数字化建模，探究其与剪切位移、剪切时间的时空分布模型。
54.所述定量化表征是对散体剪切特性进行空间位置、时间先后进行数字化表征，是将散体系统的力学特性与运动特性交叉耦合的定量化表征。
55.具体流程如下：
56.1)根据散体粒径级配与剪切仪大小确定剪切盒尺寸并进行透明化改装。
57.2)将改装后的剪切盒固定好，向固定好的剪切盒中装填散体后盖上压板和滑动加压装置，添加固结应力和横向剪切应力进行加载。
58.3)开启图像识别设备，记录散体剪切过程中剪切运动特性，并记录剪切仪显示的剪切力学特性。
59.4)进行图像处理，探究散体剪切运动特性的演化规律，联动力学特性，探究散体剪切力学特性与运动特性的内在联系。
60.5)改变散体粒径，重复2)、3)、4)步骤，探究散体剪切特性与散体本身的内在联系。
61.6)将图像处理结果与力学特性数字化，建立数学模型对剪切特性进行定量化表征。
62.综上，本实施例针对以往散体剪切试验过程中，剪切过程不可视、无法实时监测剪切过程中散体颗粒运动特性，如位移、速度、旋转、剪切带和涡旋的缺点；本实施例对剪切盒进行透明化改装，并引入流体力学中的涡旋，对散体系统的流动特性加以阐释；基于剪切位移和剪切时间对散体剪切特性进行定量化表征，弥补了传统研究中采用结果推断过程和采用数值模拟再现过程的缺点；本实施例方法操作简单、可视化，并且能对散体剪切特性进行定量化表征，并可以借此推广到其他领域针对散体系统进行定量化表征，对散体系统和散体力学的研究具有重要意义，对散体系统的堆积和散体失稳防治具有重要指导意义。
63.此外，需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
64.最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。