3 d XCT中构造特征和基于图像的离散元素(DE)失败的造型模式煤矸石颗粒(本金保证产品)

文摘

毫的提出了一个应用程序——和micro-XCT本金保证产品中构造特征和故障模式分析模拟使用动态的影响。在这项研究中,XCT扫描实验首先进行本金保证产品,其次是一系列的图像分析与定性结果。然后,3 d mesomorphological定量参数和内部单个粒子的组成特征。最后,动态冲击荷载y设在方向是模拟探讨3 d中构造和不同冲击速度对单个粒子的失效模式的影响。研究表明,mesomorphological参数呈现不同的分布特征在单独的本金保证产品。煤矸石的近似位置阶段应考虑的关键参数研究失败的模式以及异构岩石材料的断裂机理。XCT的基于图像的数值模型被证明是一个有效的工具,给洞察异构煤岩的mesodeformation机制(HCR)失效行为进行动态的影响。

1。介绍

多尺度多相矿物材料的实验和建模,如煤炭、煤矸石、及各种复合材料,是至关重要的中构造的详细分析和故障模式的煤炭矿石。一般来说,粉碎本金保证产品的性能取决于几何形状和中构造的统计特征,如内部成分分布、相位连续性,初始伤害。目前,研究在个别本金保证产品的形态和力学性能的表征主要是基于实验分析(1- - - - - -4]。虽然实验方法可以提供统计结果,不可避免的通过实验分析抽样错误是普遍存在的。尤其是单个粒子的几何形状和中构造特征行列式的碎片化特征。因此,重要的是要链接的破碎性能本金保证产品中构造复杂。

定性和定量的分析中构造特点和mesocrack进化机制将导致更精确的描述,从而改善破碎过程(5]。二维中尺度有限元模型与现实中构造的具体开发使用micro-XCT图像来模拟复杂的非线性断裂(6,7]。沥青混合料的微观结构特征在不同压实能力研究(8,9]。物理和沿海砂含水层的水力特性推导出使用微和研究所计算机断层扫描(XCT)技术(10,11]。铜和铁矿石碎使用颚式破碎机第一,然后是产品评估粒子和铜颗粒接触的损害x射线计算机断层扫描(12,13]。可口可乐的有限元模型是使用micro-X-ray CT,生成和焦炭强度进行数值计算使用其微观结构(14]。的原理、优点和XCT本身的局限性,加上一些当前应用程序的概述geomaterials [ct机的15- - - - - -19]。

描述多相矿物使用XCT技术将是非常有用的一种改进的理解煤颗粒破碎过程。新的图像处理技术结合随机分析也用于分析煤的多孔结构的3 d图像(20.]。矿物暴露和最终的复苏的分数对于一个给定的粒度分布可以由x射线microtomography [21]。个别多相粒子的特性研究了阿里亚斯和米勒(22],提出的一些有效的算法也米勒和林研究中构造不同的矿物质(23- - - - - -25]。从上述分析,大部分的研究调查中构造的单个粒子,但只有一小部分已研究了煤矸石样本XCT扫描研究非常有限,结果是不确定的。此外,夹杂物在单个粒子通常被认为是一个多边形不规则体,具有巨大的差异与真正的内部中构造在单独的本金保证产品。这也可能导致理论和数值模型,不能研究个人本金保证产品不准确的断裂特征。

在这项研究中,我们的目标是提高理解mesomorphologies本金保证产品(如几何形状、3 d mesomorphological参数和内部成分)和他们的相关性与加载条件,结合micro-XCT扫描测试和数值模拟。大量的原始煤矸石样品用不同的内部中构造详细检查使用不同的图像处理技术。一个可靠的三维细观数值方法(基于图像DE模型)也提出了研究三维断裂演化过程mesolevel HCR不同冲击速度下的。

2。XCT图像采集、处理和分析

2.1。XCT扫描

挤碎本金保证产品的粒径范围从10∼100毫米,是登封矿业提供的在中国,只是用一个圆柱形容器(图1(一)(图)和飞利浦milli-CT扫描设备1 (b))。3 d图像数据获得飞利浦milli-CT设备包含901年的预测512年立体像素分辨率为470×512像素μm。另一个更高清晰度的微- xct - 400机(图1 (c))是用来扫描1∼5毫米大小的微粒(26]。数据1 (d)和1 (e)显示了试样容器直径40毫米和5毫米,分别。这些优良的样本容器中紧密获得更高质量的图像体素的大小32μ为后续的数据分析。

图2显示了分段的CT值的变化沿probeline AB 2 d图像。敏感的位置被使用线性探针检查确认的本金保证产品是多相粒子。如图2,不同的矿物阶段清楚地区分不同的灰度级别。深灰色,浅灰色,浅白色区域表示的部分煤炭、煤矸石、分别和黄铁矿的矿物颗粒。这些原始CT图像处理和分析获得定量信息描述个人本金保证产品的3 d中构造。

2.2。CT图像处理和分割

一系列的图像处理过程,包括图像去噪和图像增强,应该应用于原始CT图像,旨在增加后续处理算法的精度。很明显,分割是最关键的步骤之一获得准确的形态学参数的过程中粒子之间的边界地区阶段和裂缝。准确地定量分析粒子伤害,从背景中分割的粒子阶段和裂缝是通过传统的阈值算法或基于特征分类算法(27,28),这取决于不同的粒子阶段和裂缝特征的粒子。传统的阈值分割算法适合于大多数粗煤矸石颗粒,由于内部的高对比度边界粒子和足够的扫描分辨率。但是,对于一个细粒子图像尺度参数(即。,粒子大小和立体像素大小的比例(28)小于30(图3(一个)(图)或人工CT图像3 (d)),传统的阈值通常能提供令人不满意的结果,因为一些声音类似于我们感兴趣的区域和对比度不足边界,如图3 (b)和3 (e),分割图像不满意的详细分析的内部成分和内部损失。正确地识别在粒子内部组成和内部损伤XCT可以挑战,由于对比不足边界附近或小特征分辨率极限。

在这方面,基于特征的分类方法,它不仅需要图像强度,而且一系列图像特性考虑来确定粒子边界(29日),提取有用的特性提出了实现更好的分割效果(30.]。首先,红色和绿色线条标注为粒子的训练集阶段和背景,分别(图4(一))。然后,随机从所选数据训练分类器,和颗粒的提取图像和背景图像数据所示4 (b)和4 (c),分别。最后,小规模的改善分割结果图像和人工CT图像数据所示3 (c)和3 (f),分别。它证明了基于分类方法是一种强大的工具来提高精度的具体形象。

同样,不同的矿物阶段和背景区域被选中作为训练集,从背景中不同矿物阶段(空气)。小规模的改善分割结果图像和人工CT图像如图5满意为后续的分割过程和详细的定量分析多相粒子。表1综合分析比较的结果显示了不同的算法。如表所示1,基于功能特性的分割算法被发现在小规模的分析执行很好本金保证产品的图片。事实上,对于小规模的本金保证产品形象(28)规模参数,精度区别这两个算法可以达到28.08%时,传统的图像分割被基于特征分割所取代。人工图像的本金保证产品(84年尺度参数),误差范围是6.34%,当传统图像分割被基于特征分割所取代。

3所示。3 d个人使用XCT粒子特性

3.1。个人本金保证产品的内部组成特征

随机选择10粒子的强度直方图如图所示6。很明显从图6单个粒子的强度特征显示不同的分布特征,和更高的密度矿物相强度更高的价值。多相粒子的强度频率分布曲线显示multipeak特征。进一步的分析验证,个别本金保证产品可以分为三种类型:单相粒子,双相粒子,三相的粒子。在这方面,选取了三个典型的粒子,强度确定直方图,分别说明单个粒子的差异。频率分布曲线和三维体绘制图像数据所示7- - - - - -9,分别。

强度频率分布曲线和三维体绘制的图像选择单相粒子数据所示7(一)和7 (b),分别。很明显,个别本金保证产品的强度直方图安装使用正态分布模型。煤强度直方图变化从0到450,和它的峰值是315。煤矸石颗粒,强度直方图变化从1200年到2400年,和它的峰值是1763。煤矸石的强度直方图粒子只有一个峰值,这进一步表明,选择煤矸石颗粒是一种单相的矿物质。它也可以从图7强度直方图分布之间存在很大的不同的煤和煤矸石、可以很容易地区别强度直方图。

图8显示的结果强度频率分布曲线和三维体绘制图像的选择双相粒子。从图中所示的曲线表示8,强度值的变化从100年到2100年,强度和频率分布曲线有两个峰,这表明所选择的粒子是一种双相粒子(单个粒子由煤和煤矸石合成,分别)。双相粒子的强度直方图通过multinormal分布进行了分析。可以看出,实验数据非常吻合,相关的频率分布和强度值。进一步分析表明,煤和煤矸石的体积分布比例分别为82.91%和17.09%,分别。

图9显示所选的强度直方图和体绘制三相粒子。强度直方图给出了三峰分布,强度值从120年到3100年不等。三个阶段的峰值可以达到710年,1500年和3078年,分别。体积比例分布的煤、煤矸石、和黄铁矿是23.27%,41.58%,和35.15%,分别。

3.2。描述的3 d Mesomorphological参数

为了说明个人的内部损失本金保证产品,所选煤颗粒的原始CT图像如图10 ()通常分割和重建(图10 (b)从填料粒子床)。很明显,裂缝在不同片和内部损坏可以明确确定从原来的CT图像。这些原煤CT图像使用不同的分割算法得到满意处理二进制图像如图11。

如图11,黑色所示的裂缝被提取不同的片,颗粒边界是灰色的颜色标记。CT图像分割提供定量的信息描述单个粒子的内部损伤,以及定量分析结果表中可以看到2。计算索引表所示2介绍了在31日- - - - - -34]。很明显,不同mesomorphological参数(裂缝数量、长度、宽度、周长、面积,和角)可以获得不同的片。骨折率的变化趋势的不同片选择单个粒子如图12。如图12期间,有两个山峰片7∼15和45∼62,这表明断裂的煤颗粒相对严重程度这两个部分。很明显从图12不同的片有不同的骨折率,这表明不同的损伤程度是存在于内部的粒子。三维定量分析进一步表明,骨折率可以达到5.06%。

从上述分析,证明中构造个人本金保证产品可以定性和定量分析后加载(即。、体积分数、大小、形状和空间分布的矿物阶段)。由于影响加载过程总是发生在几微秒,整个断裂过程的连续调查与当前XCT技术还没有可行的技术原因。在这方面,三维数字图像DE模型提供了一种可行的方法来检查中构造损伤与断裂的进化,在下一节中详细描述。

4所示。XCT映像的DE模拟

4.1。3 d图像模型生成

煤炭立方体试样的大小(图32毫米(13日))从原煤剪裁的3 d数据集16位浮点数有1372片。对于每一个片,有1720×1771像素的32μ米x×y方向的采样图像数据集。减少数据处理时间,3 d数据大小减少到500 MB的三维原始数据集的决议还压缩来自32个μm - 100μ使用Avizo软件。这些原始压缩CT图像分割得到的3 d mesomorphologies HCR,然后重建三维表面模型。这是紧随其后的是拉普拉斯算子的滤波(35)(图13 (b))和表面简化36简化的表面模型(图)13 (c))。如图13 (c),有36386个三角形表面简化模型。

映像的DE造型过程中,总91672离散元素(球)半径0.433毫米被放入了简化的表面模型生成3 d DE模型(图13 (d))。如图13 (d)、77387年和14285年球被鉴定为煤和煤矸石集群基于煤相的形状和煤矸石阶段,分别。遵循过程解决球,直到他们的总动能变得微不足道。

在民主党的分析中,宏观力学参数,如弹性模量E,泊松比μ,抗压强度σ,不能直接进入数值模型。因此,它是至关重要的选择合适的数值模型,旨在代表mesoparameters HCR的准确的宏观力学行为。标定方法是用来确定这些适当的mesoparameters,和详细的校准过程37,38被显示在图14,详细描述如下:(1)选煤样进行单轴压缩试验来确定固有的材料参数,如弹性模量、剪切模量、泊松比、抗压强度。(2)建立三维德在PFC3D HCR模型。(3)进行单轴压缩模拟3 d DE hcr模型确定mesomechanical参数。(4)计算仿真和实验参数进行比较,旨在调整hcr mesoparameters。如果不一致的仿真结果与实验参数,应该创建一个新的数值模型通过修改mesoparameters直到仿真参数与实验参数一致。

的假定mesoparameters HCR、DEM计算提供了单轴抗压强度为8.9 MPa, 3.9的绩点的抗压弹性模量,泊松比为0.21,同样是在标准的煤岩单轴压缩实验(σ= 9.6 MPa,E= 4.2的绩点,μ= 0.23)。的最后mesoparameters仿真模型如表所示3。

4.2。动态影响的模拟

颗粒流模拟,代码在三维空间(PFC3D)在5.0版本中39选择]DE模型在动态冲击负载的情况下运行。在积极的动态冲击荷载y设在方向模型探讨3 d中构造影响不同冲击速度下的损伤模式和断裂机制。3 d DE HCR模型下积极的y负载如图15。如图15创建,顶部和底部墙应用积极的负载y方向,理想的冲击速度对应于一个特定的高度h是应用于墙顶部和底部墙仍是固定的,自由和侧向变形是允许的。下面描述仿真结果,时间演进HCR-wall墙力生成的接口和损伤率(40- - - - - -42(即。,the damage ratio of coal and gangue is defined as the ratio of the number of broken bonds and initial bonds in the coal phase and gangue phase, respectively) are selected as the two important parameters to quantitatively characterize failure patterns and load-carrying capacities.

影响模拟HCR被用来检查破损的行为是如何影响不同的积极影响速度y加载模式。应该注意的是,在数值模拟过程结束的条件力达到最大墙的60%。墙上力量HCR作为时间的函数y负载在不同冲击速度图所示16,关键加载点(∼D(积极y负载)墙力曲线的标志在8 m / s,分别。如图16,最大力量HCR计算是69.01,69.37,82.33,87.43,和83.94 KN负面的y载荷与速度的影响6、8、10、12、14米/秒,分别有17.78%的最大区别。墙的最大力量增加第一然后略微减少,这表明,存在一个最佳的冲击速度与最佳破碎效果但没有过度的能源消耗。图17比较的损害比结果HCR和不同矿物阶段(分别为煤和煤矸石)受到积极的影响y负载在不同速度的影响。如图17,损坏HCR和煤阶段的比率远高于煤矸石阶段积极的结果y加载模式,这表明煤矸石阶段不太积极的损坏y加载模式。

内部损伤的起始状态和演化状态HCR积极y负载图所示18。四个关键加载点(∼D)在积极的一面y加载模式的选择在8 m / s曲线来说明煤矸石接口如何影响起始和传播损失。应该注意到片段的颜色,这取决于提供的内置语言鱼PFC3D,主要由HCR的进化状态造成的。如图18生成,只有很少比例的细碎屑在装载点A HCR-wall界面损伤乐队往往传播从煤矸石界面形成的几种主要碎片由于HCR和墙之间的相对运动,可以看到在装载点B D的进化状态很明显的演化图像关键点∼D的伤害提升者在煤矸石主要接口,导致代几个煤碎片在煤矸石主要接口,和只有上部的煤矸石阶段改变到故障状态。这表明,破坏乐队往往传播沿煤矸石界面加载方向的情况下,这几乎是垂直于煤矸石接口的发展方向。

5。结论

介绍了一个应用程序的毫,micro-XCT中构造特征的个体本金保证产品和失效模式分析模拟使用动态的影响。详细研究提出了定量计算中构造的描述个人本金保证产品和定量数值模拟结果也显示如下:(1)传统的阈值分割算法和基于特征分类算法提出了识别粒子边界和矿物相的边界本金保证产品。它证明了基于分类算法具有良好的分割结果的小规模的CT图像和人工CT图像。内部的体积比例分布成分和个人本金保证产品可以通过不同的初始伤害XCT图像分析方法。(2)内部组成和矿物相的三维空间分布在单个粒子可以使用XCT的技术特点。单个粒子的mesomorphological参数也小心翼翼地量化使用各种图像处理技术。mesomorphological参数定义的所有的个人本金保证产品,包括裂纹长度、角度、宽度、和断裂比,在个人本金保证产品呈现不同的分布特征。(3)影响模拟HCR被用来检查破损的行为是如何影响不同冲击速度下的3 d中构造。煤矸石相的形状和近似位置的接口是应该考虑的关键参数研究的进化过程mesocracks桥接成几个主要片段。这项研究表明结合milli -和micro-XCT测试和基于图像的建模是一种有效的技术探讨hcr内部损伤和失效模式。

命名法

ρc:	煤的密度相(公斤/米3)
:	煤矸石的密度相(公斤/米3)
Ec:	煤阶段(Pa)的弹性模量
:	煤矸石阶段(Pa)的弹性模量
:	泊松比的煤阶段
:	泊松比的煤矸石的阶段
:	债券半径(米)
:	最大拉应力(Pa)
:	最大剪切应力(Pa)
β:	那一刻的贡献因素
:	球刚度比
:	抗拉强度(Pa)
:	凝聚力(Pa)
:	摩擦角(°)
:	正常的阻尼比。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由中国博士后科学基金会资助(2018 m630676),中国国家自然科学基金(51675521和51675521号),浙江基本公共福利研究项目(没有。LHZ19E090002),打开我的山东省重点实验室机械工程基础(2019号klmm105)。

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