[發明專利]無規則形狀顆粒堆積體系中接觸數定量表征方法有效

申請號：	202010655419.6	申請日：	2020-07-09
公開（公告）號：	CN111932498B	公開（公告）日：	2022-06-24
發明（設計）人：	蔣雪平;柴海偉;黃俊宇;羅勝年	申請（專利權）人：	西南交通大學
主分類號：	G06T7/00	分類號：	G06T7/00;G06T7/11;G06T7/136;G06T5/30
代理公司：	成都擎智秉業專利代理事務所(普通合伙) 51227	代理人：	李順德
地址：	610031 四***	國省代碼：	四川;51
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摘要：
搜索關鍵詞：	規則形狀顆粒堆積體系接觸定量表征方法
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【說明書】：

本發明涉及無規則形狀顆粒堆積體系中接觸數定量表征方法，包括顆粒填充、CT掃描、圖像重構及增強、三維可視化、圖像二值化、填實顆粒孔洞、圖像分割、連接區域提取、判斷接觸。采用本方法表征不同密度堆積體內接觸數量的變化，不僅計算準確，誤差小，而且可以應用于任何形狀粒子堆積體系中。

技術領域

本發明涉及顆粒堆積體系中接觸數定量表征方法。

背景技術

顆粒材料是復雜的顆粒無序堆積的系統,在自然界、工程建設和工業生產中廣泛存在,比如碎屑流災害、堆石壩、流化床以及球床反應堆等。隨機堆積體系作為球形體系的擴展，表現出更復雜的性質，由于顆粒更類似于自然界中普遍存在的非規則顆粒，因此其研究具有重要的實用價值。而在研究顆粒堆積的問題中，每個顆粒的接觸數是非常重要的參數。接觸個數的計算過程不僅能得到每個顆粒的鄰居顆粒的信息，而且由接觸形成的接觸網絡對于研究顆粒堆積的拓撲學特征及力的傳遞有重大貢獻，因為任何力路徑或任何無窮小的局部位移都必須通過顆粒的接觸網絡從顆粒機械地傳播到顆粒。因此，接觸數的定量表征是十分必要的。而在以往的研究中，研究整個堆積體系的接觸網絡，大部分都集中在球形顆粒的堆積結構中,而對形狀更加復雜的粒子的堆積體系中，專門對其接觸數的定量研究，少之又少。尤其是這些堆積結構中的顆粒形狀復雜,對其進行定量表征十分困難，阻礙了這方面的研究進展。所以對復雜形狀粒子堆積體內接觸數的定量分析和研究，具有十分重要的意義。

在現有的顆粒堆積的物理實驗中，很難對三維體系內部顆粒的接觸數進行定量分析，這是由顆粒形狀的復雜性及不可預測性所致。雖然在一些實驗研究中，人們也提出的對粒子堆積體內接觸數的計算，但整個過程采用的是接觸數標度函數擬合或者是計算顆粒一定范圍內出現的顆粒數來計算，結果與實際相差很大。更重要的是，它無法對無規則形狀粒子堆積體內接觸數進行定量表征。

接觸數是指每個顆粒幾何接觸的近鄰顆粒數目。由于分辨率的原因，接觸信息難以直接從實驗中給出。一般采用一種接觸數標度函數擬合的方法來給出顆粒的接觸信息。

發明內容

本發明的目的在于提供一種針對不同形狀粒子在重力作用下形成的初始疏松堆積及在施加外部機械載荷條件下形成的致密堆積體內的接觸數量進行定量表征。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是無規則形狀顆粒堆積體系中接觸數定量表征方法，包括以下步驟：

獲取不同載荷下填充進容器中顆粒堆砌體的襯度圖后重構得到二維有序切片圖并進行三維可視化得到三維圖像；獲取襯度圖可以采用原位CT獲得；

對所述的三維圖像二值化得到顆粒相的二值圖像；

對所述的顆粒相的二值圖像進行算法分割使相互連接的顆粒劃分成一個個獨立的單個顆粒集并進行三維量化分析，使每個顆粒在三維坐標下皆有各自對應的編號；

獲取在分割算法中被去除的連接子集，并對每一個連接區進行編號；

將分割后的單個顆粒集腐蝕一層像素得到腐蝕后的單個顆粒集，獲取被腐蝕掉的各個顆粒的最外層像素集；

將所述連接子集膨脹一層像素得到膨脹后的連接子集，獲取膨脹后的各連接區的最外層像素集；

根據膨脹掉的各連接區的最外層像素集與腐蝕掉的各顆粒的最外層像素集，通過預設程序分析得到在三維空間坐標系下的每個顆粒的最外層像素坐標點集及每個連接子集的最外層像素坐標集；

對任意兩個顆粒之間的一個連接區，根據是否與單個顆粒集有相同像素坐標，篩選與該連接區相接觸的兩個顆粒；遍歷所有的連接區，將所有與其中一個顆粒相接觸的所有顆粒的編號進行查重，去掉重復編號后即可統計出與該顆粒相互接觸的顆粒個數。