[發明專利]一種關于混凝土中非凸形顆粒的三維數值構造方法

在審

• 申請號: 201810376224.0
• 申請日: 2018-04-25
• 公開（公告）號: CN108733892A
• 公開（公告）日: 2018-11-02
• 發明（設計）人: 許文祥;章東洋;賈明坤;蘭鵬;吳楊
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 馬嚴龍

本發明公開了一種關于混凝土中非凸形顆粒的三維數值構造方法。該方法具體包括如下幾個步驟：步驟1：在局部坐標系下的某個坐標面內生成多邊形,獲取其頂點信息；步驟2：將步驟1生成的多邊形擴展至三維空間并判斷各個頂點的凹凸性；步驟3：確定拓展球體的半徑和球心所在位置；步驟4：確定擴展球的滾動方向，并令擴展球沿非凸多邊形的邊滾動；步驟5：確定新的表面頂點坐標。本發明在計算機圖形學的基礎上，構造出三維的非凸形顆粒。本發明具有操作簡單，對計算機硬件要求低等優點。

技術領域

本發明屬于混凝土力學性能分析領域，具體涉及一種關于混凝土中非凸形顆粒的三維數值構造方法。

背景技術

混凝土作為一種顆粒增強復合材料，它的承載能力很大程度上受制于骨料，特別是它的形狀和大小。長期以來，人們主要通過實驗來分析骨料特征。但是，由于實驗過程中出現的一系列不可控因素，經常會導致實驗結果離散、可重復性差。近幾年，隨著計算機的迅猛發展，計算機仿真模擬骨料的幾何形狀已經在混凝土研究中得到廣泛地應用。

關于混凝土骨料形狀的相關數值構造工作，前期研究大部分是集中在球體、橢球體、凸面體等規則的幾何凸體構造。實際混凝土中的骨料的形狀并非完全是完美的凸體顆粒，而是復雜的非凸形顆粒組成。因此，構建非凸形顆粒的幾何形貌是實施精確分析混凝土和其他顆粒材料的物理力學性能的基礎和保證。相關研究人員提出了球拼裝、像素掃描等方法來構造復雜的非凸形顆粒，但是它們存在著一些缺陷。對于球拼裝法，很大程度上受到球體數量的限制，不能夠精確的模擬出所要構造的非凸形顆粒，而像素掃描法則很大程度上受制于成像設備的分辨率。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種關于混凝土中非凸形顆粒的三維數值構造方法，用此方法模擬混凝土中的骨料有效克服了骨料與現實的差距，為混凝土的力學性能提供更有利的保障。

為解決現有技術問題，本發明采取的技術方案為：

一種關于混凝土中非凸形顆粒的三維數值構造方法，包括以下步驟：

步驟1，在O-XYZ全局坐標系中隨機生成點P₀(x₀,y₀,z₀)，利用公式(1)平移矩陣

將原點(0，0，0)平移至P₀(x₀,y₀,z₀)形成局部坐標系O₁-X₁Y₁Z₁，P₀(x₀,y₀,z₀)即為局部坐標系O₁-X₁Y₁Z₁的原點，將局部坐標系X₁O₁Y₁面內(0,0)點作為極坐標的極心，若生成多邊形的邊數為N，則在區間[0,2π)內隨機的取N個不同的極角值，可以通過公式(2)生成第i個頂點所對應的極角，將所取的極角按照從小到大的順序排列,

θ_i＝η_i×2π

(2)，其中，θ_i是第i個頂點所對應的極角，η_i是[0,1)內的一個隨機數；

在生成多邊形各個頂點對應的極角的同時，隨機地生成對應的極徑，極徑隨機的分布在(A₀-A₁)到(A₀+A₁)之間，通過公式(3)可以隨機地生成第i個頂點所對應的極徑r_i

r_i＝A₀+α_i×A₁ (3)，