[发明专利]基于虚拟现实结合的筑坝颗粒材料力学试验系统及方法

权利要求书

1.基于虚拟现实结合的筑坝颗粒材料力学试验系统，其特征在于，包括：

原位力学试验数据获取部，通过微型三轴仪和X射线计算机断层扫描对待测筑坝颗粒材料的原位三轴剪切试验和X射线断层扫描，获取剪切前各向同性状态下的颗粒材料内部各颗粒的结构图像，对结构图像进行处理得到包含各颗粒的形状、尺寸和位置信息的颗粒信息库，并在微型三轴仪剪切加载过程中获取不同时刻的颗粒材料发生变形后的结构图像；

颗粒追踪部，与原位力学试验数据获取部通信相连，基于球谐转动不变量进行颗粒匹配与追踪：对颗粒材料的结构图像进行图像处理，确定筑坝颗粒材料的颗粒平均粒径d₅₀和颗粒的总个数，和各图像中每个颗粒编号对应的颗粒质心、体积、颗粒的球谐转动不变量向量；选取颗粒信息库中的颗粒组成参考构型，参考构型中任一参考颗粒i的匹配过程为：对于被搜索图像，以参考颗粒i的质心位置为中心，在3d₅₀为半径的球体内搜索颗粒，处在搜索区域内的所有颗粒均储存在¹C^k,i数组中，作为第一候选颗粒集，k表示图像构型；从第一候选颗粒集中去除体积差异较大的颗粒，并将剩下的颗粒储存到²C^k,i数组中，作为第二候选颗粒集；对第二候选颗粒集²C^k,i中的任一候选颗粒j与参考颗粒i计算对应的球谐转动不变量的二范数差值，并储存在数组R_D^k,i中；在数组R_D^k,i中最小二范数差值对应的颗粒j暂认为是与参考颗粒i最相似的颗粒，并将颗粒j作为参考颗粒i的匹配颗粒，待存储至被搜索图像所对应的数组{T^k}中；判断在数组{T^k}中颗粒j是否已被匹配给其它参考颗粒p，如判断为否，则将颗粒j匹配给参考颗粒i并储存到匹配颗粒集{T^k}中；若判断为是，则进一步判断参考颗粒i与颗粒j的转动不变量的二范数差值R_D^k,i(j)与参考颗粒p和颗粒j的转动不变量的二范数差值R_D^k,p(j)大小，若R_D^k,p(j)≤R_D^k,i(j)，则认为颗粒j与匹配颗粒p更为匹配，需要对参考颗粒i进行重新匹配，并将候选颗粒集²C^k,i中的颗粒j去除；如果R_D^k,p(j)R_D^k,i(j)，则认为颗粒j与参考颗粒i更为匹配，需要对参考颗粒p进行重新匹配，并将参考颗粒p候选颗粒集²C^k,p中的颗粒j去除，将匹配颗粒集{T^k}中参考颗粒p的匹配关系删除，将颗粒j匹配给参考颗粒i储存到匹配颗粒集{T^k}中；通过以上方法，将参考构型中的每个参考颗粒与被搜索的图像中的对应颗粒匹配，各图像都完成搜索和匹配后，得到所有参考颗粒精确匹配到各时刻图像中对应颗粒的匹配颗粒集{T^k}，从而得到各参考颗粒的运动轨迹信息；

数值模拟部，与原位力学试验数据获取部通信相连，基于颗粒信息库和待测筑坝颗粒材料的填筑级配和体积分数，利用球谐函数重构颗粒形状特征，通过数值模拟生成与颗粒信息库中颗粒形状和尺寸对应的颗粒模型，进而生成与筑坝颗粒材料一致的数值样本；然后，对数值样本进行数值试验，试验条件与采用微型三轴仪进行的原位三轴剪切试验一致，得到数值试验数据；以及

数据处理部，与原位力学试验数据获取部、颗粒追踪部、数值模拟部均通信相连，对原位力学试验数据获取部和颗粒追踪部的数据进行处理，得到物理实验数据表示的筑坝颗粒材料的宏细观力学特性，对数值模拟部的试验数据进行处理，得到数值实验数据表示的筑坝颗粒材料的宏细观力学特性。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实结合的筑坝颗粒材料力学试验系统，其特征在于：

其中，参考构型中的颗粒为从当前待匹配图像中的颗粒中筛选出的具有代表性形态特征的一批颗粒。