巖石破裂過(guò)程聲發(fā)射動(dòng)態(tài)顯示虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

張春明　楊天鴻

摘 要： 利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將單軸壓縮實(shí)驗(yàn)采集的應(yīng)力應(yīng)變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和聲發(fā)射系統(tǒng)采集的聲發(fā)射信息，與巖石試件的三維模型和巖石破裂面的宏觀信息全部集成到同一虛擬場(chǎng)景中，不但可以為學(xué)生提供觀察各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一種可視化手段，而且可以對(duì)巖石破裂過(guò)程中的聲發(fā)射事件進(jìn)行形象直觀的動(dòng)態(tài)模擬顯示。這將有助于加深學(xué)生對(duì)巖石破裂實(shí)驗(yàn)的理解，對(duì)巖石力學(xué)課程的教與學(xué)具有非常重要的意義。

關(guān)鍵詞： 巖石力學(xué); 聲發(fā)射; 巖石破裂; 動(dòng)態(tài)模擬; 虛擬現(xiàn)實(shí)

中圖分類號(hào)： TP 311文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

VR Experimental Teaching System for Dynamic Demonstration of

Acoustic Emission in Rock Failure Process

ZHANG Chunming， YANG Tianhong

（School of Resources and Civil Engineering， Northeastern University， Shenyang， Liaoning 110006， China）

Abstract： By way of the virtual reality technology， the stress and strain experimental data collected from the uni-axial compression experiment and the acoustic emission information collected by the acoustic emission system are integrated into a virtual scene together with the three-dimensional model of rock specimen and affiliated surface information. It provides students with a visual means to observe various experimental data and implement a dynamic simulation of acoustic emission events during rock failure. It can help students deepen their understanding of rock failure experiments and is of great significance to the teaching and learning of rock mechanics.

Key words： rock mechanics; acoustic emission; rock failure; dynamic simulation; virtual reality

0 引言

本文依次介紹了巖石破裂實(shí)驗(yàn)的物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程。在數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中，利用我們研制的巖石破裂過(guò)程聲發(fā)射動(dòng)態(tài)顯示虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)或稱巖石破裂過(guò)程聲發(fā)射動(dòng)態(tài)顯示虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)（以下有時(shí)也簡(jiǎn)稱本系統(tǒng)），將單軸壓縮實(shí)驗(yàn)采集的應(yīng)力應(yīng)變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和聲發(fā)射系統(tǒng)采集的聲發(fā)射信息，與巖石試件的三維模型和巖石破裂面的宏觀信息等一起集成到同一虛擬場(chǎng)景系統(tǒng)中進(jìn)行綜合分析，不但可為學(xué)生觀察各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供一種可視化手段，而且可以對(duì)巖石破裂過(guò)程中的聲發(fā)射事件（也簡(jiǎn)稱AE事件）進(jìn)行形象直觀的動(dòng)態(tài)模擬顯示，如圖1所示。該系統(tǒng)有助于加深學(xué)生對(duì)巖石破裂實(shí)驗(yàn)的理解，對(duì)巖石力學(xué)課程的教與學(xué)具有非常重要的意義。

1 物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備

巖石破裂實(shí)驗(yàn)用到的主要設(shè)備包括：

1） TAW-3000三軸巖石伺服壓力機(jī)。它由軸向加載系統(tǒng)、圍壓系統(tǒng)、孔隙水壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等幾部分組成，具有控制精度高、可靠性能強(qiáng)等特點(diǎn)，最大軸向力3 000 kN，軸向變形測(cè)量范圍0～8 mm，徑向變形測(cè)量范圍0～4 mm，最大圍壓100 MPa。

2） PCI-II型16通道聲發(fā)射系統(tǒng)。采樣頻率范圍1 KHz～3 MHz，內(nèi)置18位A/D轉(zhuǎn)換器，具有較高的信號(hào)處理精度，可對(duì)聲發(fā)射特征參數(shù)/波形進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，包括聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)時(shí)間、上升時(shí)間、馳豫時(shí)間、最大幅值、能量和聲發(fā)射數(shù)目等。

1.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作

依照國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)建議的方法制備巖石試件[1]，試件尺寸為Φ70×140 mm。將試件置于壓力機(jī)中，并將8個(gè)聲發(fā)射傳感器分別布置在試件四周表面距試件頂端和底端2 cm的位置，用膠皮帶固定，再涂上凡士林作為耦合劑。如圖2所示。

1.3 技術(shù)路線

用壓力機(jī)對(duì)巖石試件進(jìn)行單軸應(yīng)力加載，加載速率為200 N/s。由于巖石屬于非均勻材料，內(nèi)部存在很多缺陷結(jié)構(gòu)，在荷載作用下巖石內(nèi)部將產(chǎn)生裂紋、破裂和變形，直至巖石損壞。具體地說(shuō)，在加載過(guò)程中，當(dāng)巖石的強(qiáng)度小于所受的外部荷載時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生新裂紋或是原有微裂紋發(fā)生擴(kuò)展、位錯(cuò)或脆性斷裂，與之相伴生的各種不同頻率的彈性波（聲發(fā)射信號(hào)）將向四周傳播，并不斷發(fā)生反射、折射及衰減[2-5]。這些信息借助于聲發(fā)射設(shè)備可以完整地保存下來(lái)，再與采集到的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)結(jié)合，用于巖石破裂過(guò)程的反演分析。

2 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 技術(shù)路線

由于中視典VRP三維虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)能夠與3DS Max建模軟件無(wú)縫集成，并提供了C#等主流編程語(yǔ)言的二次開(kāi)發(fā)接口，因此，我們?cè)谠撈脚_(tái)基礎(chǔ)上通過(guò)二次開(kāi)發(fā)構(gòu)建了巖石破裂過(guò)程聲發(fā)射動(dòng)態(tài)顯示虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，并用于數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，初步實(shí)現(xiàn)應(yīng)力、應(yīng)變和聲發(fā)射數(shù)據(jù)的可視化及動(dòng)態(tài)模擬顯示。

首先在3D建模軟件（如3DS Max）中建立巖石試件的三維模型，并標(biāo)注傳感器布設(shè)位置及編號(hào)。通過(guò)3GSM 三維巖體不接觸測(cè)量技術(shù)獲得破裂面信息，在AutoCAD軟件中進(jìn)行精簡(jiǎn)后嵌入到三維模型中。巖石試件外觀照片則作為模型的表面貼圖。在3DS Max中安裝VRP-For-Max插件，并利用該插件提供的導(dǎo)出功能將制作完成的靜態(tài)模型導(dǎo)出到VRP平臺(tái)。但是巖石破裂過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬僅憑上述的靜態(tài)模型是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因此，有必要引入在物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄到的完整應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)及聲發(fā)射事件信息，并在此基礎(chǔ)上建立集各種信息為一體的巖石破裂過(guò)程動(dòng)態(tài)模型。為此，我們?cè)赩RP平臺(tái)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，研制出巖石破裂過(guò)程聲發(fā)射動(dòng)態(tài)顯示虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。它為學(xué)生提供了一種可視化分析手段和工具，學(xué)生籍此可以完成巖石破裂過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬顯示和反演分析。

系統(tǒng)首先讀取巖石破裂實(shí)驗(yàn)的壓力機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和聲發(fā)射實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行聲發(fā)射源的定位及相關(guān)事件率、事件累計(jì)數(shù)等的統(tǒng)計(jì)，最后將結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。其中聲發(fā)射源的定位主要是根據(jù)P波到達(dá)不同位置傳感器的時(shí)差來(lái)計(jì)算。本系統(tǒng)采用蓋格爾定位算法進(jìn)行聲源定位，并結(jié)合其他算法以提高定位精度[3-4]。然后，系統(tǒng)將聲發(fā)射信息，包括聲發(fā)射定位結(jié)果，如三維空間坐標(biāo)、發(fā)生時(shí)間、釋放能量大小、地震距（事件強(qiáng)度）和波形等信息集成到同一虛擬場(chǎng)景當(dāng)中，并動(dòng)態(tài)地顯示出來(lái)，同時(shí)將通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、時(shí)間-應(yīng)力曲線、時(shí)間-位移曲線等予以同步動(dòng)態(tài)顯示，使學(xué)生對(duì)巖石破裂演化過(guò)程有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)。學(xué)生需結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有針對(duì)性的分析，并基于彈脆性力學(xué)理論知識(shí)對(duì)巖石的破壞過(guò)程給出合理解釋。

2.2 聲發(fā)射數(shù)據(jù)的篩選與過(guò)濾

系統(tǒng)啟動(dòng)后會(huì)彈出一個(gè)對(duì)話框，用戶可以選擇是對(duì)全部還是部分的聲發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，比如可以篩選出特定時(shí)間范圍（由起始時(shí)間和終止時(shí)間確定，單位為秒）或一定能量范圍（由最小原始能量和最大原始能量確定）的聲發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。用戶還可設(shè)定是否以能量的對(duì)數(shù)來(lái)表示能量級(jí)。此外，還可以設(shè)定是否在聲發(fā)射球（球心位置代表對(duì)應(yīng)聲發(fā)射事件的定位點(diǎn)）表面顯示對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射事件編號(hào)。

此外，進(jìn)入系統(tǒng)后，系統(tǒng)還提供了交互式篩選聲發(fā)射事件的方法，用于手工根據(jù)坐標(biāo)位置排除不需要進(jìn)行分析的聲發(fā)射事件。通過(guò)上、下、左、右、前、后六個(gè)面正中央的操縱球分別向相應(yīng)方向移動(dòng)選擇框，直至將所有需要進(jìn)行分析的聲發(fā)射事件都包含在選擇框內(nèi)，而將所在不需要進(jìn)行分析的聲發(fā)射事件都排除在選擇框之外。

2.3 聲發(fā)射數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示

雙擊系統(tǒng)主界面的空白處，屏幕下方將顯示出控制面板，如圖3所示。

利用控制面板上的按鈕和功能選項(xiàng)，可以實(shí)現(xiàn)巖石破裂過(guò)程聲發(fā)射連續(xù)/單步動(dòng)態(tài)顯示及巖石試件加載過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬，并且可以在動(dòng)態(tài)加載模擬過(guò)程中同步繪制應(yīng)力-應(yīng)變/應(yīng)力-時(shí)間/應(yīng)變-時(shí)間等曲線。

2.3.1 巖石破裂過(guò)程聲發(fā)射連續(xù)動(dòng)態(tài)顯示

單擊控制面板上的“連續(xù)動(dòng)畫(huà)播放”按鈕，系統(tǒng)將按時(shí)間先后順序連續(xù)動(dòng)態(tài)地顯示巖石破裂過(guò)程中產(chǎn)生的聲發(fā)射事件。如果希望將動(dòng)畫(huà)分段進(jìn)行播放，可以在“每段動(dòng)畫(huà)時(shí)長(zhǎng)（s）”文本框中輸入每段動(dòng)畫(huà)的時(shí)長(zhǎng)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)按照設(shè)定的時(shí)長(zhǎng)將動(dòng)畫(huà)分成幾段進(jìn)行播放。由于輸入的時(shí)長(zhǎng)有可能與總時(shí)長(zhǎng)不成整數(shù)倍的關(guān)系，因此，最后一段動(dòng)畫(huà)的時(shí)長(zhǎng)相較其他段略少。除了可以隨時(shí)暫停播放以查看某一幀內(nèi)容外，為便于觀察細(xì)節(jié)，系統(tǒng)允許用戶設(shè)定上一幀播完后間隔多長(zhǎng)時(shí)間（ms）再播放下一幀。

本系統(tǒng)采用聲發(fā)射球來(lái)表示聲發(fā)射事件，其中聲發(fā)射球球心的位置代表聲源，即聲發(fā)射事件的位置;聲發(fā)射球的大小代表聲發(fā)射事件能量相對(duì)大小;聲發(fā)射球出場(chǎng)順序代表聲發(fā)射事件發(fā)生時(shí)間的先后。但由于聲發(fā)射事件全部顯示完后無(wú)法區(qū)分出時(shí)間先后，因此，我們還采取了額外措施，即同時(shí)還用聲發(fā)射球的顏色代表著聲發(fā)射事件發(fā)生的先后次序，黃色代表發(fā)生時(shí)間較早的事件，綠色代表發(fā)生時(shí)間較晚的事件，位于黃色和綠色之間的過(guò)渡色代表在此期間的聲發(fā)射事件，故可依據(jù)球的顏色深淺判斷該球所對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射事件發(fā)生時(shí)間的早晚。雙擊任何一個(gè)聲發(fā)射球，系統(tǒng)將顯示該聲發(fā)射事件的觸發(fā)時(shí)間和能量量級(jí)。

此外，控制面板還提供了其他一些功能和顯示選項(xiàng)，如聲發(fā)射事件的手工定位，是否顯示出聲發(fā)射事件的軌跡（遷移線），是否顯示遷移線方向箭頭、聲發(fā)射事件的順序編號(hào)等（見(jiàn)圖3右側(cè)的部分圖例），以及是否在動(dòng)畫(huà)播放過(guò)程中動(dòng)態(tài)地突顯定位點(diǎn)等。

聲發(fā)射事件的手工定位用于定位到任一聲發(fā)射事件，并將該事件置于屏幕正中央的位置。聲發(fā)射事件的軌跡線或稱遷移線，即從上一個(gè)聲發(fā)射事件指向下一個(gè)聲發(fā)射事件的線段，可以通過(guò)點(diǎn)擊控制面板上的相應(yīng)按鈕進(jìn)行顯示或隱藏。其中遷移線的起止順序也采用顏色進(jìn)行標(biāo)注，即尾部為黃色，表示起始點(diǎn)，首部為紅色，表示終止點(diǎn)?？刂泼姘迳系摹巴癸@定位點(diǎn)”復(fù)選框，用于設(shè)定是否在動(dòng)畫(huà)播放過(guò)程中動(dòng)態(tài)地突出顯示當(dāng)前聲發(fā)射事件定位點(diǎn)，如當(dāng)前為第5個(gè)聲發(fā)射事件，則系統(tǒng)會(huì)將第5個(gè)聲發(fā)射事件對(duì)應(yīng)的小球顯示在屏幕正中央的位置，而當(dāng)前為第6個(gè)聲發(fā)射事件，則系統(tǒng)會(huì)將第6個(gè)聲發(fā)射事件對(duì)應(yīng)的小球顯示在屏幕正中央的位置，依此類推。

2.3.2 巖石破裂過(guò)程聲發(fā)射單步動(dòng)態(tài)顯示

如果希望單步播放動(dòng)畫(huà)，那么可以利用控制面板上“單步分析（自動(dòng)顯示出遷移線）”功能組提供的功能實(shí)現(xiàn)單步播放。

首先要設(shè)定單步動(dòng)畫(huà)的起止點(diǎn)，即從“起始編號(hào)”對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射事件播放到“終止編號(hào)”對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射事件。為便于操作，可以利用“起始編號(hào)”和“終止編號(hào)”文本框前面的“定位至”按鈕，分別定位至起始小球和結(jié)束小球。

單擊“下一步”按鈕，將從“起始編號(hào)”設(shè)定的小球開(kāi)始，單步播放動(dòng)畫(huà)至“起始編號(hào)”+1對(duì)應(yīng)的小球，并顯示出相應(yīng)的軌跡線。依次單擊“下一步”按鈕，直至播放到“結(jié)束編號(hào)”設(shè)定的小球?yàn)橹??！爸刂谩卑粹o用于重置畫(huà)面，并清除所有軌跡線。

2.3.3 巖石破裂實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)加載模擬

本系統(tǒng)可依據(jù)巖石破裂實(shí)驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)模擬巖石加載過(guò)程。首先，在應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間曲線窗口下方的應(yīng)力-時(shí)間/事件率-時(shí)間/事件累計(jì)數(shù)-時(shí)間曲線或應(yīng)變-時(shí)間/事件率-時(shí)間/事件累計(jì)數(shù)-時(shí)間曲線圖上，用鼠標(biāo)左鍵拖出需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載模擬的任何一個(gè)時(shí)間段，如20 s到50 s;然后，單擊控制面板上“加載模擬”功能組中的“自動(dòng)播放”按鈕，動(dòng)態(tài)模擬加載實(shí)驗(yàn)過(guò)程。屏幕左側(cè)將動(dòng)態(tài)地顯示加載過(guò)程所引發(fā)的一系列聲發(fā)射事件，同時(shí)，作為對(duì)照，屏幕右側(cè)的曲線窗口將實(shí)時(shí)地用粗線條顯示出對(duì)應(yīng)的各種應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間-事件率-事件累計(jì)數(shù)曲線。主界面右上部為應(yīng)力-應(yīng)變/事件率-應(yīng)變/事件累計(jì)數(shù)-應(yīng)變曲線，右下部為應(yīng)力-時(shí)間或應(yīng)變-時(shí)間/事件率-時(shí)間/事件累計(jì)數(shù)-時(shí)間曲線，具體顯示哪個(gè)曲線取決于“時(shí)間曲線變量”的設(shè)置。例如，若選擇“應(yīng)變”，則顯示的是時(shí)間-應(yīng)變曲線;若選擇“應(yīng)力”，則顯示的是時(shí)間-應(yīng)力曲線。

3 應(yīng)用示例

下面以某次實(shí)驗(yàn)為例簡(jiǎn)要分析相同應(yīng)力增量區(qū)間的AE事件空間演化規(guī)律。設(shè)應(yīng)力增量為Δσ=0.2σc，其中σc為峰值荷載強(qiáng)度。當(dāng)應(yīng)力增加到0.2σc時(shí)，事件數(shù)少且零散，為初始?jí)好茈A段，此時(shí)巖石內(nèi)部存在的微裂隙或孔洞被壓密;當(dāng)荷載從

0.2σc加載至0.4σc，該階段的AE事件數(shù)和AE大事件數(shù)（即聲發(fā)射能量大于平均值的事件）均明顯上升，且集中在最終破裂面的兩端，并形成了小裂隙面。當(dāng)荷載從0.4σc不斷增加到0.6σc、0.8σc和1.0σc時(shí)，AE事件與大事件數(shù)也不斷增多，能量也不斷增大，裂隙逐漸擴(kuò)展形直到貫通形成一個(gè)完整的破裂面。由此不難看出，聲發(fā)射事件貫穿巖石試件的整個(gè)破壞過(guò)程，且在破裂面附近的聲發(fā)射事件更為集中，這與破裂面的位置基本吻合。高能級(jí)聲發(fā)射事件的大量出現(xiàn)預(yù)示著宏觀破裂面的貫通。

利用本系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)與巖石受載破裂過(guò)程相關(guān)的很多分析功能，例如：巖石受載狀況分析、巖石破裂過(guò)程分析、巖石破裂與聲發(fā)射事件數(shù)之間關(guān)系分析、等間隔時(shí)間（如27 s、54 s等）AE事件空間累計(jì)分析以及不同應(yīng)力水平（如0.2σc、0.4σc、0.6σc、0.8σc和1.0σc）AE事件空間累計(jì)分布分析等。

4 總結(jié)

將從巖石破裂實(shí)驗(yàn)中獲得的各種數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)地集成到虛擬場(chǎng)景中，不僅為學(xué)生觀察各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供一種可視化手段，而且可以對(duì)巖石破裂過(guò)程中的聲發(fā)射事件進(jìn)行形象直觀的動(dòng)態(tài)模擬顯示。學(xué)生通過(guò)對(duì)巖石破裂過(guò)程中聲發(fā)射信息和破裂面等的綜合判斷分析，有助于加深對(duì)巖石破裂實(shí)驗(yàn)的理解，對(duì)巖石力學(xué)課程的教與學(xué)具有非常重要的意義。

下一步的工作是借助理論推導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析等手段，研究巖石破裂應(yīng)力場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，并在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中加入應(yīng)力場(chǎng)、危險(xiǎn)區(qū)、矩張量等信息，再結(jié)合聲發(fā)射信息反演出真實(shí)的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)等，進(jìn)而找到巖石破裂機(jī)制，這對(duì)礦山地壓安全隱患評(píng)估和災(zāi)害預(yù)測(cè)有著相當(dāng)?shù)默F(xiàn)實(shí)意義。

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[5] 張鵬海，楊天鴻，鄭超，等.基于采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)與微震活動(dòng)性的巖體穩(wěn)定性分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2013，38（2）：183-188.

（收稿日期： 2019.08.10）

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51678156）

作者簡(jiǎn)介：張春明（1968-），男，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用、虛擬現(xiàn)實(shí)和GIS技術(shù)等。

楊天鴻（1968-），男，博士，教授、博士生導(dǎo)師，研究方向：巖石力學(xué)及滲流力學(xué)的教學(xué)和研究工作。