[发明专利]快速生成卵石碎石夹杂的混凝土三维随机骨料模型的方法

说明书

本发明公开了一种快速生成卵石碎石夹杂的混凝土三维随机骨料模型的方法，其中只有卵石或只有碎石的混凝土三维随机骨料模型是该卵石和碎石夹杂的混凝土三维随机骨料模型的特殊情况；该方法将圆球随机骨料模型和带边界的三维冯洛诺伊图相结合，以圆球骨料的球心为控制点生成近似满足骨料级配的三维冯洛诺伊图；本发明以三维冯洛诺伊图中的每个多面体的顶点为控制点，采用细分网格的方法生成的封闭曲面来表征卵石骨料的形状，在该封闭曲面上随机均匀取点，从而生成凸多面体来表征碎石骨料的形状。本发明采用并行的方式，同时对三维冯洛诺伊图中每个多面体骨料进行体积缩放，快速生成满足给定级配的卵石和碎石任意夹杂的混凝土三维随机骨料模型。

技术领域

本发明是涉及快速生成卵石碎石夹杂的混凝土三维随机骨料模型的方法，具体涉及只有卵石或只有碎石的这两种特殊的混凝土三维随机骨料模型和卵石与碎石任意混搭的混凝土三维随机骨料模型。

背景技术

混凝土是一种由骨料和水泥砂浆组成的非均质复合材料，其中骨料的形状和空间位置的分布对材料的性能有较大影响。随着计算机技术的不断发展和相关数值计算技术的不断成熟，考虑混凝土内骨料形状、级配和砂浆界面等内部细观结构的混凝土随机骨料模型开始被采用，用于研究材料的细观破坏机理。目前，将骨料简化为圆球并采用蒙特卡罗方法随机投放到体积区域中，最终生成混凝土圆球随机骨料模型的方法已有比较成熟和常见，但是相关的研究表明，骨料的形状和类型对计算结果也有一定的影响。目前也有采用凸多面体或傅里叶子描述等方法来表示骨料形状，再采用蒙特卡罗的方法将其投放体积区域中的方法。但是该方法将骨料逐个投放，需要反复判断不规则颗粒之间的碰撞问题，计算耗时长，且很难实现并行处理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速生成卵石碎石夹杂的混凝土三维随机骨料模型的方法。本发明操作步骤简单、设计合理、实现方便、使用效果好，并且投入成本不高。且本发明建立的快速生成卵石和碎石夹杂的混凝土三维随机骨料模型计算耗时短，能够较好的应用于数值模拟中。

为了解决上述问题，针对现有技术存在的不足本发明提供的技术方案是：

一种快速生成卵石碎石夹杂的混凝土三维随机骨料模型的方法，包括只有卵石或只有碎石的这两种特殊的混凝土三维随机骨料模型和卵石与碎石任意混搭的混凝土三维随机骨料模型。三维随机骨料生成流程图见图1。

本发明将圆球随机骨料模型和带边界的三维冯洛诺伊图相结合，将三维冯洛诺伊图中每个多面体作为骨料颗粒的外边界，通过圆球随机骨料的球心点的位置分布来控制三维冯洛诺伊图中每个多面体的大小分布。该方法和传统的先骨料后投放的过程相反，是先定位骨料的位置区域后生成骨料，从而可以并行计算，达到快速的目的。同时该发明以三维冯洛诺伊图中每个多面体的顶点作为控制点，采用细分网格的方法生成的封闭曲面来表征卵石骨料的形状；在细分网格的方法生成的封闭曲面上随机均匀取点来生成凸多面体来表征碎石，通过体积缩放的方式来满足指定的级配要求。同时可以通过设置卵石和碎石个数比例，生成卵石和碎石任意比例的三维混凝土随机骨料模型，只有卵石或碎石为其特殊情况。

本发明依托“国家自然科学基金青年科学基金”，项目编号“51508425”，旨在对考虑钢管初应力影响的钢管混凝土柱抗火性能进行细观模拟与分析研究。

为了解决上述问题，针对现有技术存在的不足本发明提供的技术方案是：

一种快速生成卵石碎石夹杂的混凝土三维随机骨料模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据给定骨料级配和混凝土截面尺寸，采用蒙特卡罗方法生成三维圆球随机骨料模型图，最终获取每个圆球骨料的球心点坐标和体积；

步骤2，根据圆球随机骨料模型图中所有骨料的球心坐标生成带边界的三维冯洛诺伊图；

步骤3，以三维冯洛诺伊图中每个多面体的顶点为控制点，采用细分网格的方法并行生成封闭曲面，最终得到封闭曲面构成的卵石形状图，并计算图中各封闭曲面的体积；