快速生成卵石碎石夾雜的混凝土二維隨機(jī)骨料模型的方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種快速生成卵石碎石夾雜的混凝土二維隨機(jī)骨料模型的方法，其中只有卵石或只有碎石的混凝土二維隨機(jī)骨料模型是該卵石和碎石夾雜的混凝土二維隨機(jī)骨料模型的特殊情況；該方法將圓形隨機(jī)骨料模型和帶邊界的泰森多邊形圖相結(jié)合，以圓形骨料的圓心為控制點(diǎn)生成近似滿足骨料級配的泰森多邊形圖；本發(fā)明專利技術(shù)以每個(gè)泰森多邊形的頂點(diǎn)為控制點(diǎn)，并行生成封閉的B樣條曲線來表征卵石骨料的形狀，在封閉的B樣條曲線隨機(jī)均勻取點(diǎn)，從而生成凸多邊形來表征碎石骨料的形狀。本發(fā)明專利技術(shù)采用并行的方式，同時(shí)對每個(gè)泰森多邊形內(nèi)的骨料進(jìn)行面積縮放，快速生成滿足給定級配的卵石和碎石任意夾雜的混凝土二維隨機(jī)骨料模型。

Method for rapidly producing a two-dimensional random aggregate model of pebbles and crushed stone inclusions

The invention discloses a method for the rapid generation of cobble concrete with two-dimensional random aggregate model, which only pebbles or gravel concrete only two-dimensional random aggregate model is a special case of the pebble and gravel mixed concrete two-dimensional random aggregate model; the method of the circular random aggregate model and boundary of the Tyson polygon graph combined in the center, circular aggregate control points to generate approximate aggregate gradation Tyson polygon; the Tyson polygon for each control point, parallel generation closed B spline curve to characterize the gravel aggregate shape, in a closed B spline curve to generate uniform random points to characterize the convex polygon the shape of aggregates. The present invention uses parallel method to simultaneously scale the aggregate in each Tyson polygon, and quickly generates a two-dimensional random aggregate model of concrete for grading grading pebbles and crushed stones and any inclusion.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
快速生成卵石碎石夾雜的混凝土二維隨機(jī)骨料模型的方法
本專利技術(shù)屬于混凝土細(xì)觀數(shù)值試驗(yàn)前處理
，具體的說是一種快速生成卵石碎石夾雜的混凝土二維隨機(jī)骨料模型的方法。
技術(shù)介紹
混凝土是一種由骨料和水泥砂漿組成的非均質(zhì)復(fù)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(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和相關(guān)數(shù)值計(jì)算技術(shù)的不斷成熟，考慮混凝土內(nèi)骨料形狀、級配和砂漿界面等內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的混凝土隨機(jī)骨料模型開始被采用，用于研究材料的細(xì)觀破壞機(jī)理。目前，將骨料簡化為圓形并采用蒙特卡羅方法隨機(jī)投放到截面區(qū)域中，最終生成混凝土圓形隨機(jī)骨料模型的方法已有比較成熟和常見，但是相關(guān)的研究表明，骨料的形狀和類型對計(jì)算結(jié)果也有一定的影響。目前也有采用凸多邊形或傅里葉子描述等方法來表示骨料形狀，即生成骨料，再采用蒙特卡羅的方法將生成的骨料逐個(gè)投放入混凝土截面區(qū)域中的方法。由于采用骨料逐個(gè)投放的方式，需要反復(fù)判斷骨料之間的重疊問題，骨料為不規(guī)則顆粒，骨料投放到設(shè)定的位置后，需要判斷骨料之間是否重疊，如果重疊需要重新投放，因此導(dǎo)致：①計(jì)算耗時(shí)長，耗時(shí)幾分鐘到幾十分鐘不等；②CPU耗費(fèi)大，電腦運(yùn)行緩慢，電腦發(fā)熱噪音大；③且很難實(shí)現(xiàn)并行處理，④骨料投放含量（骨料的面積占整個(gè)混凝土截面區(qū)域的面積的比例）偏低等局限性，可能與實(shí)際比例不符。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種快速生成卵石碎石夾雜的混凝土二維隨機(jī)骨料模型的方法。本專利技術(shù)操作步驟簡單、設(shè)計(jì)合理、實(shí)現(xiàn)方便、使用效果好，并且投入成本不高。且本專利技術(shù)建立的快速生成卵石和碎石夾雜的混凝土二維隨機(jī)骨料模型計(jì)算耗時(shí)短，能夠較好的應(yīng)用于數(shù)值模擬中。為了解決上述問題，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足本專利技術(shù)提供的技術(shù)方案是：一種快速生成卵石碎石夾雜的混凝土二維隨機(jī)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二維隨機(jī)骨料模型和卵石與碎石任意混搭的混凝土二維隨機(jī)骨料模型。二維隨機(jī)骨料生成流程圖見圖1。本專利技術(shù)將圓形隨機(jī)骨料模型和帶邊界的泰森多邊形圖相結(jié)合，將泰森多邊形圖中每個(gè)多邊形腔體作為骨料顆粒的外邊界，通過圓形隨機(jī)骨料的圓心點(diǎn)的位置分布來控制泰森多邊形圖中多邊形腔體的大小分布。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(jì)算，達(dá)到快速的目的。同時(shí)該專利技術(shù)以每個(gè)泰森多邊形的頂點(diǎn)作為控制點(diǎn)，采用封閉的B樣條曲線表征卵石，在封閉的B樣條曲線上隨機(jī)均勻取點(diǎn)來生成凸多邊形來表征碎石，通過面積縮放的方式來滿足指定的級配要求。同時(shí)可以通過設(shè)置卵石和碎石個(gè)數(shù)比例，生成卵石和碎石任意比例的二維混凝土隨機(jī)骨料模型，只有卵石或碎石為其特殊情況。本專利技術(shù)依托“國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)項(xiàng)目資助”，項(xiàng)目編號“2016YFC0701400”，旨在對高溫條件下裝配式混凝土構(gòu)件保護(hù)層剝落進(jìn)行細(xì)觀模擬與分析。本專利技術(shù)的具體技術(shù)方案如下：一種快速生成卵石碎石夾雜的混凝土二維隨機(jī)骨料模型的方法，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二維圓形隨機(jī)骨料模型圖，最終獲取每個(gè)圓形骨料的圓心點(diǎn)坐標(biāo)和面積；步驟2，根據(jù)圓形隨機(jī)骨料模型圖中所有骨料的圓心坐標(biāo)生成帶邊界的泰森多邊形圖；步驟3，以每個(gè)泰森多邊形的頂點(diǎn)為控制點(diǎn)，并行生成封閉B樣條曲線，最終得到封閉B樣條曲線圖，并計(jì)算圖中各封閉B樣條曲線的面積；步驟4，建立骨料模型，實(shí)現(xiàn)如下：設(shè)定卵石個(gè)數(shù)m和碎石個(gè)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(jìn)行隨機(jī)抽樣，從而確定每個(gè)骨料的卵石或碎石類型：4.1，當(dāng)設(shè)定碎石個(gè)數(shù)n＝0時(shí)，此時(shí)全部骨料都為卵石，縮放各圓心點(diǎn)坐標(biāo)對應(yīng)的封閉B樣條曲線的面積，使該面積等于二維圓形隨機(jī)骨料模型圖中同一坐標(biāo)處的圓形骨料的面積，得到采用封閉B樣條曲線描述的卵石骨料模型；4.2，當(dāng)設(shè)定卵石個(gè)數(shù)m＝0時(shí)，此時(shí)全部骨料都為碎石，在各圓心點(diǎn)坐標(biāo)對應(yīng)的封閉B樣條曲線上隨機(jī)均勻取點(diǎn)，從而生成凸多邊形，然后以該凸多邊形的形心為中心，縮放對應(yīng)的封閉B樣條曲線的面積，使該面積等于二維圓形隨機(jī)骨料模型圖中同一坐標(biāo)處的圓形骨料的面積，得到采用凸多邊形描述的碎石骨料模型；4.3，當(dāng)設(shè)定卵石個(gè)數(shù)m≠0且碎石個(gè)數(shù)n≠0時(shí)，此時(shí)卵石和碎石夾雜，首先根據(jù)預(yù)建立的混凝土二維卵石和碎石夾雜隨機(jī)骨料模型中卵石和碎石個(gè)數(shù)所占比例；然后在全體骨料顆粒中隨機(jī)選取對應(yīng)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B樣條曲線進(jìn)行處理，并根據(jù)步驟4.2中的方法對代表碎石的封閉B樣條曲線進(jìn)行處理，最終得到二維卵石碎石夾雜隨機(jī)骨料模型。步驟4.1中，縮放各圓心點(diǎn)坐標(biāo)對應(yīng)的封閉B樣條曲線的面積具體實(shí)施如下：計(jì)算各圓心點(diǎn)坐標(biāo)對應(yīng)的圓形骨料的面積與對應(yīng)封閉B樣條曲線的面積的比例，以封閉B樣條曲線形心為中心，按此比例縮放封閉B樣條曲線的大小。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的有益效果是：1.通過本專利技術(shù)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二維隨機(jī)骨料模型和卵石與碎石任意混搭的混凝土二維隨機(jī)骨料模型；2.本專利技術(shù)方法，能調(diào)整設(shè)定的碎石和卵石的個(gè)數(shù)比例，生成不同碎石和卵石含量的混凝土二維隨機(jī)骨料模型；3.本專利技術(shù)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(nèi)部生成不規(guī)則形狀的骨料，由于圓形骨料不重疊，在內(nèi)部生成的不規(guī)則骨料也就不會(huì)重疊，骨料之間不會(huì)出現(xiàn)重疊問題，因此計(jì)算耗時(shí)短，耗時(shí)僅為幾秒鐘，并且CPU耗費(fèi)小，計(jì)算步驟簡單，設(shè)計(jì)合理，實(shí)現(xiàn)方便；本專利技術(shù)方法能表征規(guī)定級配的骨料形狀，骨料的形狀更加真實(shí)；本方法采用先投放圓形骨料再在內(nèi)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；本專利技術(shù)方法能實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算，具體見圖1。4.本專利技術(shù)建立的混凝土二維隨機(jī)骨料模型能夠很好的應(yīng)用于數(shù)值計(jì)算中，可以應(yīng)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(jié)構(gòu)細(xì)觀分析的基礎(chǔ)。附圖說明圖1是本專利技術(shù)的二維隨機(jī)骨料生成流程圖；圖2是本專利技術(shù)實(shí)施例一、二、三的采用蒙特卡羅方法生成二維圓形隨機(jī)骨料模型圖；圖3是本專利技術(shù)實(shí)施例一、二、三的泰森多邊形圖；圖4是本專利技術(shù)實(shí)施例一、二、三的封閉B樣條曲線圖；圖5是本專利技術(shù)實(shí)施例一的二維卵石隨機(jī)骨料模型圖；圖6是本專利技術(shù)實(shí)施例二的二維碎石隨機(jī)骨料模型圖；圖7是本專利技術(shù)實(shí)施例三的卵石和碎石任意搭配的二維隨機(jī)骨料模型圖。具體實(shí)施方式為了更進(jìn)一步解釋本專利技術(shù)的技術(shù)方案，下面通過具體實(shí)施例來對專利技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的闡述：實(shí)施例一本實(shí)施例的目的是生成只有卵石的混凝土二維隨機(jī)骨料模型，屬于本專利技術(shù)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500mm×250mm，采用蒙特卡羅方法生成二維圓形隨機(jī)骨料模型圖，最終獲取每個(gè)圓形骨料的圓心點(diǎn)坐標(biāo)和面積，見圖2，圓形骨料個(gè)數(shù)為253個(gè)；2.根據(jù)圓形隨機(jī)骨料模型圖中所有骨料的圓心坐標(biāo)生成帶邊界的泰森多邊形圖，見圖3；3.以每個(gè)泰森多邊形的頂點(diǎn)為控制點(diǎn)，并行生成封閉的B樣條曲線并計(jì)算其面積，見圖4；4.建立骨料模型，實(shí)現(xiàn)如下：設(shè)定卵石個(gè)數(shù)m和碎石個(gè)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(jìn)行隨機(jī)抽樣，從而確定每個(gè)骨料的類型，即確定每個(gè)骨料是卵石或是碎石；當(dāng)設(shè)定卵石個(gè)數(shù)m=2本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
快速生成卵石碎石夾雜的混凝土二維隨機(jī)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二維圓形隨機(jī)骨料模型圖，最終獲取每個(gè)圓形骨料的圓心點(diǎn)坐標(biāo)和面積；步驟2，根據(jù)圓形隨機(jī)骨料模型圖中所有骨料的圓心坐標(biāo)生成帶邊界的泰森多邊形圖；步驟3，以每個(gè)泰森多邊形的頂點(diǎn)為控制點(diǎn)，并行生成封閉B樣條曲線，最終得到封閉B樣條曲線圖，并計(jì)算圖中各封閉B樣條曲線的面積；步驟4，建立骨料模型，實(shí)現(xiàn)如下：設(shè)定卵石個(gè)數(shù)m和碎石個(gè)數(shù)n，m，n為任意自然數(shù)，并在全體骨料顆粒中進(jìn)行隨機(jī)抽樣，從而確定每個(gè)骨料的卵石或碎石類型：4.1，當(dāng)設(shè)定碎石個(gè)數(shù)n＝0時(shí)，此時(shí)全部骨料都為卵石，縮放各圓心點(diǎn)坐標(biāo)對應(yīng)的封閉B樣條曲線的面積，使該面積等于二維圓形隨機(jī)骨料模型圖中同一坐標(biāo)處的圓形骨料的面積，得到采用封閉B樣條曲線描述的卵石骨料模型；4.2，當(dāng)設(shè)定卵石個(gè)數(shù)m＝0時(shí)，此時(shí)全部骨料都為碎石，在各圓心點(diǎn)坐標(biāo)對應(yīng)的封閉B樣條曲線上隨機(jī)均勻取點(diǎn)，從而生成凸多邊形，然后以該凸多邊形的形心為中心，縮放對應(yīng)的封閉B樣條曲線的面積，使該面積等于二維圓形隨機(jī)骨料模型圖中同一坐標(biāo)處的圓形骨料的面積，得到采用凸多邊形描述的碎石骨料模型；4.3，當(dāng)設(shè)定卵石個(gè)數(shù)m≠0且碎石個(gè)數(shù)n≠0時(shí)，此時(shí)卵石和碎石夾雜，首先根據(jù)預(yù)建立的混凝土二維卵石和碎石夾雜隨機(jī)骨料模型中卵石和碎石個(gè)數(shù)所占比例；然后在全體骨料顆粒中隨機(jī)選取對應(yīng)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B樣條曲線進(jìn)行處理，并根據(jù)步驟4.2中的方法對代表碎石的封閉B樣條曲線進(jìn)行處理，最終得到二維卵石碎石夾雜隨機(jī)骨料模型。...

【技術(shù)特征摘要】
1.快速生成卵石碎石夾雜的混凝土二維隨機(jī)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二維圓形隨機(jī)骨料模型圖，最終獲取每個(gè)圓形骨料的圓心點(diǎn)坐標(biāo)和面積；步驟2，根據(jù)圓形隨機(jī)骨料模型圖中所有骨料的圓心坐標(biāo)生成帶邊界的泰森多邊形圖；步驟3，以每個(gè)泰森多邊形的頂點(diǎn)為控制點(diǎn)，并行生成封閉B樣條曲線，最終得到封閉B樣條曲線圖，并計(jì)算圖中各封閉B樣條曲線的面積；步驟4，建立骨料模型，實(shí)現(xiàn)如下：設(shè)定卵石個(gè)數(shù)m和碎石個(gè)數(shù)n，m，n為任意自然數(shù)，并在全體骨料顆粒中進(jìn)行隨機(jī)抽樣，從而確定每個(gè)骨料的卵石或碎石類型：4.1，當(dāng)設(shè)定碎石個(gè)數(shù)n＝0時(shí)，此時(shí)全部骨料都為卵石，縮放各圓心點(diǎn)坐標(biāo)對應(yīng)的封閉B樣條曲線的面積，使該面積等于二維圓形隨機(jī)骨料模型圖中同一坐標(biāo)處的圓形骨料的面積，得到采用封閉B樣條曲線描述的卵石骨料模型；4.2，當(dāng)設(shè)定卵石個(gè)數(shù)m＝0時(shí)，此時(shí)全部骨料都為碎石，在各圓心點(diǎn)坐標(biāo)對應(yīng)的封閉B樣條曲...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：余敏，池寅，鮑浩，葉建喬，徐禮華，黃俊杰，
申請(專利權(quán))人：武漢大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：湖北,42