黄土大孔隙的矢量化表征与软件开发

发布时间：2020-10-12 00:40

　　 黄土的力学性质与黄土独特的孔隙结构具有密切关系。准确获取原状黄土孔隙结构的定量化信息是从根本上认识黄土结构与功能间关系及有关过程内在机制的必要前提。黄土中发育有大量的垂直大孔隙,黄土垂直大孔隙的矢量化表征是黄土结构性本构关系深入研究的基础和难点。本文利用工业CT对泾阳Q2原状黄土进行扫描,建立了黄土大孔隙的三维空间分布模型。在此基础上提出了一种黄土大孔隙球链填充方法并开发了相应的软件系统,利用得到的球链填充数据对黄土大孔隙进行了定量分析,表征了单条孔隙的孔径分布特征和空间方向特性,进而利用体视学技术(Stereology technology,也称立体测量技术)计算了黄土大孔隙的结构张量和结构系数。所提出的方法可以对黄土大孔隙结构特征进行矢量化表征,为黄土结构性本构模型的进一步研究奠定了一定基础。本文的主要研究内容与结论如下:1)利用CT扫描图片建立泾阳原状黄土大孔隙三维模型,观察到原状黄土内不同方向、不同部位的孔隙。所建立的黄土大孔隙模型可以用于黄二土大孔隙的研究。模型观察结果表明:泾阳原状黄土体积大于0.13mm3的孔隙具有明显的垂直发育分布特征,体积小于0.13mm3的孔隙在土体中趋向于均匀分布。本文重点对体积大于0.13mm3的孔隙的矢量化表征进行了初步研究。2)提出了一种黄土大孔隙球链填充方法,利用得到的球链填充数据对黄土大孔隙进行了定量分析,表征了单条孔隙的孔径分布特征和空间方向特性。球链填充法可以简化孔隙形态,便于定量化统计孔隙大小和方向数据,进而表征黄土大孔隙的矢量化特征;3)利用孔隙填充球链数据可以绘制单条、多条孔隙的孔径分布曲线和孔径累积分布曲线。由绘制曲线可知泾阳原状黄土孔隙的孔径主要分布在0.2mm到1.2mm之间,其中0.4mm孔径的孔隙含量最多,1.2mm到1.6mm孔径的孔隙含量较少,1.6mm到2.5mm孔径的孔隙含量最少;4)通过傅里叶级数方程拟合孔隙空间位置和孔径变化数据,可以将孔隙的空间形态存储为数据库。通过泾阳原状黄土大孔隙填充球链数据可以实现绘制孔隙模型、孔隙模型平移旋转等功能,该技术和数据库可用于计算机生成具有一定特征的孔隙模型;5)利用孔隙填充球链数据,编辑程序计算得到的结构张量系数可以表征孔隙空间分布的各向异性。计算得到泾阳原状黄土孔隙模型的平均孔隙度为0.0065,结构张量系数为1.9299;6)将以上各部分计算过程整合,开发为一个完整的软件系统,实现了自动化交互式孔隙球链填充功能。通过软件可以建立泾阳原状黄土孔隙中大孔隙模型,并得到了相关统计数据。
【学位单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S155.2;TP311.52
【文章目录】：
摘要
英文摘要
1 绪论
    1.1 选题背景与研究意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 黄土微结构测试技术研究进展
        1.2.2 结构张量研究进展
    1.3 研究内容、方法及技术路线
        1.3.1 研究内容
        1.3.2 研究方法
        1.3.3 技术路线
2 黄土大孔隙模型的球链填充
    2.1 黄土样品CT扫描
        2.1.1 取样点概述
        2.1.2 CT扫描实验
    2.2 黄土大孔隙模型
        2.2.1 黄土大孔隙模型建立
        2.2.2 单条孔隙模型分离
        2.2.3 孔隙中心线计算
    2.3 黄土大孔隙球链填充法
    2.4 孔隙统计拟合
        2.4.1 孔隙统计分析
        2.4.2 孔隙方向性表征
    2.5 孔隙填充球链数据应用
        2.5.1 球链数据绘制模型
        2.5.2 球链数据随机提取
        2.5.3 孔隙空间移动实现
    2.6 本章小结
3 黄土大孔隙矢量化表征
    3.1 大孔隙矢量化表征方法
        3.1.1 结构张量计算方法
        3.1.2 结构张量验算
    3.2 坐标系变换方法
    3.3 黄土大孔隙结构张量计算
    3.4 本章小结
4 黄土大孔隙矢量化表征软件开发
    4.1 软件开发平台
    4.2 软件设计思路
    4.3 软件界面设计及模块功能实现
    4.4 本章小结
5 结论与展望
    5.1 结论
    5.2 展望
致谢
参考文献
附录
攻读学位期间发表论文、专利及获奖

【参考文献】

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本文编号：2837363