[发明专利]一种识别三维颗粒体系内部力链的装置及方法

权利要求书

1.一种识别三维颗粒体系内部力链的装置，其特征在于，包括：

水平仪，用于放置实验盒；设置在水平仪上的激光器，用于在相机拍摄前打开激光，使激光面与实验盒内壁重合；

设置在水平仪一侧的压力试验机，用于向实验盒内的颗粒施加依次增大的压力或者施加依次减小的压力；

连接水平仪的相机，相机用于拍摄颗粒的图像；

所述水平仪、激光器、压力试验机和相机均与计算机连接；计算机用于根据相机拍摄的图像，得到颗粒体系的三维形态，进而识别力链。

2.根据权利要求1所述的识别三维颗粒体系内部力链的装置，其特征在于，所述水平仪连接水平仪控制器，所述水平仪控制器用于控制水平仪的移动。

3.根据权利要求2所述的识别三维颗粒体系内部力链的装置，其特征在于，所述水平仪控制器连接计算机。

4.根据权利要求1所述的识别三维颗粒体系内部力链的装置，其特征在于，所述压力试验机上设有压头。

5.根据权利要求1所述的识别三维颗粒体系内部力链的装置，其特征在于，所述识别力链的过程包括：

定位三维重构之后的颗粒体系中每个颗粒球的球心和半径，并画出球；

计算颗粒排列结构，得到每一个接触点的坐标；

计算颗粒间接触力；

通过对每个颗粒的位移、移动角度以及接触力进行搜索，判断位移是否小于位移阈值或者移动角度是否小于角度，若是，识别力链。

6.一种识别三维颗粒体系内部力链的方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的识别三维颗粒体系内部力链的方法，包括：

将调试颗粒放入实验盒，调配蔗糖溶液，并将蔗糖溶液注入实验盒中；

不断改变实验盒中蔗糖溶液的浓度，直到蔗糖溶液的折射率与调试颗粒的折射率相同；

取出实验盒中的调试颗粒和蔗糖溶液；

将实验颗粒放入实验盒中，并注入蔗糖溶液及荧光材料；

将放好实验颗粒和蔗糖溶液的实验盒放置在试验台上，并将压头安装在压力试验机上；

压力试验机启动，当压头即将接触到实验盒时，降低压力试验机速度；

当压头将要接触到实验颗粒时，压力试验机暂停；激光器开启，使激光面与实验盒内壁重合；

以设定的速度启动水平仪，同时使相机拍摄实验颗粒的整体图像；

向实验盒内的实验颗粒施加依次增大的压力，重复激光器扫描和拍摄的过程；直到达到设定的压力值，再向实验盒内的实验颗粒施加依次减小的压力，重复激光器扫描和拍摄的过程；

根据相机拍摄的图像，得到颗粒体系的三维形态，进而识别力链。

7.根据权利要求6所述的识别三维颗粒体系内部力链的方法，其特征在于，所述不断改变实验盒中蔗糖溶液的浓度，直到蔗糖溶液的折射率与调试颗粒的折射率相同的过程包括：采用激光笔照射实验盒，当光线在蔗糖溶液与调试颗粒中的路径在一条直线时，说明此浓度下蔗糖溶液的折射率与调试颗粒的折射率相同。

8.根据权利要求6所述的识别三维颗粒体系内部力链的方法，其特征在于，所述识别力链的过程包括：

定位三维重构之后的颗粒体系中每个颗粒球的球心和半径，并画出球；

计算颗粒排列结构，得到每一个接触点的坐标；

计算颗粒间接触力；

通过对每个颗粒的位移、移动角度以及接触力进行搜索，判断位移是否小于位移阈值或者移动角度是否小于角度，若是，识别力链。

9.根据权利要求8所述的识别三维颗粒体系内部力链的方法，其特征在于，所述颗粒间接触力根据颗粒间的重叠量计算；当颗粒间无重叠时，这两个颗粒无接触，接触力为零；当两颗粒有重叠时，两颗粒间的接触力为排斥力。

10.根据权利要求8所述的识别三维颗粒体系内部力链的方法，其特征在于，所述识别出力链的过程包括：

当相邻颗粒首尾相接发生较为一致的移动时，应力便会顺着此移动路径传递而形成力链；

一条力链上的三个颗粒，两侧两颗粒相交于中间颗粒的两个法向接触力夹角要小于α＝π/c，c是中间颗粒的配位数。