[發明專利]一種二維混凝土骨料的分級配隨機生成方法

有效

• 申請號: 202110387744.3
• 申請日: 2021-04-09
• 公開（公告）號: CN113158454B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 任會蘭;寧建國;宋水舟;馬天寶;栗建橋
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/13
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 張利萍

本發明是一種多級配二維混凝土骨料模型的隨機生成方法。步驟如下1、確定骨料投放的二維目標區域及目標區域的面積；步驟2、確定骨料三維級配，依據拉瓦文公式，計算出不同級配骨料在二維投放目標區域上出現的概率，作為骨料的二維級配，結合步驟1確定的投放目標區域總面積，計算出各級配骨料面積的理論值；步驟3、在目標區域內，按照級配從大到小的順序，逐級配生成滿足二維級配要求的隨機多邊形作為骨料的幾何模型。運用本方法生成隨機多邊形混凝土骨料，可保證骨料粒徑處于設計級配范圍內，同時，可以根據各級配骨料含量的理論計算值，逐級配生成混凝土骨料的幾何模型，使各級配骨料含量與理論計算值相差不超過4％，并可實現對多邊形隨機骨料的分級配精確生成。

技術領域

本發明涉及一種混凝土多邊形骨料的二維隨機生成方法,屬于細觀數值模擬前處理技術及建筑材料技術領域。

技術背景

混凝土具有原料來源廣，價格低廉，耐久性好等優點，已經成為一種被廣泛應用于工程結構中的建筑材料。硬化后的混凝土在細觀層次上，可以被視作一種由骨料、水泥砂漿和兩者之間交界面(ITZ)組成的三相復合材料。隨著對混凝土力學性能的深入研究，當前對混凝土力學性能的研究主要集中在兩個方面，一是混凝土宏觀力學性質與細觀各相介質性能之間的關系，二是混凝土破壞過程中的裂紋擴展形式。為了研究細觀組分對混凝土宏觀力學性能的影響，并精確探究混凝土破壞過程中的裂紋擴展方式，非常有必要從細觀力學模型著手對混凝土力學性能進行研究。

貼近實際的混凝土細觀幾何模型是獲得精確數值模擬結果的必要前提，模型中不同的骨料形狀，分布方式及骨料含量會導致數值結果呈現出一定的差異。當前，對混凝土骨料的模擬多采用圓形，橢圓形或者多邊形，圓形與橢圓形無法反映混凝土骨料的復雜特性，因此，生成多邊形隨機骨料模型對實現混凝土細觀數值模擬非常重要，當前使用較多的隨機多邊形骨料幾何模型生成方法包括兩種，其一是在三角形或四邊形骨料的基礎上進行生成，這種方法需要進行凸性判斷，生成效率較低，其二是在圓上隨機選點，但這種隨機選點方法易導致骨料質量不佳，無法保證骨料粒徑的真實性。此外，當前多數混凝土骨料生成方法中，只設定粗骨料的總含量，并不對每個級配的骨料含量進行精確控制，這種方法并不能真實反映級配良好的混凝土材料的真實特性，使混凝土細觀數值模型中混凝土骨料級配與混凝土實際級配產生差異，進而對數值模擬結果的準確性產生影響，影響對混凝土結構強度的評估及失穩條件的判定。

綜上所述，有必要提出一種能夠分級配高效生成混凝土骨料幾何模型的隨機骨料生成方法，為不同級配要求的混凝土的破壞過程及力學機理進行細觀數值模擬提供更有效的幾何模型。

發明內容

本發明的目的是為了解決上述已有數值模擬技術不能對混凝土骨料進行逐級配生成問題，提出一種二維混凝土隨機骨料幾何模型逐級配生成方法。使用該方法，可以保證隨機多邊形骨料滿足級配粒徑要求。同時，可以根據各級配骨料含量的理論計算值，逐級配生成混凝土骨料的幾何模型，使各級配骨料含量與理論計算值相差不超過4％，使模型能夠真實反映級配良好混凝土的真實特性。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的。

一種二維混凝土骨料的隨機生成方法，包括以下步驟：

步驟一、確定骨料投放的二維目標區域及目標區域的面積；

步驟二、確定骨料三維級配，依據拉瓦文公式，計算出不同級配骨料在二維投放目標區域上出現的概率，作為骨料的二維級配，結合步驟1確定的投放目標區域總面積，計算出各級配骨料面積的理論值；

步驟三、在目標區域內，按照級配從大到小的順序，逐級配生成滿足二維級配要求的隨機多邊形作為骨料的幾何模型；

步驟3.1：生成粒徑大小介于第一級配范圍內的一系列隨機圓形，并記錄所有隨機圓形的幾何信息，包括圓心坐標和半徑。圓心坐標及半徑運用馬特螺旋算法(MersenneTwister)隨機生成，且保證每一個圓不與投放區域的邊界相交。