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技術

本發明專利技術公開了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，其中只有卵石或只有碎石的混凝土三維隨機骨料模型是該卵石和碎石夾雜的混凝土三維隨機骨料模型的特殊情況；該方法將圓球隨機骨料模型和帶邊界的三維馮洛諾伊圖相結合，以圓球骨料的球心為控制點生成近似滿足骨料級配的三維馮洛諾伊圖；本發明專利技術以三維馮洛諾伊圖中的每個多面體的頂點為控制點，采用細分網格的方法生成的封閉曲面來表征卵石骨料的形狀，在該封閉曲面上隨機均勻取點，從而生成凸多面體來表征碎石骨料的形狀。本發明專利技術采用并行的方式，同時對三維馮洛諾伊圖中每個多面體骨料進行體積縮放，快速生成滿足給定級配的卵石和碎石任意夾雜的混凝土三維隨機骨料模型。

Method for quickly generating concrete random aggregate model with cobble and crushed stone inclusion

The invention discloses a method for the rapid generation of cobble concrete with 3-D random aggregate model, which only pebbles or gravel concrete only 3-D random aggregate model is a special case of the pebble and gravel mixed concrete 3-D random aggregate model; the method of the spherical random aggregate model with boundary and 3D Feng Luo Nuoyitu. According to the Center for the ball, aggregate control points generated approximate three-dimensional von Lo Nor Eetu aggregate gradation; the invention takes each polyhedron in the three-dimensional Feng Luo Nuoyitu vertex as the control points, mining closed surface generated by the grid subdivision method to characterize the gravel aggregate shape in the closed surface on random uniform points to generation of convex polyhedron to characterize the shape of aggregates. The invention adopts the parallel mode, at the same time the volume of 3D Feng Luo Nuoyitu zoom in each polyhedron aggregate, to meet the rapid generation of grading pebbles and gravel concrete with arbitrary 3-D random aggregate model.

【技術實現步驟摘要】
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
本專利技術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。
技術介紹
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展和相關數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，需要反復判斷不規則顆粒之間的碰撞問題，計算耗時長，且很難實現并行處理。
技術實現思路
本專利技術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。本專利技術操作步驟簡單、設計合理、實現方便、使用效果好，并且投入成本不高。且本專利技術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值模擬中。為了解決上述問題，針對現有技術存在的不足本專利技術提供的技術方案是：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。本專利技術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。該方法和傳統的先骨料后投放的過程相反，是先定位骨料的位置區域后生成骨料，從而可以并行計算，達到快速的目的。同時該專利技術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。本專利技術依托“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，針對現有技術存在的不足本專利技術提供的技術方案是：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，實現如下：設定卵石個數m和碎石個數n，m，n為任意自然數（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m≠0且碎石個數n≠0時，此時卵石和碎石夾雜，首先根據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。本專利技術的有益效果是：1.通過本專利技術方法，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.本專利技術方法，能調整設定的碎石和卵石的個數比例，生成不同碎石和卵石含量的混凝土三維隨機骨料模型；3.本專利技術方法，采用先向混凝土截面區域投放圓球骨料，再在骨料內部生成不規則形狀的骨料，由于圓形骨料不重疊，在內部生成的不規則骨料也就不會重疊，骨料之間不會出現重疊問題，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，實現方便；本專利技術方法能表征規定級配的骨料形狀，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；本專利技術方法能實現并行計算，具體見圖1。4.本專利技術建立的混凝土三維隨機骨料模型能夠很好的應用于數值計算中，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是本專利技術的三維隨機骨料生成流程圖；圖2是本專利技術實施例一、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是本專利技術實施例一、二、三的三維馮洛諾伊圖；圖4是本專利技術實施例一、二、三的封閉曲面構成的卵石形狀圖；圖5是本專利技術實施例一的三維卵石隨機骨料模型圖；圖6是本專利技術實施例二的三維碎石隨機骨料模型圖；圖7是本專利技術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專利技術的技術方案，下面通過具體實施例來對專利技術進行詳細的闡述；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，屬于本專利技術方法的一種特殊情形。1.根據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，球形骨料個數為80個；2.根據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，實現如下：設定卵石個數m和碎石個數n，m，n為任意自然數（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m=80個，碎石個數n＝0個時，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，使該體積本文檔來自技高網...

【技術保護點】
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，實現如下：設定卵石個數m和碎石個數n，m，n為任意自然數，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m≠0且碎石個數n≠0時，此時卵石和碎石夾雜，首先根據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。...

【技術特征摘要】
1.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，實現如下：設定卵石個數m和碎石個數n，m，n為任意自然數，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m＝0時，此時全部骨料都為碎石，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：余敏，葉建喬，鮑浩，池寅，徐禮華，
申請(專利權)人：武漢大學，
類型：發明
國別省市：湖北,42