技術領域

本發(fā)明是涉及快速生成卵石碎石夾雜的混凝土三維隨機骨料模型的方法，具體涉及只有卵石或只有碎石的這兩種特殊的混凝土三維隨機骨料模型和卵石與碎石任意混搭的混凝土三維隨機骨料模型。

背景技術：

混凝土是一種由骨料和水泥砂漿組成的非均質復合材料，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。隨著計算機技術的不斷發(fā)展和相關數(shù)值計算技術的不斷成熟，考慮混凝土內骨料形狀、級配和砂漿界面等內部細觀結構的混凝土隨機骨料模型開始被采用，用于研究材料的細觀破壞機理。目前，將骨料簡化為圓球并采用蒙特卡羅方法隨機投放到體積區(qū)域中，最終生成混凝土圓球隨機骨料模型的方法已有比較成熟和常見，但是相關的研究表明，骨料的形狀和類型對計算結果也有一定的影響。目前也有采用凸多面體或傅里葉子描述等方法來表示骨料形狀，再采用蒙特卡羅的方法將其投放體積區(qū)域中的方法。但是該方法將骨料逐個投放，需要反復判斷不規(guī)則顆粒之間的碰撞問題，計算耗時長，且很難實現(xiàn)并行處理。

技術實現(xiàn)要素：

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三維隨機骨料模型的方法。本發(fā)明操作步驟簡單、設計合理、實現(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三維隨機骨料模型計算耗時短，能夠較好的應用于數(shù)值模擬中。

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

一種快速生成卵石碎石夾雜的混凝土三維隨機骨料模型的方法，包括只有卵石或只有碎石的這兩種特殊的混凝土三維隨機骨料模型和卵石與碎石任意混搭的混凝土三維隨機骨料模型。三維隨機骨料生成流程圖見圖1。

本發(fā)明將圓球隨機骨料模型和帶邊界的三維馮洛諾伊圖相結合，將三維馮洛諾伊圖中每個多面體作為骨料顆粒的外邊界，通過圓球隨機骨料的球心點的位置分布來控制三維馮洛諾伊圖中每個多面體的大小分布。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，達到快速的目的。同時該發(fā)明以三維馮洛諾伊圖中每個多面體的頂點作為控制點，采用細分網(wǎng)格的方法生成的封閉曲面來表征卵石骨料的形狀；在細分網(wǎng)格的方法生成的封閉曲面上隨機均勻取點來生成凸多面體來表征碎石，通過體積縮放的方式來滿足指定的級配要求。同時可以通過設置卵石和碎石個數(shù)比例，生成卵石和碎石任意比例的三維混凝土隨機骨料模型，只有卵石或碎石為其特殊情況。

本發(fā)明依托“國家自然科學基金青年科學基金”，項目編號“51508425”，旨在對考慮鋼管初應力影響的鋼管混凝土柱抗火性能進行細觀模擬與分析研究。

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

一種快速生成卵石碎石夾雜的混凝土三維隨機骨料模型的方法，其特征在于，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三維圓球隨機骨料模型圖，最終獲取每個圓球骨料的球心點坐標和體積；

步驟2，根據(jù)圓球隨機骨料模型圖中所有骨料的球心坐標生成帶邊界的三維馮洛諾伊圖；

步驟3，以三維馮洛諾伊圖中每個多面體的頂點為控制點，采用細分網(wǎng)格的方法并行生成封閉曲面，最終得到封閉曲面構成的卵石形狀圖，并計算圖中各封閉曲面的體積；

步驟4，建立骨料模型，實現(xiàn)如下：

設定卵石個數(shù)m和碎石個數(shù)n，m，n為任意自然數(shù)（0,1,2,3…），并在全體骨料顆粒中進行隨機抽樣，從而確定每個骨料的卵石或碎石類型：

4.1，當設定碎石個數(shù)n＝0時，此時全部骨料都為卵石，縮放各球心點坐標對應的封閉曲面的體積，使該體積等于三維圓球隨機骨料模型圖中同一坐標處的圓球骨料的體積，得到采用封閉曲面描述的卵石骨料模型；

4.2，當設定卵石個數(shù)m＝0時，此時全部骨料都為碎石，在各球心點坐標對應的封閉曲面上隨機均勻取點，從而生成凸多面體，然后以該凸多面體的形心為中心，縮放對應的封閉曲面的體積，使該體積等于三維圓球隨機骨料模型圖中同一坐標處的圓球骨料的體積，得到采用凸多面體描述的碎石骨料模型；

4.3，當設定卵石個數(shù)m≠0且碎石個數(shù)n≠0時，此時卵石和碎石夾雜，首先根據(jù)預建立的混凝土三維卵石和碎石夾雜隨機骨料模型中卵石和碎石個數(shù)所占比例；然后在全體骨料顆粒中隨機選取對應比例的卵石和碎石；最后根據(jù)步驟4.1中的方法對代表卵石的封閉曲面進行處理，并根據(jù)步驟4.2中的方法對代表碎石的封閉曲面進行處理，最終得到三維卵石碎石夾雜隨機骨料模型。

步驟4.1中，縮放各球心點坐標對應的封閉曲面的體積具體實施如下：

計算各球心點坐標對應的圓球骨料的體積與對應封閉曲面的體積的比例，以封閉曲面形心為中心，按此比例縮放封閉曲面的大小。

本發(fā)明的有益效果是：

1. 通過本發(fā)明方法，可以建立只有卵石或只有碎石的這兩種特殊的混凝土三維隨機骨料模型和卵石與碎石任意混搭的混凝土三維隨機骨料模型；

2. 本發(fā)明方法，能調整設定的碎石和卵石的個數(shù)比例，生成不同碎石和卵石含量的混凝土三維隨機骨料模型；

3. 本發(fā)明方法，采用先向混凝土截面區(qū)域投放圓球骨料，再在骨料內部生成不規(guī)則形狀的骨料，由于圓形骨料不重疊，在內部生成的不規(guī)則骨料也就不會重疊，骨料之間不會出現(xiàn)重疊問題，因此計算耗時短，耗時僅為幾秒鐘，并且CPU耗費小，計算步驟簡單，設計合理，實現(xiàn)方便；本發(fā)明方法能表征規(guī)定級配的骨料形狀，骨料的形狀更加真實；本方法采用先投放圓形骨料再在內部生成不規(guī)則骨料，可以避免骨料相互重疊所需的判斷，因此投入成本低；本發(fā)明方法能實現(xiàn)并行計算，具體見圖1。

4. 本發(fā)明建立的混凝土三維隨機骨料模型能夠很好的應用于數(shù)值計算中，可以應用于有限元模擬和多物理場耦合模型中，是混凝土材料和結構細觀分析的基礎。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的三維隨機骨料生成流程圖；

圖2是本發(fā)明實施例一、二、三的采用蒙特卡羅方法生成三維圓球隨機骨料模型圖；

圖3是本發(fā)明實施例一、二、三的三維馮洛諾伊圖；

圖4是本發(fā)明實施例一、二、三的封閉曲面構成的卵石形狀圖；

圖5是本發(fā)明實施例一的三維卵石隨機骨料模型圖；

圖6是本發(fā)明實施例二的三維碎石隨機骨料模型圖；

圖7是本發(fā)明實施例三的卵石和碎石任意搭配的三維隨機骨料模型圖。

具體實施方式

為了更進一步解釋本發(fā)明的技術方案，下面通過具體實施例來對發(fā)明進行詳細的闡述；

實施例一

本實施例的目的是生成只有卵石的混凝土三維隨機骨料模型，屬于本發(fā)明方法的一種特殊情形。

1. 根據(jù)給定骨料級配和混凝土截面尺寸，其中，骨料級配為二級配，骨料粒徑范圍為5~20mm和20~40mm，混凝土截面尺寸0.15m×0.15m×0.30m，采用蒙特卡羅方法生成三維圓球隨機骨料模型圖，最終獲取每個球形骨料的球心點坐標和體積，見圖2，球形骨料個數(shù)為80個；

2. 根據(jù)圓球隨機骨料模型圖中所有骨料的球心坐標生成帶邊界的三維馮洛諾伊圖，見圖3；

3. 以三維馮洛諾伊圖中每個多面體的頂點為控制點，采用細分網(wǎng)格的方法并行生成封閉曲面，最終得到封閉曲面構成的卵石形狀圖，并計算圖中各封閉曲面的體積，見圖4；

4. 建立骨料模型，實現(xiàn)如下：

設定卵石個數(shù)m和碎石個數(shù)n，m，n為任意自然數(shù)（0,1,2,3…），并在全體骨料顆粒中進行隨機抽樣，從而確定每個骨料的類型，即確定每個骨料是卵石或是碎石；當設定卵石個數(shù)m=80個，碎石個數(shù)n＝0個時，此時全部骨料都為卵石?？s放各球心點坐標對應的封閉曲面的體積，使該體積等于三維圓球隨機骨料模型圖中同一坐標處的球形骨料的體積，得到采用封閉曲面描述的卵石骨料模型，見圖5。上述縮放體積的具體方法為：計算各球心點坐標對應的球形骨料的體積與對應封閉曲面的體積的比例，以封閉曲面形心為中心，按此比例縮放封閉曲面的大小；

實施例二

本實施例的目的是生成只有碎石的混凝土三維隨機骨料模型，屬于本發(fā)明方法的另一種特殊情形。

1. 根據(jù)給定骨料級配和混凝土截面尺寸，其中，骨料級配為二級配，骨料粒徑范圍為5~20mm和20~40mm，混凝土截面尺寸0.15m×0.15m×0.30m，采用蒙特卡羅方法生成三維圓球隨機骨料模型圖，最終獲取每個球形骨料的球心點坐標和體積，見圖2，球形骨料個數(shù)為80個；

2. 根據(jù)圓球隨機骨料模型圖中所有骨料的球心坐標生成帶邊界的三維馮洛諾伊圖，見圖3；

3. 以三維馮洛諾伊圖中每個多面體的頂點為控制點，采用細分網(wǎng)格的方法并行生成封閉曲面，最終得到封閉曲面構成的卵石形狀圖，并計算圖中各封閉曲面的體積，見圖4；

4. 建立骨料模型，實現(xiàn)如下：

設定卵石個數(shù)m和碎石個數(shù)n，m，n為任意自然數(shù)（0,1,2,3…），并在全體骨料顆粒中進行隨機抽樣，從而確定每個骨料的類型，即確定每個骨料是卵石或是碎石；當設定卵石個數(shù)m＝0個，碎石個數(shù)n=80個時，此時全部骨料都為碎石，在各球心點坐標對應的封閉曲面上隨機均勻取點，從而生成凸多面體，然后以該凸多面體的形心為中心，縮放對應的封閉曲面的體積，使該體積等于三維圓球隨機骨料模型圖中同一坐標處的球形骨料的體積，得到采用凸多面體描述的碎石骨料模型，見圖6；

實施例三

本實施例的目的是生成卵石和碎石夾雜的混凝土三維隨機骨料模型，屬于本發(fā)明方法的常規(guī)情形。

1. 根據(jù)給定骨料級配和混凝土截面尺寸，其中，骨料級配為二級配，骨料粒徑范圍為5~20mm和20~40mm，混凝土截面尺寸0.15m×0.15m×0.30m，采用蒙特卡羅方法生成三維圓球隨機骨料模型圖，最終獲取每個球形骨料的球心點坐標和體積，見圖2，球形骨料個數(shù)為80個；

2. 根據(jù)圓球隨機骨料模型圖中所有骨料的球心坐標生成帶邊界的三維馮洛諾伊圖，見圖3；

3. 以三維馮洛諾伊圖中每個多面體的頂點為控制點，采用細分網(wǎng)格的方法并行生成封閉曲面，最終得到封閉曲面構成的卵石形狀圖，并計算圖中各封閉曲面的體積，見圖4；

4. 建立骨料模型，實現(xiàn)如下：

設定卵石個數(shù)m和碎石個數(shù)n，m，n為任意自然數(shù)（1,2,3…），并在全體骨料顆粒中進行隨機抽樣，從而確定每個骨料的類型，即確定每個骨料是卵石或是碎石；當設定卵石個數(shù)m=40個且碎石個數(shù)n=40個時，此時卵石和碎石夾雜；

首先，根據(jù)預建立的混凝土三維卵石和碎石夾雜隨機骨料模型中卵石和碎石個數(shù)所占比例；然后，在全體骨料顆粒中隨機選取對應比例的卵石和碎石；最后，根據(jù)對代表卵石的封閉曲面以及對代表碎石的封閉曲面進行分別處理，最終得到三維卵石碎石夾雜隨機骨料模型，見圖7。

上述對代表卵石的封閉曲面的處理方式具體為：縮放各球心點坐標對應的封閉曲面的體積，使該體積等于三維圓球隨機骨料模型圖中同一坐標處的球形骨料的體積，得到采用封閉曲面描述的卵石骨料模型。上述縮放體積的具體方法為：計算各球心點坐標對應的球形骨料的體積與對應封閉曲面的體積的比例，以封閉曲面形心為中心，按此比例縮放封閉曲面的大小。

上述對代表碎石的封閉曲面的處理方式具體為：在各球心點坐標對應的封閉曲面上隨機均勻取點，從而生成凸多面體，然后以該凸多面體的形心為中心，縮放對應的封閉曲面的體積，使該體積等于三維圓球隨機骨料模型圖中同一坐標處的球形骨料的體積。

需要強調的是，本發(fā)明所述的實施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明并不限于具體實施方式中所述的實施例，凡是由本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明的技術方案得出的其他實施方式，同樣屬于本發(fā)明保護的范圍。

在給定的任意骨料級配和任意混凝土截面尺寸的基礎上，按照本發(fā)明技術方案均可快速生成卵石碎石夾雜的混凝土三維隨機骨料模型。

本發(fā)明在建立三維卵石碎石夾雜隨機骨料模型時，在卵石、碎石個數(shù)之和等于球形骨料個數(shù)的前提下，卵石、碎石個數(shù)可取不為0的任意值。

本發(fā)明也可采用其他方法，達到將封閉曲面體積縮放至等于三維圓球隨機骨料模型圖中同一坐標處的球形骨料的體積的目的。