巖石破裂過程聲發射動態顯示虛擬現實實驗教學系統

張春明　楊天鴻

摘 要： 利用虛擬現實技術將單軸壓縮實驗采集的應力應變實驗數據和聲發射系統采集的聲發射信息，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景中，不但可以為學生提供觀察各種實驗數據的一種可視化手段，而且可以對巖石破裂過程中的聲發射事件進行形象直觀的動態模擬顯示。這將有助于加深學生對巖石破裂實驗的理解，對巖石力學課程的教與學具有非常重要的意義。

關鍵詞： 巖石力學; 聲發射; 巖石破裂; 動態模擬; 虛擬現實

中圖分類號： TP 311文獻標志碼： 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驗的物理實驗過程和數值模擬實驗過程。在數值模擬實驗中，利用我們研制的巖石破裂過程聲發射動態顯示虛擬現實系統或稱巖石破裂過程聲發射動態顯示虛擬現實實驗教學系統（以下有時也簡稱本系統），將單軸壓縮實驗采集的應力應變實驗數據和聲發射系統采集的聲發射信息，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景系統中進行綜合分析，不但可為學生觀察各種實驗數據提供一種可視化手段，而且可以對巖石破裂過程中的聲發射事件（也簡稱AE事件）進行形象直觀的動態模擬顯示，如圖1所示。該系統有助于加深學生對巖石破裂實驗的理解，對巖石力學課程的教與學具有非常重要的意義。

1 物理實驗過程

1.1 主要實驗設備

巖石破裂實驗用到的主要設備包括：

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

2） PCI-II型16通道聲發射系統。采樣頻率范圍1 KHz～3 MHz，內置18位A/D轉換器，具有較高的信號處理精度，可對聲發射特征參數/波形進行實時分析處理，包括聲發射信號到達時間、上升時間、馳豫時間、最大幅值、能量和聲發射數目等。

1.2 實驗準備工作

依照國際巖石力學學會建議的方法制備巖石試件[1]，試件尺寸為Φ70×140 mm。將試件置于壓力機中，并將8個聲發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 技術路線

用壓力機對巖石試件進行單軸應力加載，加載速率為200 N/s。由于巖石屬于非均勻材料，內部存在很多缺陷結構，在荷載作用下巖石內部將產生裂紋、破裂和變形，直至巖石損壞。具體地說，在加載過程中，當巖石的強度小于所受的外部荷載時，內部會產生新裂紋或是原有微裂紋發生擴展、位錯或脆性斷裂，與之相伴生的各種不同頻率的彈性波（聲發射信號）將向四周傳播，并不斷發生反射、折射及衰減[2-5]。這些信息借助于聲發射設備可以完整地保存下來，再與采集到的應力和應變數據結合，用于巖石破裂過程的反演分析。

2 數值模擬實驗過程

2.1 技術路線

由于中視典VRP三維虛擬現實平臺能夠與3DS Max建模軟件無縫集成，并提供了C#等主流編程語言的二次開發接口，因此，我們在該平臺基礎上通過二次開發構建了巖石破裂過程聲發射動態顯示虛擬現實系統，并用于數值模擬實驗，初步實現應力、應變和聲發射數據的可視化及動態模擬顯示。

首先在3D建模軟件（如3DS Max）中建立巖石試件的三維模型，并標注傳感器布設位置及編號。通過3GSM 三維巖體不接觸測量技術獲得破裂面信息，在AutoCAD軟件中進行精簡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出功能將制作完成的靜態模型導出到VRP平臺。但是巖石破裂過程的動態模擬僅憑上述的靜態模型是無法實現的，因此，有必要引入在物理實驗過程中記錄到的完整應力應變數據及聲發射事件信息，并在此基礎上建立集各種信息為一體的巖石破裂過程動態模型。為此，我們在VRP平臺上進行二次開發，研制出巖石破裂過程聲發射動態顯示虛擬現實系統。它為學生提供了一種可視化分析手段和工具，學生籍此可以完成巖石破裂過程的動態模擬顯示和反演分析。

系統首先讀取巖石破裂實驗的壓力機實測數據和聲發射實測數據，并進行聲發射源的定位及相關事件率、事件累計數等的統計，最后將結果保存到數據庫中。其中聲發射源的定位主要是根據P波到達不同位置傳感器的時差來計算。本系統采用蓋格爾定位算法進行聲源定位，并結合其他算法以提高定位精度[3-4]。然后，系統將聲發射信息，包括聲發射定位結果，如三維空間坐標、發生時間、釋放能量大小、地震距（事件強度）和波形等信息集成到同一虛擬場景當中，并動態地顯示出來，同時將通過實驗獲得的應力-應變曲線、時間-應力曲線、時間-位移曲線等予以同步動態顯示，使學生對巖石破裂演化過程有一個直觀的認識。學生需結合具體實驗，在實驗的基礎上對實驗數據進行有針對性的分析，并基于彈脆性力學理論知識對巖石的破壞過程給出合理解釋。

2.2 聲發射數據的篩選與過濾

系統啟動后會彈出一個對話框，用戶可以選擇是對全部還是部分的聲發射數據進行分析和處理，比如可以篩選出特定時間范圍（由起始時間和終止時間確定，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）的聲發射數據進行處理。用戶還可設定是否以能量的對數來表示能量級。此外，還可以設定是否在聲發射球（球心位置代表對應聲發射事件的定位點）表面顯示對應的聲發射事件編號。

此外，進入系統后，系統還提供了交互式篩選聲發射事件的方法，用于手工根據坐標位置排除不需要進行分析的聲發射事件。通過上、下、左、右、前、后六個面正中央的操縱球分別向相應方向移動選擇框，直至將所有需要進行分析的聲發射事件都包含在選擇框內，而將所在不需要進行分析的聲發射事件都排除在選擇框之外。

2.3 聲發射數據的動態顯示

雙擊系統主界面的空白處，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，可以實現巖石破裂過程聲發射連續/單步動態顯示及巖石試件加載過程動態模擬，并且可以在動態加載模擬過程中同步繪制應力-應變/應力-時間/應變-時間等曲線。

2.3.1 巖石破裂過程聲發射連續動態顯示

單擊控制面板上的“連續動畫播放”按鈕，系統將按時間先后順序連續動態地顯示巖石破裂過程中產生的聲發射事件。如果希望將動畫分段進行播放，可以在“每段動畫時長（s）”文本框中輸入每段動畫的時長，系統會自動按照設定的時長將動畫分成幾段進行播放。由于輸入的時長有可能與總時長不成整數倍的關系，因此，最后一段動畫的時長相較其他段略少。除了可以隨時暫停播放以查看某一幀內容外，為便于觀察細節，系統允許用戶設定上一幀播完后間隔多長時間（ms）再播放下一幀。

本系統采用聲發射球來表示聲發射事件，其中聲發射球球心的位置代表聲源，即聲發射事件的位置;聲發射球的大小代表聲發射事件能量相對大小;聲發射球出場順序代表聲發射事件發生時間的先后。但由于聲發射事件全部顯示完后無法區分出時間先后，因此，我們還采取了額外措施，即同時還用聲發射球的顏色代表著聲發射事件發生的先后次序，黃色代表發生時間較早的事件，綠色代表發生時間較晚的事件，位于黃色和綠色之間的過渡色代表在此期間的聲發射事件，故可依據球的顏色深淺判斷該球所對應的聲發射事件發生時間的早晚。雙擊任何一個聲發射球，系統將顯示該聲發射事件的觸發時間和能量量級。

此外，控制面板還提供了其他一些功能和顯示選項，如聲發射事件的手工定位，是否顯示出聲發射事件的軌跡（遷移線），是否顯示遷移線方向箭頭、聲發射事件的順序編號等（見圖3右側的部分圖例），以及是否在動畫播放過程中動態地突顯定位點等。

聲發射事件的手工定位用于定位到任一聲發射事件，并將該事件置于屏幕正中央的位置。聲發射事件的軌跡線或稱遷移線，即從上一個聲發射事件指向下一個聲發射事件的線段，可以通過點擊控制面板上的相應按鈕進行顯示或隱藏。其中遷移線的起止順序也采用顏色進行標注，即尾部為黃色，表示起始點，首部為紅色，表示終止點。控制面板上的“凸顯定位點”復選框，用于設定是否在動畫播放過程中動態地突出顯示當前聲發射事件定位點，如當前為第5個聲發射事件，則系統會將第5個聲發射事件對應的小球顯示在屏幕正中央的位置，而當前為第6個聲發射事件，則系統會將第6個聲發射事件對應的小球顯示在屏幕正中央的位置，依此類推。

2.3.2 巖石破裂過程聲發射單步動態顯示

如果希望單步播放動畫，那么可以利用控制面板上“單步分析（自動顯示出遷移線）”功能組提供的功能實現單步播放。

首先要設定單步動畫的起止點，即從“起始編號”對應的聲發射事件播放到“終止編號”對應的聲發射事件。為便于操作，可以利用“起始編號”和“終止編號”文本框前面的“定位至”按鈕，分別定位至起始小球和結束小球。

單擊“下一步”按鈕，將從“起始編號”設定的小球開始，單步播放動畫至“起始編號”+1對應的小球，并顯示出相應的軌跡線。依次單擊“下一步”按鈕，直至播放到“結束編號”設定的小球為止。“重置”按鈕用于重置畫面，并清除所有軌跡線。

2.3.3 巖石破裂實驗動態加載模擬

本系統可依據巖石破裂實驗的實測數據動態模擬巖石加載過程。首先，在應力-應變-時間曲線窗口下方的應力-時間/事件率-時間/事件累計數-時間曲線或應變-時間/事件率-時間/事件累計數-時間曲線圖上，用鼠標左鍵拖出需要進行動態加載模擬的任何一個時間段，如20 s到50 s;然后，單擊控制面板上“加載模擬”功能組中的“自動播放”按鈕，動態模擬加載實驗過程。屏幕左側將動態地顯示加載過程所引發的一系列聲發射事件，同時，作為對照，屏幕右側的曲線窗口將實時地用粗線條顯示出對應的各種應力-應變-時間-事件率-事件累計數曲線。主界面右上部為應力-應變/事件率-應變/事件累計數-應變曲線，右下部為應力-時間或應變-時間/事件率-時間/事件累計數-時間曲線，具體顯示哪個曲線取決于“時間曲線變量”的設置。例如，若選擇“應變”，則顯示的是時間-應變曲線;若選擇“應力”，則顯示的是時間-應力曲線。

3 應用示例

下面以某次實驗為例簡要分析相同應力增量區間的AE事件空間演化規律。設應力增量為Δσ=0.2σc，其中σc為峰值荷載強度。當應力增加到0.2σc時，事件數少且零散，為初始壓密階段，此時巖石內部存在的微裂隙或孔洞被壓密;當荷載從

0.2σc加載至0.4σc，該階段的AE事件數和AE大事件數（即聲發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。當荷載從0.4σc不斷增加到0.6σc、0.8σc和1.0σc時，AE事件與大事件數也不斷增多，能量也不斷增大，裂隙逐漸擴展形直到貫通形成一個完整的破裂面。由此不難看出，聲發射事件貫穿巖石試件的整個破壞過程，且在破裂面附近的聲發射事件更為集中，這與破裂面的位置基本吻合。高能級聲發射事件的大量出現預示著宏觀破裂面的貫通。

利用本系統還可以實現與巖石受載破裂過程相關的很多分析功能，例如：巖石受載狀況分析、巖石破裂過程分析、巖石破裂與聲發射事件數之間關系分析、等間隔時間（如27 s、54 s等）AE事件空間累計分析以及不同應力水平（如0.2σc、0.4σc、0.6σc、0.8σc和1.0σc）AE事件空間累計分布分析等。

4 總結

將從巖石破裂實驗中獲得的各種數據動態地集成到虛擬場景中，不僅為學生觀察各種實驗數據提供一種可視化手段，而且可以對巖石破裂過程中的聲發射事件進行形象直觀的動態模擬顯示。學生通過對巖石破裂過程中聲發射信息和破裂面等的綜合判斷分析，有助于加深對巖石破裂實驗的理解，對巖石力學課程的教與學具有非常重要的意義。

下一步的工作是借助理論推導、實驗和數值分析等手段，研究巖石破裂應力場動態演化規律，并在虛擬現實系統中加入應力場、危險區、矩張量等信息，再結合聲發射信息反演出真實的應力場和位移場等，進而找到巖石破裂機制，這對礦山地壓安全隱患評估和災害預測有著相當的現實意義。

參考文獻

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[5] 張鵬海，楊天鴻，鄭超，等.基于采動應力場與微震活動性的巖體穩定性分析[J].煤炭學報，2013，38（2）：183-188.

（收稿日期： 2019.08.10）

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51678156）

作者簡介：張春明（1968-），男，碩士，高級實驗師，研究方向：計算機應用、虛擬現實和GIS技術等。

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