[發明專利]一種基于Voronoi圖的高含石率土石混合體模型構建方法

有效

• 申請號: 202011232514.1
• 申請日: 2020-11-06
• 公開（公告）號: CN112347647B
• 公開（公告）日: 2023-10-20
• 發明（設計）人: 丁洋;盧強;王占江;劉赟哲
• 申請（專利權）人: 西北核技術研究所
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06T11/00;G06T3/00;G06F111/10
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 鄭麗紅

本發明提供一種基于Voronoi圖的高含石率土石混合體模型構建方法，解決現有隨機塊體生成及投放方法存在算法復雜度較高，無法生成高含石率模型的問題。該方法包括如下步驟：1)在目標區域內隨機布設種子點；2)根據種子點得到Voronoi圖，獲得顆粒幾何信息；3)如需調整含石率，則隨機選取顆粒進行收縮并更新顆粒數據，否則直接進入步驟4)；4)循環各顆粒，在顆粒的各邊隨機選取參考點；5)順序連接各參考點生成棱角顆粒模型，或者，過相鄰兩個參考點作與對應邊相切的橢圓弧，橢圓弧首尾相接生成磨圓顆粒模型。本發明方法利用Voronoi圖生成初始顆粒，利用在顆粒各邊隨機選取參考點的方法進行顆粒重構，構建了含石率更高、并考慮磨圓度的土石混合體模型。

技術領域

本發明屬于地質材料力學性能數值模擬研究領域，具體涉及一種基于Voronoi圖的高含石率土石混合體模型構建方法。

背景技術

隨著國內外大型工程建設及現代巖土力學的發展，土石混合體的概念被提出，使工程地質體在物質組成上從巖體、土體兩大類進一步細化為巖體、土體和土石混合體。土石混合體不僅包括由巖石風化、搬運、堆積形成的天然碎石土，還包括由人工合成的土石壩、交通工程中的土石混合料路基、建筑工程中的碎石土地基等。因此，對土石混合體力學性能的研究具有較高的工程意義和迫切的現實需求。

對于土石混合體的力學性能，除實驗研究外，數值模擬是一種行之有效的研究手段。由于土石混合體極度不均勻的系統特性，建立細觀數值模型是研究其力學特性的必要手段。目前土石混合體細觀結構模型的生成方法主要有兩種，一是圖像處理法；二是隨機塊體生成及投放方法。圖像處理法通過對樣品截面進行圖像識別，區分土石區域，并建立模型，但由于模型的隨機性，難以找到在統計意義上具有代表性的樣品模型，且該方法所能建立的模型區域有限，具有一定局限性；隨機塊體生成投放方法中，首先生成隨機塊體，再利用投放算法將塊體向指定區域投放，該方法可較好模擬土石混合體幾何特征，但算法復雜度較高，且越到后期投放越困難，很難生成高含石率土石混合體模型。

發明內容

本發明的目的是解決現有隨機塊體生成及投放方法存在算法復雜度較高，無法生成高含石率模型的問題，提供一種基于Voronoi圖的高含石率土石混合體模型構建方法。該方法利用Voronoi圖生成初步石塊顆粒，通過在顆粒各邊隨機選取參考點進行顆粒重構，生成高含石率土石混合體；通過采用不同的參考點連接方式，可生成棱角分明的棱角顆粒和磨圓度較好的磨圓顆粒；此外，可通過顆粒收縮，靈活調節石塊體積分數。

為實現以上目的，本發明的技術方案為：

一種基于Voronoi圖的高含石率土石混合體模型構建方法，包括以下步驟：

步驟一、設定目標區域為長length、高height的長方形，總顆粒數為s，在目標區域內隨機生成s個種子點，并存儲種子點坐標；

步驟二、基于步驟一獲取的種子點坐標，將目標區域進行Voronoi構型離散，所得各多邊形即為初始石塊顆粒模型，將各種子點坐標及其所對應顆粒的頂點坐標存儲為顆粒數據文件；

步驟三、若無需調整含石率，則直接執行步驟四；若需調整含石率，則隨機選取步驟二顆粒數據文件中的部分顆粒向其對應種子點進行收縮，并更新顆粒數據文件；

步驟四、遍歷顆粒數據文件中的每個顆粒，在顆粒各邊分別隨機選取一個參考點，并存儲參考點坐標；

步驟五、生成顆粒模型；

若生成棱角顆粒，則順序連接步驟四中各參考點，形成的多邊形即為棱角顆粒模型；

若生成磨圓顆粒，對于步驟四中各參考點，過相鄰兩個參考點作與對應邊相切的橢圓，以兩參考點之間的橢圓弧代替兩參考點之間的多邊形尖角，各橢圓弧首尾相連構成的圖形即為磨圓顆粒模型。