一种考虑能量时间效应的岩石劣化模式判别方法及系统

本发明涉及岩石动态力学试验与冲击破坏机理分析，特别涉及一种考虑能量时间效应的岩石劣化模式判别方法及系统。

背景技术：

0、技术背景

1、岩石在深部开采、隧道爆破、冲击防护等工程环境中常受到瞬态冲击荷载作用，其破坏形态可能表现为内部损伤累积、裂纹扩展贯通或整体破碎等不同状态。

2、现有岩石冲击破坏分析多依赖峰值应力、应变率、耗散能总量、破碎块度或试验后外观观察等指标进行评价，该类指标能够反映破坏强弱，但对破坏过程中的差异性表达不足，且对于耗能水平接近的试样，不同岩性、初始缺陷和加载条件可能导致明显不同的劣化结果，仅凭单一宏观指标难以准确区分其主导破坏类型。同时，现有判别方式往往偏重试验后结果统计，缺少对试样内部损伤、断裂发展和碎块形态之间关联关系的综合考虑，容易造成评价结果片面。部分方法还依赖人工观察或经验阈值，主观性较强，难以满足岩石冲击劣化模式定量化、稳定化判别的需求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例提供一种考虑能量时间效应的岩石劣化模式判别方法及系统，以解决或缓解现有技术中存在的技术问题。

2、本发明实施例的技术方案是这样实现的：一种考虑能量时间效应的岩石劣化模式判别方法，包括以下步骤：

3、s1、对岩石试样进行分离式霍普金森压杆冲击试验，获取入射波信号、反射波信号和透射波信号，并基于所述入射波信号、反射波信号和透射波信号获得耗散能时程和能时密度谱；对冲击后的岩石试样分别进行核磁共振检测、三维断面扫描和碎块图像采集，获得细观孔隙数据、断裂面点云数据和碎块形态数据。

4、本实施例中，具体地，采用分离式霍普金森压杆试验系统对岩石试样施加冲击荷载，通过设置在入射杆和透射杆上的应变片采集入射波信号 、反射波信号 和透射波信号 。基于采集得到的应力波信号，分别计算入射能时程 、反射能时程  和透射能时程 ，并获得耗散能时程 。

5、入射能时程、反射能时程、透射能时程和耗散能时程按照下列公式计算：

6、

7、；

8、；

9、；

10、其中， 为压杆横截面积， 为压杆中弹性波波速， 为压杆弹性模量， 为积分变量。

11、在获得耗散能时程  后，对耗散能时程进行时频分析，建立动态自适应时间窗算法将加载过程划分为多个时域子区间，并结合应力均匀性量化指标筛选有效计算域。在有效计算域内定义基础能时密度函数，引入时间尺度变量  和归一化窗函数构建多元能时密度函数 ，并基于多元能时密度函数获得能时密度谱。

12、本实施例中，将多元能时密度函数  拓展为零阶、一阶和二阶张量形式。零阶能时密度张量  为多元能时密度函数在有效时域与尺度域上的二重积分：

13、

14、其中，积分域  为有效时域与尺度域的笛卡尔积。

15、一阶能时密度张量  用于表征能量变化梯度特征，为由多元能时密度函数对时间和时间尺度的偏导数构成的向量场：

16、

17、其中， 为时间梯度，用于表征能量密度随时间的变化速率； 为尺度梯度，用于表征能量密度随观测尺度的变化速率。

18、二阶能时密度张量  用于表征能量在时间-尺度空间上的分布结构特征，为由二阶偏导数构成的hessian矩阵：

19、

20、其中， 表示能量密度在时间方向上的集中程度， 表示能量密度在尺度方向上的集中程度， 表示时间维度与尺度维度之间的耦合强度。

21、s2、根据所述能时密度谱识别能量作用过程的峰值时刻，并以所述峰值时刻为分界点，将能量作用过程划分为峰前能量积累阶段和峰后能量耗散阶段，提取包括峰值时刻、半高宽、峰前能量注入平均速率、峰后能量下降速率、峰前峰后能量比、峰前峰后主导频率比和时频聚集度在内的能量时间特征向量。

22、本实施例中，具体地，峰值时刻  为能时密度谱在时域上达到全局最大值时对应的时间坐标。以峰值时刻  为分界点，将能量作用过程划分为峰前能量积累阶段和峰后能量耗散阶段。峰前能量积累阶段用于反映冲击能量向试样内部集中注入并推动裂纹萌生、扩展的过程；峰后能量耗散阶段用于反映峰值之后能量快速释放、裂纹贯通或碎块形成的过程。

23、所述能量时间特征向量  包括峰值时刻 、半高宽 、峰前能量注入平均速率 、峰后能量下降速率 、峰前峰后能量比 、峰前峰后主导频率比  和时频聚集度 ，可表示为：

24、

25、其中，半高宽  为能时密度谱峰值对应的时间持续宽度，用于反映能量集中作用的持续时间；峰前能量注入平均速率  用于表征峰前能量积累阶段的能量输入快慢；峰后能量下降速率  用于表征峰后能量耗散阶段的能量衰减快慢；峰前峰后能量比  用于表征峰前积累能量与峰后耗散能量之间的比例关系；峰前峰后主导频率比  用于表征峰前阶段主导频率与峰后阶段主导频率之间的差异；时频聚集度  用于表征能时密度谱峰值区域能量相对于总能量的集中程度。

26、s3、根据s1中所述细观孔隙数据、断裂面点云数据和碎块形态数据，分别提取细观损伤特征参数、宏观断裂特征参数和整体破碎特征参数，并汇总形成多尺度劣化特征向量。

27、本实施例中，具体地，所述细观损伤特征参数通过核磁共振检测获得。采用核磁共振仪对冲击后的岩石试样进行弛豫时间谱测试，获取试样内部孔隙分布数据；将岩石试样的三维数字模型划分为多个体素单元，并采用模拟退火算法根据弛豫时间谱反演得到三维体素化孔隙模型；对三维体素化孔隙模型进行距离变换和局部极大值搜索，采用最大球算法提取孔隙体和喉道，生成孔隙网络拓扑结构；根据三维体素化孔隙模型及孔隙网络拓扑结构，提取孔隙率变化量 、孔隙连通度增量 、孔隙体积分布偏度系数  和平均配位数 ，作为细观损伤特征参数。

28、所述宏观断裂特征参数通过三维断面扫描获得。采用三维激光断面扫描仪获取冲击后岩石试样断裂面的三维点云数据，并将三维点云数据插值到均匀网格上生成断裂面高度矩阵；采用二维变分模态分解方法将断裂面高度矩阵分解为多个不同空间尺度的二维本征模态分量；分别在各二维本征模态分量上计算修正的grasselli粗糙度参数和各向异性指数，并根据各尺度模态的能量占比确定多尺度分解权重；根据各尺度粗糙度参数序列和各向异性指数序列，获得粗糙度多尺度分形维数  和各向异性指数均值 ，作为宏观断裂特征参数。

29、所述整体破碎特征参数通过碎块图像采集处理获得。收集冲击试验后岩石试样产生的全部碎块，并对粉末状碎屑进行补充收集和计量；将全部碎块平铺于背景板上，采用高分辨率工业相机采集碎块图像，并通过标定尺进行像素尺寸与实际尺寸的比例换算；对碎块图像进行灰度转换、滤波、自动阈值二值化分割和局部质心分割，以将相邻或轻微粘连的碎块图像区域分割为多个相互独立的碎块区域；基于独立碎块区域提取长轴尺寸、短轴尺寸、长轴短轴比分布、棱角度、碎块粒径分布、碎块分形维数 、特征粒径 、长轴短轴比均值  和长轴短轴比标准差 ，作为整体破碎特征参数。

30、所述多尺度劣化特征向量  可表示为：

31、

32、通过上述多尺度劣化特征向量，可以同时表达岩石试样在细观孔隙尺度、宏观断裂面尺度和整体碎块尺度上的劣化状态。

33、s4、采用多元统计回归分析方法，建立所述能量时间特征向量与所述多尺度劣化特征向量之间的映射关系，形成跨尺度关联模型。

34、本实施例中，具体地，采集多组不同冲击工况下的能量时间特征向量  和多尺度劣化特征向量  作为训练数据。对每组试验数据，将能量时间特征向量作为输入变量，将细观损伤特征参数、宏观断裂特征参数和整体破碎特征参数作为输出变量，分别建立细观损伤映射模型、宏观断裂映射模型和整体破碎映射模型。

35、在一种实施方式中，细观损伤映射模型包括：

36、

37、宏观断裂映射模型包括：

38、

39、整体破碎映射模型包括：

40、

41、其中， 为通过多元统计回归分析获得的映射函数。

42、同时，建立细观损伤特征向宏观断裂特征传递、宏观断裂特征向整体破碎特征传递的跨尺度关联关系。通过该跨尺度关联关系，可以反映岩石冲击劣化过程中由孔隙扩展到裂纹形成，再由裂纹贯通发展为整体破碎的演化路径。

43、s5、根据所述跨尺度关联模型建立基于能量时间特征的劣化模式判据，并将岩石冲击劣化模式划分为损伤主导型、断裂主导型和破碎主导型，并确定各类判据的阈值条件。

44、本实施例中，具体地，以试验观测得到的劣化模式作为判别基准，对能量时间特征中各参数进行贡献权重分析，确定核心判别参数和辅助判别参数；通过受试者工作特征曲线分析确定各判别参数的阈值条件。所述核心判别参数包括峰值时刻 、峰前能量注入平均速率 、时频聚集度  以及峰前峰后能量比 ；所述辅助判别参数包括半高宽 、峰后能量下降速率  以及峰前峰后主导频率比 。

45、当峰值时刻较晚、峰前能量注入平均速率较低且时频聚集度较低时，判别为损伤主导型。损伤主导型表示冲击能量作用过程相对分散，能量注入速率较低，主要诱发试样内部孔隙扩展和微裂纹萌生，试样整体仍保持完整或仅发生轻微剥落。

46、当峰值时刻、峰前能量注入平均速率和时频聚集度均处于中间范围，且峰前峰后主导频率差异处于预设容差范围内时，判别为断裂主导型。断裂主导型表示冲击能量能够促使裂纹扩展并形成贯通断裂面，但未造成试样整体充分破碎。

47、当峰值时刻较早、峰前能量注入平均速率较高、时频聚集度较高且峰前峰后能量比较高时，判别为破碎主导型。破碎主导型表示冲击能量在较短时间内高度集中输入，导致裂纹快速贯通、扩展和交汇，最终形成多个碎块或整体破碎状态。

48、一种考虑能量时间效应的岩石劣化模式判别系统，用于任一项所述考虑能量作用时间效应的岩石劣化模式判别方法，所述系统包括多尺度信息采集子系统、能时密度特征提取子系统、跨尺度关联建模子系统和劣化模式判据生成子系统。

49、所述多尺度信息采集子系统用于获取冲击后岩石试样的细观孔隙数据、断裂面点云数据和碎块形态数据，并输出多尺度劣化特征。

50、所述能时密度特征提取子系统用于接收能时密度谱和耗散能时程，执行能量作用过程的阶段划分和能量时间特征提取，并输出能量时间特征。

51、所述跨尺度关联建模子系统用于接收多组不同冲击工况下的能量时间特征和多尺度劣化特征，建立能量时间特征与多尺度劣化特征之间的映射关系。

52、所述劣化模式判据生成子系统用于根据跨尺度关联建模子系统的分析结果确定判据阈值，生成损伤主导型、断裂主导型和破碎主导型三类劣化模式判据，并输出岩石劣化模式类型及置信度评分。

53、进一步地，所述多尺度信息采集子系统包括核磁共振检测单元、三维断面扫描单元和碎块图像采集处理单元。

54、所述核磁共振检测单元包括核磁共振分析仪主机、试样探头、脉冲序列控制器、t2谱反演模块、内置模拟退火算法的三维体素化反演模块、内置最大球算法的孔隙网络模型构建模块和细观参数计算模块。所述核磁共振检测单元用于输出孔隙率变化量 、孔隙连通度增量 、孔隙体积分布偏度系数  和平均配位数 。

55、所述三维断面扫描单元包括三维激光断面扫描仪、点云预处理模块、内置二维变分模态分解算法的多尺度分解模块、修正grasselli粗糙度计算模块和宏观参数计算模块。所述宏观参数计算模块用于输出粗糙度多尺度分形维数  和各向异性指数均值。

56、所述碎块图像采集处理单元包括高分辨率工业相机、标定尺、图像预处理模块、局部质心分割模块、基于二阶中心矩的几何参数提取模块、极大似然估计模块、分形维数计算模块、特征粒径计算模块和整体破碎参数输出模块。所述整体破碎参数输出模块用于输出碎块分形维数 、特征粒径 、长轴短轴比均值  和长轴短轴比标准差。

57、进一步地，所述能时密度特征提取子系统包括能时密度谱输入接口、峰值时刻识别模块、阶段划分模块、峰前特征提取模块、峰后特征提取模块、综合特征计算模块和能量时间特征输出模块。能时密度谱输入接口用于接收能时密度谱  和耗散能时程；峰值时刻识别模块用于识别能量作用过程的峰值时刻 ；阶段划分模块用于以峰值时刻  为分界点划分峰前能量积累阶段和峰后能量耗散阶段；峰前特征提取模块用于提取峰前能量注入平均速率、峰前积累能量和峰前主导频率；峰后特征提取模块用于提取峰后能量下降速率、峰后耗散能量和峰后主导频率；综合特征计算模块用于计算半高宽、峰前峰后能量比、峰前峰后主导频率比和时频聚集度；能量时间特征输出模块用于输出能量时间特征向量 。

58、进一步地，所述跨尺度关联建模子系统包括训练数据管理模块、细观损伤映射建模模块、宏观断裂映射建模模块、整体破碎映射建模模块、跨尺度关联关系建立模块和模型可靠性评估模块。训练数据管理模块用于存储不同冲击工况下的  数据对；细观损伤映射建模模块用于建立能量时间特征与细观损伤特征参数之间的映射关系；宏观断裂映射建模模块用于建立能量时间特征与宏观断裂特征参数之间的映射关系；整体破碎映射建模模块用于建立能量时间特征与整体破碎特征参数之间的映射关系；跨尺度关联关系建立模块用于建立细观损伤特征、宏观断裂特征和整体破碎特征之间的传递关系；模型可靠性评估模块用于评估映射模型的拟合程度和判别可靠性。

59、进一步地，所述劣化模式判据生成子系统包括特征权重分析模块、阈值确定模块、损伤主导型判据模块、断裂主导型判据模块、破碎主导型判据模块和综合判别模块。特征权重分析模块用于确定能量时间特征中各参数对劣化模式判别的贡献；阈值确定模块用于根据受试者工作特征曲线分析确定各判别参数的阈值条件；损伤主导型判据模块用于输出损伤主导型判别结果；断裂主导型判据模块用于输出断裂主导型判别结果；破碎主导型判据模块用于输出破碎主导型判别结果；综合判别模块用于对输入数据依次通过三类判据模块，并输出劣化模式类型及置信度评分。

60、本发明与现有技术相比，具有以下优点：

61、本发明通过将能量作用时间引入岩石冲击劣化模式判别过程，不仅关注耗散能大小，还进一步考虑峰值时刻、半高宽、峰前能量注入平均速率、峰后能量下降速率、峰前峰后能量比、峰前峰后主导频率比和时频聚集度等能量时间特征，能够更准确地区分不同冲击条件下能量作用过程对岩石劣化模式的影响。

62、本发明通过核磁共振检测、三维断面扫描和碎块图像采集处理，分别获得细观损伤特征参数、宏观断裂特征参数和整体破碎特征参数，实现了从细观孔隙、宏观断裂面到整体碎块形态的多尺度劣化表征，避免了单一尺度评价造成的判别偏差。

63、本发明通过采用多元统计回归分析方法建立能量时间特征向量与多尺度劣化特征向量之间的映射关系，形成跨尺度关联模型，能够反映能量输入时间特征与孔隙扩展、断裂面形成和整体破碎之间的传递关系。

64、本发明通过建立了损伤主导型、断裂主导型和破碎主导型三类劣化模式判据，通过阈值条件和置信度评分输出判别结果，提高了岩石冲击劣化模式判别的客观性和可重复性。

65、本发明通过提供的系统由多尺度信息采集子系统、能时密度特征提取子系统、跨尺度关联建模子系统和劣化模式判据生成子系统构成，各子系统之间数据流转关系清楚，能够实现从试验数据采集、特征提取、跨尺度建模到模式判别输出的完整流程，便于在岩石冲击试验平台中集成应用。