岩石破裂过程声发射动态显示虚拟现实实验教学系统

张春明　杨天鸿

摘 要： 利用虚拟现实技术将单轴压缩实验采集的应力应变实验数据和声发射系统采集的声发射信息，与岩石试件的三维模型和岩石破裂面的宏观信息全部集成到同一虚拟场景中，不但可以为学生提供观察各种实验数据的一种可视化手段，而且可以对岩石破裂过程中的声发射事件进行形象直观的动态模拟显示。这将有助于加深学生对岩石破裂实验的理解，对岩石力学课程的教与学具有非常重要的意义。

关键词： 岩石力学; 声发射; 岩石破裂; 动态模拟; 虚拟现实

中图分类号： TP 311文献标志码： 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

本文依次介绍了岩石破裂实验的物理实验过程和数值模拟实验过程。在数值模拟实验中，利用我们研制的岩石破裂过程声发射动态显示虚拟现实系统或称岩石破裂过程声发射动态显示虚拟现实实验教学系统（以下有时也简称本系统），将单轴压缩实验采集的应力应变实验数据和声发射系统采集的声发射信息，与岩石试件的三维模型和岩石破裂面的宏观信息等一起集成到同一虚拟场景系统中进行综合分析，不但可为学生观察各种实验数据提供一种可视化手段，而且可以对岩石破裂过程中的声发射事件（也简称AE事件）进行形象直观的动态模拟显示，如图1所示。该系统有助于加深学生对岩石破裂实验的理解，对岩石力学课程的教与学具有非常重要的意义。

1 物理实验过程

1.1 主要实验设备

岩石破裂实验用到的主要设备包括：

1） TAW-3000三轴岩石伺服压力机。它由轴向加载系统、围压系统、孔隙水压系统、控制系统、计算机系统等几部分组成，具有控制精度高、可靠性能强等特点，最大轴向力3 000 kN，轴向变形测量范围0～8 mm，径向变形测量范围0～4 mm，最大围压100 MPa。

2） PCI-II型16通道声发射系统。采样频率范围1 KHz～3 MHz，内置18位A/D转换器，具有较高的信号处理精度，可对声发射特征参数/波形进行实时分析处理，包括声发射信号到达时间、上升时间、驰豫时间、最大幅值、能量和声发射数目等。

1.2 实验准备工作

依照国际岩石力学学会建议的方法制备岩石试件[1]，试件尺寸为Φ70×140 mm。将试件置于压力机中，并将8个声发射传感器分别布置在试件四周表面距试件顶端和底端2 cm的位置，用胶皮带固定，再涂上凡士林作为耦合剂。如图2所示。

1.3 技术路线

用压力机对岩石试件进行单轴应力加载，加载速率为200 N/s。由于岩石属于非均匀材料，内部存在很多缺陷结构，在荷载作用下岩石内部将产生裂纹、破裂和变形，直至岩石损坏。具体地说，在加载过程中，当岩石的强度小于所受的外部荷载时，内部会产生新裂纹或是原有微裂纹发生扩展、位错或脆性断裂，与之相伴生的各种不同频率的弹性波（声发射信号）将向四周传播，并不断发生反射、折射及衰减[2-5]。这些信息借助于声发射设备可以完整地保存下来，再与采集到的应力和应变数据结合，用于巖石破裂过程的反演分析。

2 数值模拟实验过程

2.1 技术路线

由于中视典VRP三维虚拟现实平台能够与3DS Max建模软件无缝集成，并提供了C#等主流编程语言的二次开发接口，因此，我们在该平台基础上通过二次开发构建了岩石破裂过程声发射动态显示虚拟现实系统，并用于数值模拟实验，初步实现应力、应变和声发射数据的可视化及动态模拟显示。

首先在3D建模软件（如3DS Max）中建立岩石试件的三维模型，并标注传感器布设位置及编号。通过3GSM 三维岩体不接触测量技术获得破裂面信息，在AutoCAD软件中进行精简后嵌入到三维模型中。岩石试件外观照片则作为模型的表面贴图。在3DS Max中安装VRP-For-Max插件，并利用该插件提供的导出功能将制作完成的静态模型导出到VRP平台。但是岩石破裂过程的动态模拟仅凭上述的静态模型是无法实现的，因此，有必要引入在物理实验过程中记录到的完整应力应变数据及声发射事件信息，并在此基础上建立集各种信息为一体的岩石破裂过程动态模型。为此，我们在VRP平台上进行二次开发，研制出岩石破裂过程声发射动态显示虚拟现实系统。它为学生提供了一种可视化分析手段和工具，学生籍此可以完成岩石破裂过程的动态模拟显示和反演分析。

系统首先读取岩石破裂实验的压力机实测数据和声发射实测数据，并进行声发射源的定位及相关事件率、事件累计数等的统计，最后将结果保存到数据库中。其中声发射源的定位主要是根据P波到达不同位置传感器的时差来计算。本系统采用盖格尔定位算法进行声源定位，并结合其他算法以提高定位精度[3-4]。然后，系统将声发射信息，包括声发射定位结果，如三维空间坐标、发生时间、释放能量大小、地震距（事件强度）和波形等信息集成到同一虚拟场景当中，并动态地显示出来，同时将通过实验获得的应力-应变曲线、时间-应力曲线、时间-位移曲线等予以同步动态显示，使学生对岩石破裂演化过程有一个直观的认识。学生需结合具体实验，在实验的基础上对实验数据进行有针对性的分析，并基于弹脆性力学理论知识对岩石的破坏过程给出合理解释。

2.2 声发射数据的筛选与过滤

系统启动后会弹出一个对话框，用户可以选择是对全部还是部分的声发射数据进行分析和处理，比如可以筛选出特定时间范围（由起始时间和终止时间确定，单位为秒）或一定能量范围（由最小原始能量和最大原始能量确定）的声发射数据进行处理。用户还可设定是否以能量的对数来表示能量级。此外，还可以设定是否在声发射球（球心位置代表对应声发射事件的定位点）表面显示对应的声发射事件编号。

此外，进入系统后，系统还提供了交互式筛选声发射事件的方法，用于手工根据坐标位置排除不需要进行分析的声发射事件。通过上、下、左、右、前、后六个面正中央的操纵球分别向相应方向移动选择框，直至将所有需要进行分析的声发射事件都包含在选择框内，而将所在不需要进行分析的声发射事件都排除在选择框之外。

2.3 声发射数据的动态显示

双击系统主界面的空白处，屏幕下方将显示出控制面板，如图3所示。

利用控制面板上的按钮和功能选项，可以实现岩石破裂过程声发射连续/单步动态显示及岩石试件加载过程动态模拟，并且可以在动态加载模拟过程中同步绘制应力-应变/应力-时间/应变-时间等曲线。

2.3.1 岩石破裂过程声发射连续动态显示

单击控制面板上的“连续动画播放”按钮，系统将按时间先后顺序连续动态地显示岩石破裂过程中产生的声发射事件。如果希望将动画分段进行播放，可以在“每段动画时长（s）”文本框中输入每段动画的时长，系统会自动按照设定的时长将动画分成几段进行播放。由于输入的时长有可能与总时长不成整数倍的关系，因此，最后一段动画的时长相较其他段略少。除了可以随时暂停播放以查看某一帧内容外，为便于观察细节，系统允许用户设定上一帧播完后间隔多长时间（ms）再播放下一帧。

本系统采用声发射球来表示声发射事件，其中声发射球球心的位置代表声源，即声发射事件的位置;声发射球的大小代表声发射事件能量相对大小;声发射球出场顺序代表声发射事件发生时间的先后。但由于声发射事件全部显示完后无法区分出时间先后，因此，我们还采取了额外措施，即同时还用声发射球的颜色代表着声发射事件发生的先后次序，黄色代表发生时间较早的事件，绿色代表发生时间较晚的事件，位于黄色和绿色之间的过渡色代表在此期间的声发射事件，故可依据球的颜色深浅判断该球所对应的声发射事件发生时间的早晚。双击任何一个声发射球，系统将显示该声发射事件的触发时间和能量量级。

此外，控制面板还提供了其他一些功能和显示选项，如声发射事件的手工定位，是否显示出声发射事件的轨迹（迁移线），是否显示迁移线方向箭头、声发射事件的顺序编号等（见图3右侧的部分图例），以及是否在动画播放过程中动态地突显定位点等。

声发射事件的手工定位用于定位到任一声发射事件，并将该事件置于屏幕正中央的位置。声发射事件的轨迹线或称迁移线，即从上一个声发射事件指向下一个声发射事件的线段，可以通过点击控制面板上的相应按钮进行显示或隐藏。其中迁移线的起止顺序也采用颜色进行标注，即尾部为黄色，表示起始点，首部为红色，表示终止点。控制面板上的“凸显定位点”复选框，用于设定是否在动画播放过程中动态地突出显示当前声发射事件定位点，如当前为第5个声发射事件，则系统会将第5个声发射事件对应的小球显示在屏幕正中央的位置，而当前为第6个声发射事件，则系统会将第6个声发射事件对应的小球显示在屏幕正中央的位置，依此类推。

2.3.2 岩石破裂过程声发射单步动态显示

如果希望单步播放动画，那么可以利用控制面板上“单步分析（自动显示出迁移线）”功能组提供的功能实现单步播放。

首先要设定单步动画的起止点，即从“起始编号”对应的声发射事件播放到“終止编号”对应的声发射事件。为便于操作，可以利用“起始编号”和“终止编号”文本框前面的“定位至”按钮，分别定位至起始小球和结束小球。

单击“下一步”按钮，将从“起始编号”设定的小球开始，单步播放动画至“起始编号”+1对应的小球，并显示出相应的轨迹线。依次单击“下一步”按钮，直至播放到“结束编号”设定的小球为止。“重置”按钮用于重置画面，并清除所有轨迹线。

2.3.3 岩石破裂实验动态加载模拟

本系统可依据岩石破裂实验的实测数据动态模拟岩石加载过程。首先，在应力-应变-时间曲线窗口下方的应力-时间/事件率-时间/事件累计数-时间曲线或应变-时间/事件率-时间/事件累计数-时间曲线图上，用鼠标左键拖出需要进行动态加载模拟的任何一个时间段，如20 s到50 s;然后，单击控制面板上“加载模拟”功能组中的“自动播放”按钮，动态模拟加载实验过程。屏幕左侧将动态地显示加载过程所引发的一系列声发射事件，同时，作为对照，屏幕右侧的曲线窗口将实时地用粗线条显示出对应的各种应力-应变-时间-事件率-事件累计数曲线。主界面右上部为应力-应变/事件率-应变/事件累计数-应变曲线，右下部为应力-时间或应变-时间/事件率-时间/事件累计数-时间曲线，具体显示哪个曲线取决于“时间曲线变量”的设置。例如，若选择“应变”，则显示的是时间-应变曲线;若选择“应力”，则显示的是时间-应力曲线。

3 应用示例

下面以某次实验为例简要分析相同应力增量区间的AE事件空间演化规律。设应力增量为Δσ=0.2σc，其中σc为峰值荷载强度。当应力增加到0.2σc时，事件数少且零散，为初始压密阶段，此时岩石内部存在的微裂隙或孔洞被压密;当荷载从

0.2σc加载至0.4σc，该阶段的AE事件数和AE大事件数（即声发射能量大于平均值的事件）均明显上升，且集中在最终破裂面的两端，并形成了小裂隙面。当荷载从0.4σc不断增加到0.6σc、0.8σc和1.0σc时，AE事件与大事件数也不断增多，能量也不断增大，裂隙逐渐扩展形直到贯通形成一个完整的破裂面。由此不难看出，声发射事件贯穿岩石试件的整个破坏过程，且在破裂面附近的声发射事件更为集中，这与破裂面的位置基本吻合。高能级声发射事件的大量出现预示着宏观破裂面的贯通。

利用本系统还可以实现与岩石受载破裂过程相关的很多分析功能，例如：岩石受载状况分析、岩石破裂过程分析、岩石破裂与声发射事件数之间关系分析、等间隔时间（如27 s、54 s等）AE事件空间累计分析以及不同应力水平（如0.2σc、0.4σc、0.6σc、0.8σc和1.0σc）AE事件空间累计分布分析等。

4 总结

将从岩石破裂实验中获得的各种数据动态地集成到虚拟场景中，不仅为学生观察各种实验数据提供一种可视化手段，而且可以对岩石破裂过程中的声发射事件进行形象直观的动态模拟显示。学生通过对岩石破裂过程中声发射信息和破裂面等的综合判断分析，有助于加深对岩石破裂实验的理解，对岩石力学课程的教与学具有非常重要的意义。

下一步的工作是借助理论推导、实验和数值分析等手段，研究岩石破裂应力场动态演化规律，并在虚拟现实系统中加入应力场、危险区、矩张量等信息，再结合声发射信息反演出真实的应力场和位移场等，进而找到岩石破裂机制，这对矿山地压安全隐患评估和灾害预测有着相当的现实意义。

参考文献

[1] 郑虹，冯夏庭，陈祖煜.岩石力学室内试验ISRM建议方法的标准化和数字化[J].岩石力学与工程学报，2010，29（12）：2456-2468.

[2] 刘建坡.深井矿山地压活動与微震时空演化关系研究[D];沈阳：东北大学，2011.

[3] 赵兴东，刘建坡，李元辉，等.岩石声发射定位技术及其实验验证[J].岩土工程学报，2008（10）：1472-1476.

[4] 刘建坡，王洪勇，杨宇江，等.不同岩石声发射定位算法及其实验研究[J].东北大学学报（自然科学版），2009，30（8）：1193-1196.

[5] 张鹏海，杨天鸿，郑超，等.基于采动应力场与微震活动性的岩体稳定性分析[J].煤炭学报，2013，38（2）：183-188.

（收稿日期： 2019.08.10）

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51678156）

作者简介：张春明（1968-），男，硕士，高级实验师，研究方向：计算机应用、虚拟现实和GIS技术等。

杨天鸿（1968-），男，博士，教授、博士生导师，研究方向：岩石力学及渗流力学的教学和研究工作。