本技術(shù)涉及數(shù)值仿真，尤其瀝青混凝土、水泥混凝土等復(fù)合材料的數(shù)值建模技術(shù)，具體為一種適用于大容量規(guī)則排布結(jié)構(gòu)的離散元快速建模方法。

背景技術(shù)：

1、離散元數(shù)值仿真技術(shù)作為離散介質(zhì)力學(xué)行為研究的重要手段在土木工程等相關(guān)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，該方法克服了傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的宏觀連續(xù)性假設(shè)，從細(xì)觀層次模擬非均質(zhì)材料的力學(xué)特性，揭示顆粒間的復(fù)雜力學(xué)行為，在處理非連續(xù)介質(zhì)的大變形、非連續(xù)等問題中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

2、在模型構(gòu)建過程中，為真實(shí)模擬材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，在模型范圍內(nèi)根據(jù)集料級(jí)配投放以集料形貌為模板生成的剛性簇clump，通過混合料生成控制算法建立粗集料clump骨架結(jié)構(gòu)，進(jìn)而將不可斷裂的剛性簇clump轉(zhuǎn)換為可斷裂的柔性簇cluster，即可完成幾何建模的核心內(nèi)容。

3、目前在土木工程領(lǐng)域中，離散元法常用于模擬室內(nèi)試驗(yàn)，例如：?jiǎn)屋S壓縮試驗(yàn)、間接拉伸試驗(yàn)、半圓彎曲試驗(yàn)等。這類模型的尺寸大多在十幾公分以內(nèi)，模型容量?？刂圃跀?shù)萬顆粒單元。通過離散元法分析離散系統(tǒng)中顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，旨在闡釋材料在荷載作用下的變形行為和破壞機(jī)理。然而，離散元法尚未應(yīng)用于結(jié)構(gòu)分析和大容量模型構(gòu)建中，這限制了其在更廣泛實(shí)際工程問題中的應(yīng)用潛力。

4、另一方面，由于主流計(jì)算設(shè)備性能限制，在構(gòu)建大顆粒容量的離散元模型中存在兩點(diǎn)突出問題，嚴(yán)重地制約了離散元法在大容量顆粒仿真模擬中的應(yīng)用。其一，離散元模型的骨架生成過程將會(huì)消耗大量時(shí)間用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和平衡模型中所有顆粒的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)投放剛性簇clump達(dá)到一定數(shù)量后，該過程效率非常低下，甚至設(shè)備無法計(jì)算；其二，在將剛性簇clump轉(zhuǎn)換為柔性簇cluster的過程中，其判斷邏輯是每一個(gè)pebble循環(huán)與模型中所有ball進(jìn)行距離判斷，將圓心距（球心距）小于pebble半徑識(shí)別為集料顆粒，整個(gè)過程隨著模型容量的擴(kuò)張，時(shí)間消耗呈指數(shù)型增加，嚴(yán)重地降低了建模效率。以上兩點(diǎn)問題使得當(dāng)前離散元難以構(gòu)建大容量模型，有必要建立一種適用于大容量顆粒的離散元快速建模方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術(shù)問題，本技術(shù)實(shí)施例提供一種適用于大容量規(guī)則排布結(jié)構(gòu)的離散元快速建模方法，以解決現(xiàn)有離散元建模技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)大容量模型的快速構(gòu)建問題，有助于離散元仿真技術(shù)在大容量模型中推廣應(yīng)用。

2、為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明提供一種適用于大容量規(guī)則排布結(jié)構(gòu)的離散元快速建模方法，包括：

3、步驟s1：根據(jù)研究需求確定模型基本尺寸，并基于預(yù)設(shè)原則將原模型劃分為若干區(qū)段；

4、步驟s2：在原模型所劃分的區(qū)段中，選擇一個(gè)未處理的區(qū)段并在該區(qū)段內(nèi)根據(jù)集料級(jí)配使用剛性簇clump單元建立粗集料骨架結(jié)構(gòu)；

5、步驟s3：在整個(gè)模型范圍內(nèi)生成粒徑相同且排布規(guī)則的若干ball單元，僅保留步驟s2中所選擇區(qū)段內(nèi)的ball單元并將模型其他區(qū)段的ball單元均刪除；

6、步驟s4：基于離散元搜索區(qū)域控制算法循環(huán)判斷每一個(gè)pebble單元與鄰近范圍內(nèi)ball單元的相對(duì)位置，使得包含在每一個(gè)clump單元范圍內(nèi)的所有ball單元獲得相同的group信息，將該clump單元轉(zhuǎn)換為柔性簇cluster單元，之后隨即刪除該clump單元；其中，剛性簇clump單元的基本構(gòu)成單元為pebble單元，柔性簇cluster單元的基本構(gòu)成單元為ball單元；

7、步驟s5：獲取步驟s4中所有ball單元的有效信息，隨即刪除該區(qū)段內(nèi)所有的ball單元，有效信息至少包括各軸的坐標(biāo)信息、ball半徑、group信息和id信息；

8、步驟s6：重復(fù)步驟s2～步驟s5以遍歷所有的區(qū)段，記錄所有區(qū)段內(nèi)ball單元的有效信息；

9、步驟s7：基于步驟s6中所有區(qū)段內(nèi)ball單元的有效信息，在整個(gè)模型范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)位置重新生成第二ball單元，每一個(gè)第二ball單元對(duì)應(yīng)一個(gè)ball單元，每一個(gè)第二ball單元ball至少包含id數(shù)據(jù)和group信息，構(gòu)建出賦有顆粒分組信息的離散元幾何模型；

10、步驟s8：對(duì)離散元幾何模型定義接觸模型與細(xì)觀參數(shù)，完成離散元模型構(gòu)建。

11、進(jìn)一步地，步驟s1中預(yù)設(shè)原則包括以材料配合比作為劃分標(biāo)準(zhǔn)或以預(yù)設(shè)結(jié)構(gòu)層分布作為劃分標(biāo)準(zhǔn)或?qū)⒂脩粢庠缸鳛閯澐謽?biāo)準(zhǔn)，形成最終的分段模型。

12、進(jìn)一步地，步驟s2包括：

13、自任意區(qū)段開始根據(jù)集料級(jí)配投放剛性簇clump，需通過自重沉積算法或壓實(shí)成型算法或體積膨脹算法生成粗集料骨架結(jié)構(gòu)。

14、進(jìn)一步地，步驟s3中排布規(guī)則包括四方排布結(jié)構(gòu)或六方排布結(jié)構(gòu)。

15、進(jìn)一步地，步驟s4中的離散元搜索區(qū)域控制算法包括：

16、步驟s41：獲取剛性簇clump單元所建立的粗集料骨架結(jié)構(gòu)以及自原點(diǎn)位置按排布規(guī)則所生成的ball單元；原點(diǎn)位置在2d模型中為（0，0），在3d模型中為（0，0，0）；

17、步驟s42：依據(jù)排布規(guī)則計(jì)算每一個(gè)ball單元的id數(shù)據(jù)；

18、步驟s43：分別遍歷獲取pebble單元與ball單元的圓心坐標(biāo)；

19、在2d模型下，pebble單元的圓心坐標(biāo)（xp，yp），ball單元的圓心坐標(biāo)（xb，yb）；

20、在3d模型下，pebble單元的圓心坐標(biāo)（xp，yp，zp），ball單元的圓心坐標(biāo)（xb，yb，zb）；

21、步驟s44：基于所采用的排布規(guī)則所對(duì)應(yīng)的幾何形狀，獲取ball單元的厚度尺寸；其中，在2d模型中獲取在x、y方向所對(duì)應(yīng)的每個(gè)、每行的ball單元平均厚度尺寸，在3d模型中獲得在x、y、z方向所對(duì)應(yīng)的每個(gè)、每行、每層ball單元平均厚度尺寸；

22、步驟s45：基于pebble單元圓心坐標(biāo)和ball單元的厚度尺寸獲取每個(gè)pebble單元所在位置在各軸向上對(duì)應(yīng)的顆粒個(gè)數(shù)，取整后形成該pebble單元與所相鄰ball單元的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系；其中，取整時(shí)采用向上取整或向下取整或四舍五入取整或隨機(jī)取整；

23、在2d模型下，獲取每個(gè)pebble單元所在位置在x方向?qū)?yīng)的顆粒個(gè)數(shù)tx、在y方向所對(duì)應(yīng)的行數(shù)ty；

24、在3d模型下，計(jì)算每個(gè)pebble單元所在位置在x方向?qū)?yīng)的顆粒個(gè)數(shù)tx、在y方向所對(duì)應(yīng)的行數(shù)ty、在z方向所對(duì)應(yīng)的層數(shù)tz；

25、步驟s46：設(shè)立搜索區(qū)域擴(kuò)展范圍，在2d模型下，基于計(jì)算出的tx和ty構(gòu)建相近ball單元顆粒搜索區(qū)域；在3d模型下，基于計(jì)算出的tx、ty和tz構(gòu)建相近ball單元顆粒搜索區(qū)域；

26、步驟s47：獲取所構(gòu)建的搜索區(qū)域內(nèi)的ball單元的id數(shù)據(jù)，并遍歷計(jì)算每個(gè)pebble單元的搜索區(qū)域。

27、進(jìn)一步地，步驟s42中針對(duì)四方排布結(jié)構(gòu)的id數(shù)據(jù)按照如下方式計(jì)算：

28、在2d模型下獲取x方向每行ball數(shù)量nx，id數(shù)據(jù)bid=(ty-1)×nx+tx；

29、在3d模型下獲取x方向每行ball數(shù)量nx與z方向每層ball數(shù)量nz，id數(shù)據(jù)bid=(tz-1)×nz+(ty-1)×nx+tx；

30、式中：tx為該ball在x方向?qū)?yīng)所在行內(nèi)的ball個(gè)數(shù)；ty為該ball在y方向?qū)?yīng)的行數(shù)；tz為該ball在z方向?qū)?yīng)的層數(shù)；nx為x方向每行ball數(shù)量；nz為z方向每層ball數(shù)量；bid為ball所對(duì)應(yīng)的id。

31、進(jìn)一步地，步驟s42中針對(duì)六方排布結(jié)構(gòu)的id數(shù)據(jù)按照如下方式計(jì)算：

32、在2d模型下id數(shù)據(jù)：

33、若ball所在位置屬于奇數(shù)行bid=(ty-1)/2×(nx1+nx2)+tx；

34、若ball所在位置屬于偶數(shù)行bid=(ty/2-1)×(nx1+nx2)+nx1+tx；

35、在3d模型下id數(shù)據(jù)：

36、若ball所在位置屬于奇數(shù)層與奇數(shù)行bid=(tz-1)/2×(nz1+nz2)+(ty-1)/2×(nx1+nx2)+tx；

37、若ball所在位置屬于奇數(shù)層與偶數(shù)行bid=(tz-1)/2×(nz1+nz2)+(ty/2-1)×(nx1+nx2)+nx1+tx；

38、若ball所在位置屬于偶數(shù)層與奇數(shù)行bid=(tz/2-1)×(nz1+nz2)+nz1+(ty-1)/2×(nx1+nx2)+tx；

39、若ball所在位置屬于偶數(shù)層與偶數(shù)行bid=(tz/2-1)×(nz1+nz2)+nz1+(ty/2-1)×(nx1+nx2)+nx1+tx；

40、式中：tx為該ball在x方向?qū)?yīng)所在行內(nèi)的ball個(gè)數(shù)；ty為該ball在y方向?qū)?yīng)的行數(shù)；tz為該ball在z方向?qū)?yīng)的層數(shù)；nx1為x方向奇數(shù)行ball數(shù)量；nx2為x方向偶數(shù)行ball數(shù)量；nz1為z方向奇數(shù)層ball數(shù)量；nz2為z方向偶數(shù)層ball數(shù)量；bid為ball所對(duì)應(yīng)的id。

41、進(jìn)一步地，步驟s44中：

42、在2d模型下，四方排布結(jié)構(gòu)中每個(gè)ball單元在x方向上的厚度尺寸xdis=2r、在y方向上的厚度尺寸ydis=2r；

43、六方排布結(jié)構(gòu)中每個(gè)ball單元在x方向上的厚度尺寸xdis=2r、在y方向上的厚度尺寸ydis=r；

44、在3d模型下，四方排布結(jié)構(gòu)中每個(gè)ball單元在x方向上的厚度尺寸xdis=2r、在y方向上的厚度尺寸ydis=2r、在z方向上的厚度尺寸zdis=2r；

45、六方排布結(jié)構(gòu)中每個(gè)ball單元在x方向上的厚度尺寸xdis=2r、在y方向上的厚度尺寸ydis=r、在z方向上的厚度尺寸zdis=r；

46、其中，r為ball單元的平均半徑。

47、進(jìn)一步地，步驟s46中，以tx、ty、tz為基礎(chǔ)上下均浮動(dòng)至少兩個(gè)數(shù)作為新的相近ball單元顆粒搜索區(qū)域，針對(duì)tx、ty、tz分別減小ix、iy、iz和增加ux、uy、uz，其中，ix、iy、iz、ux、uy、uz均為≥2的整數(shù)，x軸搜索區(qū)域范圍（tx-ix）~（tx+ux），y軸搜索區(qū)域范圍（ty-iy）~（ty+uy），z軸搜索區(qū)域范圍（tz-iz）~（tz+uz）。

48、本發(fā)明的有益效果：

49、1、提供出一種可建立大容量規(guī)則排布結(jié)構(gòu)的模型，填補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的空白；

50、2、在模型構(gòu)建過程中，首先利用先分割后合并的方式，將大容量模型劃分為若干區(qū)段，提高了骨架結(jié)構(gòu)的構(gòu)建效率；

51、3、通過離散元搜索區(qū)域控制算法，針對(duì)性地縮小了顆粒單元的遍歷范圍，在極大地提高混合料模型構(gòu)建效率的同時(shí)保障了模型計(jì)算的精確度。