[發(fā)明專利]快速生成卵石碎石夾雜的混凝土二維隨機(jī)骨料模型的方法

有效

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• 申請日: 2017-02-17
• 公開（公告）號: CN106874600B
• 公開（公告）日: 2019-06-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 余敏;池寅;鮑浩;葉建喬;徐禮華;黃俊杰
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 武漢科皓知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 肖珍

本發(fā)明公開了一種快速生成卵石碎石夾雜的混凝土二維隨機(jī)骨料模型的方法，其中只有卵石或只有碎石的混凝土二維隨機(jī)骨料模型是該卵石和碎石夾雜的混凝土二維隨機(jī)骨料模型的特殊情況；該方法將圓形隨機(jī)骨料模型和帶邊界的泰森多邊形圖相結(jié)合，以圓形骨料的圓心為控制點(diǎn)生成近似滿足骨料級配的泰森多邊形圖；本發(fā)明以每個泰森多邊形的頂點(diǎn)為控制點(diǎn)，并行生成封閉的B樣條曲線來表征卵石骨料的形狀，在封閉的B樣條曲線隨機(jī)均勻取點(diǎn)，從而生成凸多邊形來表征碎石骨料的形狀。本發(fā)明采用并行的方式，同時對每個泰森多邊形內(nèi)的骨料進(jìn)行面積縮放，快速生成滿足給定級配的卵石和碎石任意夾雜的混凝土二維隨機(jī)骨料模型。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于混凝土細(xì)觀數(shù)值試驗(yàn)前處理技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是一種快速生成卵石碎石夾雜的混凝土二維隨機(jī)骨料模型的方法。

背景技術(shù)

混凝土是一種由骨料和水泥砂漿組成的非均質(zhì)復(fù)合材料，其中骨料的形狀和空間位置的分布對材料的性能有較大影響。隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和相關(guān)數(shù)值計算技術(shù)的不斷成熟，考慮混凝土內(nèi)骨料形狀、級配和砂漿界面等內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的混凝土隨機(jī)骨料模型開始被采用，用于研究材料的細(xì)觀破壞機(jī)理。目前，將骨料簡化為圓形并采用蒙特卡羅方法隨機(jī)投放到截面區(qū)域中，最終生成混凝土圓形隨機(jī)骨料模型的方法已有比較成熟和常見，但是相關(guān)的研究表明，骨料的形狀和類型對計算結(jié)果也有一定的影響。

目前也有采用凸多邊形或傅里葉子描述等方法來表示骨料形狀，即生成骨料，再采用蒙特卡羅的方法將生成的骨料逐個投放入混凝土截面區(qū)域中的方法。由于采用骨料逐個投放的方式，需要反復(fù)判斷骨料之間的重疊問題，骨料為不規(guī)則顆粒，骨料投放到設(shè)定的位置后，需要判斷骨料之間是否重疊，如果重疊需要重新投放，因此導(dǎo)致：①計算耗時長，耗時幾分鐘到幾十分鐘不等；②CPU耗費(fèi)大，電腦運(yùn)行緩慢，電腦發(fā)熱噪音大；③且很難實(shí)現(xiàn)并行處理，④骨料投放含量（骨料的面積占整個混凝土截面區(qū)域的面積的比例）偏低等局限性，可能與實(shí)際比例不符。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種快速生成卵石碎石夾雜的混凝土二維隨機(jī)骨料模型的方法。本發(fā)明操作步驟簡單、設(shè)計合理、實(shí)現(xiàn)方便、使用效果好，并且投入成本不高。且本發(fā)明建立的快速生成卵石和碎石夾雜的混凝土二維隨機(jī)骨料模型計算耗時短，能夠較好的應(yīng)用于數(shù)值模擬中。

為了解決上述問題，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：

一種快速生成卵石碎石夾雜的混凝土二維隨機(jī)骨料模型的方法，包括只有卵石或只有碎石的這兩種特殊的混凝土二維隨機(jī)骨料模型和卵石與碎石任意混搭的混凝土二維隨機(jī)骨料模型。二維隨機(jī)骨料生成流程圖見圖1。

本發(fā)明將圓形隨機(jī)骨料模型和帶邊界的泰森多邊形圖相結(jié)合，將泰森多邊形圖中每個多邊形腔體作為骨料顆粒的外邊界，通過圓形隨機(jī)骨料的圓心點(diǎn)的位置分布來控制泰森多邊形圖中多邊形腔體的大小分布。該方法和傳統(tǒng)的先骨料后投放的過程相反，是先定位骨料的位置區(qū)域后生成骨料，從而可以并行計算，達(dá)到快速的目的。同時該發(fā)明以每個泰森多邊形的頂點(diǎn)作為控制點(diǎn)，采用封閉的B樣條曲線表征卵石，在封閉的B樣條曲線上隨機(jī)均勻取點(diǎn)來生成凸多邊形來表征碎石，通過面積縮放的方式來滿足指定的級配要求。同時可以通過設(shè)置卵石和碎石個數(shù)比例，生成卵石和碎石任意比例的二維混凝土隨機(jī)骨料模型，只有卵石或碎石為其特殊情況。

本發(fā)明依托“國家重點(diǎn)研發(fā)計劃專項(xiàng)項(xiàng)目資助”，項(xiàng)目編號“2016YFC0701400”，旨在對高溫條件下裝配式混凝土構(gòu)件保護(hù)層剝落進(jìn)行細(xì)觀模擬與分析。

本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：

一種快速生成卵石碎石夾雜的混凝土二維隨機(jī)骨料模型的方法，包括以下步驟：

步驟1，根據(jù)給定骨料級配和混凝土截面尺寸，采用蒙特卡羅方法生成二維圓形隨機(jī)骨料模型圖，最終獲取每個圓形骨料的圓心點(diǎn)坐標(biāo)和面積；

步驟2，根據(jù)圓形隨機(jī)骨料模型圖中所有骨料的圓心坐標(biāo)生成帶邊界的泰森多邊形圖；