【文章內(nèi)容簡介】 回彈系數(shù)確定[12]。在切線方向上的作用力，基于 Mindlin 理論和MohrCoulomb 摩擦定律，忽略粘滯力的影響，切線接觸力為：（）（）式中，為切向剛度系數(shù)，為顆粒的切向變形；為顆粒的切向應(yīng)變。這里法相剛度和切向剛度分別為：（）（）其中，和分別為兩個顆粒單元的半徑。在離散元數(shù)值模擬顆粒物質(zhì)受沖擊過程中，顆粒單元隨機(jī)生成，并放置于一個圓筒內(nèi)。各顆粒單元的質(zhì)量通過均勻分布函數(shù)隨機(jī)生成，并由此確定所組成單元的粒徑。重物球體從一定高度自由下落，對顆粒層進(jìn)行沖擊。通過離散元分析可確定沖擊過程中桶底及球體受力過程，由此分析顆粒物質(zhì)的緩沖效果。在離散元計算中，可通過改變顆粒粒徑、球形物直徑、球形物密度及沖擊初速度等條件，分析其對顆粒系統(tǒng)緩沖耗能性質(zhì)的影響。 顆粒物質(zhì)受沖擊荷載的離散元模型 離散元模擬主要計算參數(shù)參數(shù)符號單位數(shù)值顆粒粒徑dcm顆粒密度ρkg/m32650顆粒高度hm球體質(zhì)量Mg球體密度ρ1kg/m32700球體直徑Dm圓筒高度Hm圓筒外徑?m圓筒壁厚tm顆粒彈性模量EGPa顆粒間摩擦系數(shù)μp顆粒與側(cè)壁摩擦系數(shù)μpw重物球體初速度vm/s首先利用Fortran程序計算重物球體以一定初速度對顆粒物質(zhì)的沖擊過程，由此繪制球體和桶底沖擊力的時程曲線。這里重物球體的初始速度為2m/s。(a) 和 (b) 分別為重物球體沖擊下，球體和桶底所受力計算結(jié)果?？梢钥闯觯蝮w和桶底沖擊力都隨著時間的推移逐漸衰減，而這個沖擊力峰值最能反映顆粒物質(zhì)的緩沖效果。 （a）球體沖擊力時程圖 (b)桶底沖擊力時程圖 離散元模擬時程曲線在 DEM 模擬中，可以更全面地分析沖擊緩沖耗能過程。球體第一沖擊峰值力如下：(1) 球體沖擊速度2m/s，顆粒標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量分別為1g、，顆粒質(zhì)量分布符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，、 m、 m、 m， 。實線虛線分別表示球體密度為5674 kg/m3和2700 kg/m3時,球體沖擊物加速度的峰值力變化。（a）顆粒標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量為1g (b) 球體峰值力與球體直徑的關(guān)系（沖擊速度2m/s）(2) 球體沖擊速度1m/s，顆粒標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量分別為1g、，顆粒質(zhì)量分布符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，、 m、 m、 m， 。實線和虛線分別表示球體密度為5674 kg/m3和2700 kg/m3時,球體峰值力變化。（a）顆粒標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量為1g (b) 球體峰值力與球體直徑的關(guān)系（沖擊速度1m/s）以情況（1）為例，（a）中的各球體峰值力是根據(jù)不同情況下球體沖擊力時程曲線得到的，:(a)(b) (d)(c) 球體沖擊力時程曲線通過比較在其他因素相同，不同密度、不同直徑球體沖擊下不同粒徑的顆粒第一個沖擊力峰值力的變化情況，、可以看出：在相同球體沖擊速度、相同顆粒粒徑下，球體第一峰值力并不會隨球體大小和重量的增大而增大。反而，在大球沖擊的情況下，球體第一峰值力有可能減小。因此，球體峰值力和球體大小、重量不成線性關(guān)系。然而，通過比較在其他因素相同，相同直徑、不同密度球體沖擊下顆粒第一個沖擊峰值力的變化情況，可以看出：密度大的球體第一沖擊力峰值較大，但隨著重物球體直徑的增大，相同密度（重量）差的兩個沖擊球體之間的峰值力之差逐漸縮小。這說明，隨著球體直徑的增加，重物球體的密度對球體沖擊顆粒過程的影響越來越小，甚至可以忽略不計。也就是說，在球體直徑稍小范圍內(nèi)，相同顆粒對較重球緩沖效果更好；當(dāng)球體直徑大于一定臨界值時，相同顆粒對不同重量球體的緩沖效果幾乎相同。 球體加速度峰值如下：(1) 球體沖擊速度2m/s，顆粒標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量分別為1g、, 顆粒質(zhì)量分布符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，、 m、 m、 m， 。實線和虛線分別表示球體密度為5674 kg/m3和2700 kg/m3時,球體加速度峰值變化。（a）顆粒標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量為1g (b) 球體加速度峰值與球體直徑的關(guān)系（沖擊速度2m/s）(2) 球體沖擊速度1m/s，顆粒標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量分別為1g、, 顆粒質(zhì)量分布符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，、 m、 m、 m， 。實線和虛線分別表示球體密度為5674 kg/m3和2700 kg/m3時,球體加速度峰值變化。（a）顆粒標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量為1g (b) 球體加速度峰值與球體直徑的關(guān)系（沖擊速度1m/s） 不同直徑球體質(zhì)量球體直徑（m）球體質(zhì)量（kg）密度ρ =2700 kg/m3密度ρ =5674 kg/m3通過比較球體第一峰值力大小并得出結(jié)論的經(jīng)驗，促使我們關(guān)注沖擊球體沖擊過程的第一加速度峰值。將每個沖擊力峰值除以相應(yīng)球體質(zhì)量（），得到相應(yīng)情況下的加速度峰值圖，、。比較四幅圖可以發(fā)現(xiàn)：隨著重物球體直徑的增加，加速度峰值呈減小的趨勢。說明重物球體密度相同時，重量較小球的速度變化更快，更顯著。另外，沖擊速度越大，重物球體加速度峰值越大。同時還發(fā)現(xiàn)相同大小的重物球體，加速度峰值會隨著密度的增大成比例減小，這說明相同大小的輕球沖擊后速度變化較快，重球的速度變化叫很慢。在不同條件（兩種顆粒粒徑，兩種沖擊球體密度，四種沖擊球體直徑，兩種沖擊速度）下對重物球體沖擊過程進(jìn)行DEM 離散元模擬，并由此繪制圓筒底部受力和沖擊物受力時程曲線。通過比較不同情況下沖擊物第一峰力值的不同，得到不同大小、重量球體對顆粒緩沖性能的影響規(guī)律。東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第4章 顆粒物質(zhì)緩沖性能試驗及圖像處理第4章 顆粒物質(zhì)緩沖性能試驗及圖像處理由于本次試驗研究需要對所采集的圖像進(jìn)行拾取與識別,以便得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。在圖像分析中，通常需要將關(guān)心的目標(biāo)從圖像中提取出來，這種從圖像中將某個區(qū)域與其他部分進(jìn)行分離并提取出來的處理，就是圖像分割。因為圖像分割實際上就是區(qū)分圖像中的“前景目標(biāo)”和“背景”，所以通常又稱之為圖像的二值化處理。圖像分割是圖像識別和圖像分析的基本前提步驟，圖像分割的質(zhì)量好壞直接影響后續(xù)圖像處理的效果，甚至決定成敗。因此，首先介紹圖像分割數(shù)字圖像處理技術(shù)。由于受多種因素（光學(xué)系統(tǒng)失真、系統(tǒng)噪聲、曝光不足或過量等）條件的影響，得到的圖片往往信息微弱，無法辨識，需要進(jìn)行增強(qiáng)處理。增強(qiáng)的目的，在于提供一個滿足一定要求的圖像，或?qū)D像進(jìn)行變換，以進(jìn)行分析。圖像平滑的目的是為了減少圖像噪聲。圖像的噪聲來自于多方面，有來自于系統(tǒng)外部干擾，如電磁波或經(jīng)電源串進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)部而引起的外部噪聲，也有來自于系統(tǒng)內(nèi)部的干擾，如攝像機(jī)的熱噪聲，電器機(jī)械運(yùn)動而產(chǎn)生的抖動噪聲等內(nèi)部噪聲。因此，去除噪聲，恢復(fù)原始圖像是圖像處理中的一個重要內(nèi)容。噪聲主要來自下面三個方面：（1）光電子噪聲：主要由光的統(tǒng)計本質(zhì)和圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換過程引起的（如光電管的光量子噪聲和電子起伏噪聲）；（2）電子噪聲：主要來自電子元器件（如電阻引起的熱噪聲）；（3）光學(xué)噪聲：主要由光學(xué)現(xiàn)象產(chǎn)生的（如膠片的粒狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的顆粒噪聲）；圖像在生成和傳輸過程中受到這些噪聲的干擾和影響，使圖像處理結(jié)果變差。因此，抑制或消除這些噪聲從而改善圖像質(zhì)量，在圖像處理過程中是一個重要的預(yù)處理，也稱為對圖像的平滑濾波過程。中值濾波是一種非線性濾波，由于它在實際運(yùn)算過程中并不需要圖像的統(tǒng)計特性，所以比較方便。中值濾波首先是被應(yīng)用在一維信號處理技術(shù)中，后來被二維圖像信號處理技術(shù)所應(yīng)用。在一定的條件下，可以克服線性濾波器所帶來的圖像細(xì)節(jié)模糊，而且對濾除脈沖干擾及圖像掃描噪聲最為有效。中值濾波的目的是保護(hù)圖像邊緣的同時去除噪聲。在一維的情況下，中值濾波器是一個含有奇數(shù)個像素的窗口，在處理之后，將窗口正中的像素灰度值用窗口內(nèi)各像素灰度值的中值來代替。設(shè)有一個維序列f1，f2，…，fn，取窗口長度為奇數(shù)m，對此序列進(jìn)行中值濾波，就是從輸入序列中相續(xù)抽出m個數(shù)，fiv，…fi，…fi+v，其中為窗口的中心值v=(m1)／2，再將這m個點(diǎn)的數(shù)值按其數(shù)值大小排列，取其序號為正中間的那個數(shù)作為濾波輸出。中值濾波表達(dá)式為： （）對二維序列{Xi,j}的中值濾波，濾波窗口也是二維的，但這種二維窗口可以有各種不同的形狀，如線狀、方形、圓形、十字形、圓環(huán)形等。二維中值濾波可表示為： （）在實際使用窗口時，窗口的尺寸一般先用再取逐漸增大，直到其濾波效果滿意為止。由于中值濾波是非線性運(yùn)算，在輸入和輸出之間的頻率上不存在一一對應(yīng)關(guān)系，故不能用一般線性濾波器頻率特性的研究方法。設(shè)G為輸入信號頻譜，F(xiàn)為輸出信號頻譜，定義為中值濾波器的頻率響應(yīng)特性，實現(xiàn)表明H是與G有關(guān)，呈不規(guī)則波動不大的曲線，其均值比較平坦，可以認(rèn)為信號經(jīng)中值濾波后，傳輸函數(shù)近似為1，即中值濾波對信號的頻域影響不大，頻譜基本不變。 灰度調(diào)整在成像過程中,掃描系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的很多的因素，如光照強(qiáng)弱、感光部件靈敏度、光學(xué)系統(tǒng)不均勻性、元器件特性不穩(wěn)定等均可造成圖像亮度分布的不均勻，導(dǎo)致某些部分亮，某些部分暗?；叶日{(diào)整就是在圖像采集系統(tǒng)中對圖像像素進(jìn)行修正，使整幅圖像成像均勻?；叶日{(diào)整可使圖像動態(tài)范圍增大，圖像對比度擴(kuò)展，圖像變清晰，特征明顯，是圖像增強(qiáng)的重要手段之一。在曝光不足或過度的情況下，圖像灰度可能會局限在一個很小的范圍內(nèi)。這時在顯示器上看到的將是一個模糊不清、似乎沒有灰度層次的圖像。采用線性灰度調(diào)整對圖像每一個像素灰度作線性拉伸，將有效地改善圖像視覺效果。當(dāng)非灰度圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像后，圖像中各目標(biāo)區(qū)域的灰度值會不一樣，如果圖像的灰度直方圖具有明顯的雙峰值或多峰值特征，可以利用閾值化方法求取最佳閾值，然后對圖像進(jìn)行合理分割。閾值化圖像分割是一種最基本的圖像分割方法，經(jīng)過半個多世紀(jì)的研究，現(xiàn)已提取了大量的算法。其基本原理就是選取一個或多個處于灰度圖像范圍之中的灰度閾值，然后將圖像中各個像素的灰度值與閾值比較，并根據(jù)比較的結(jié)果將圖像中的對應(yīng)像素分成兩類或多類，從而把圖像劃分成互不重疊的區(qū)域集合，達(dá)成圖像分割的目的。采用閾值化圖像分割時通常需要對圖像作一定的模型假設(shè)。利用圖像模型盡可能了解圖像有幾個不同的區(qū)域組成?；趫D像分割模型經(jīng)常采用這樣一種假設(shè)：目標(biāo)或背景內(nèi)相鄰像素間的灰度值是相似的，但不同目標(biāo)或背景的像素在灰度上存有差異。設(shè)原始圖像為f(x,y),按照一定準(zhǔn)則在f(x,y)中找到某種特征值，該特征值便是進(jìn)行分割時的閾值T，或者找到某個合適的區(qū)域空間Ω，將圖像分割成兩個部分，分割后的圖像為 （）對于有多種閾值情況，分割后的圖像可以表示為：其中是一組分割閾值是經(jīng)分割后對應(yīng)不同區(qū)域的圖像灰度值，K為分割后的區(qū)域或目標(biāo)數(shù)。無論是單閾值分割還是多閾值分割，都是選取一個比較合理的閾值，以確定圖像中每個像素點(diǎn)應(yīng)該屬于目標(biāo)區(qū)域還是背景區(qū)域，從而產(chǎn)生相應(yīng)的二值圖像。閾值分割就是設(shè)置一個門限（閾值），凡圖像灰度值大于等于（或小于等于）門限的歸為一類，剩余的歸為另一類，其中一類為背景，另一類為目標(biāo)。 圖像二值化基于區(qū)域的分割最主要方法是二值化。二值化方法對由多個實體和一個對比較強(qiáng)的背景圖像所組成的場景圖像特別有效。二值化方法一般速度較快，而且使每個分割出來的物體都具有閉合和連通的邊界。圖像二值化后信息丟失很嚴(yán)重，由此得到的邊界輪廓可能會不精確。因此，可以用速度較快的二值化方法來獲得一個關(guān)于圖像分割結(jié)果的較粗略的描述。 最大方差自動取閾值（自適應(yīng)二值化）圖像灰度直方圖的形狀是多變的，有雙峰但是無明顯低谷或者是雙峰與低谷都不明顯，而且兩個區(qū)域的面積比也難以確定的情況常常出現(xiàn)，采用最大方差自動取閾值往往能得到較為滿意的結(jié)果。（）圖像灰度級的集合設(shè)為S=（1,2,3,…,i, …L）, 灰度級為i的像素數(shù)設(shè)為ni，則圖像的全部像素數(shù)為將其標(biāo)準(zhǔn)化后，像素數(shù)為，其中，i∈S，pi≥0， 設(shè)有某一圖像灰度直方圖，t為分離兩區(qū)域的閾值。由直方圖統(tǒng)計可被t分離后的區(qū)域區(qū)域2占整圖像的面積比以及整幅圖像、區(qū)域區(qū)域2的平均灰度為：（）區(qū)域1的面積比： ；區(qū)域2的面積比 或者整幅圖像平均灰度 。 區(qū)域1的平均灰度；（）區(qū)域2的平均灰度 式中，G為圖像的灰度級數(shù)。（）整圖像平均灰度與區(qū)域區(qū)域2平均灰度值之間的關(guān)系為同一區(qū)域常常具有灰度相似特性，而不同區(qū)域之間則表現(xiàn)為明顯的灰度差異，當(dāng)被閾值t分離的兩個區(qū)域之間灰度差較大時，兩個區(qū)域的平均灰度u1,u2與整圖像平均灰度u之差也較大，區(qū)域間的方差就是描述這種差異的有效參數(shù)，其表達(dá)式為：（）式中，表示了圖像被閾值t分割后的兩個閾值之間的方差。顯然不同的t值，就會得到不同的區(qū)域方差，也就是說，區(qū)域方差、區(qū)域1均值、區(qū)域2均值、區(qū)域面積比、區(qū)域面積比都是閾值t的函數(shù)，因此式（38）可寫為：（）經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，區(qū)域間的方差可表示為：（）被分割的兩區(qū)域間的方差達(dá)最大時，被認(rèn)為是兩區(qū)域的最佳分離狀態(tài)，由此確定閾定值T：，以最大方差決定閾值不需要認(rèn)為設(shè)定其他參數(shù)，是一種自動選擇閾值的方法，它不僅適用于兩區(qū)域的單閾值選擇，也可以擴(kuò)展到多區(qū)域的多閾值選擇中去。該方法將圖像分成兩個類，當(dāng)類間方差與類內(nèi)方差的分離度最大時即為最佳閾值，該方法能夠準(zhǔn)確而快速地對圖像進(jìn)行二值化，特別是當(dāng)對象物和背景的灰度值的差具有一定大小的時候，效果更明顯。顆粒材料對不同球形沖擊物的緩沖性能試驗研究：設(shè)計試驗測試方案，尋找合適手段獲得