[发明专利]一种多级配高体积分数混凝土模型构建方法

说明书

本发明提供一种多级配高体积分数混凝土模型构建方法，解决现有随机块体生成及投放方法存在算法复杂度较高，模型难以同时满足级配关系和骨料体积分数要求的问题。该方法包括：(1)设定目标区域范围、种子点级数、各级种子点数量、各级等效圆直径等参数；(2)目标区域布设多级均匀分布种子点阵；(3)将各级种子点阵进行随机抖动；(4)采用斥力重排法将高级别种子点附近的低级别种子点斥开；(5)采用加权Voronoi算法对所有种子点进行区域划分，生成初始多边形颗粒；(6)将各初始颗粒进行重构，生成多级配骨料模型。本发明方法通过将均布种子点阵随机抖动、斥力重排、加权Voronoi划分、颗粒重构的流程，构建了多级配高体积分数的混凝土模型。

技术领域

本发明属于混凝土材料多尺度建模研究领域，具体涉及一种多级配高体积分数混凝土模型构建方法。

背景技术

细观模型是研究混凝土力学特性的有效手段，混凝土由水泥砂浆构成的基体和碎石构成的骨料颗粒组成。骨料依据尺寸大小分成不同的等级，大小骨料相互搭配的比例关系，称为级配；骨料体积占总体的比例称为骨料体积分数。

骨料级配关系和体积分数是影响混凝土综合力学性能的两个关键参数。级配适当时，可减少填料空隙的灰浆量，相应减少单位体积用水量和胶凝材料用量，拌和物也不易离析，可以提高混凝土强度。由于骨料颗粒一般比基体材料更为坚硬，骨料体积分数也直接影响混凝土弹性模量、破坏强度等参数。因此，为开展混凝土力学性能研究、优化混凝土力学参数设计，需建立满足一定级配特性和骨料体积分数的细观模型。

现有混凝土细观模型生成方法主要有两种，一是图像处理法；二是随机块体生成投放方法。图像处理法通过对样品截面进行图像识别，区分基体材料和骨料颗粒，并建立模型，但由于混凝土材料细观上具有一定的随机性，难以找到在统计意义上具有代表性的样品模型，且该方法所能建立的模型区域有限，具有一定局限性。随机块体生成投放方法采用一定规则生成随机块体，再采用投放算法，通过不断进行接触判断向指定区域投放骨料，但算法复杂度较高，且所生成模型骨料体积分数难以达到实际需求。

发明内容

本发明的目的是解决现有随机块体生成及投放方法存在算法复杂度较高，模型难以同时满足级配关系和骨料体积分数要求的问题，提供了一种多级配高体积分数混凝土模型构建方法，该方法将均匀分布种子点阵随机抖动，生成多级随机分布种子点，采用斥力重排法将高级别种子点附近的低级别种子点斥开，通过加权Voronoi算法生成初始多级配颗粒，通过颗粒重构生成多级配骨料模型。

为实现以上发明目的，本发明技术方案为：

一种多级配高体积分数混凝土模型构建方法，包括以下步骤：

步骤一、设定目标区域为长length、高height的长方形，总级配数为T，设定第i级颗粒平均等效圆直径为D_i，第i级种子点数为k_i；

步骤二、在步骤一设定的目标区域内，依次生成包含k_i个种子点的i级均匀分布种子点阵，并存储各级种子点坐标；

步骤三、依次将步骤二中的各级种子点阵在初始位置附近随机抖动，并更新种子点坐标；

步骤四、对步骤三中的T级种子点阵，按级别从高到低的顺序，采用斥力重排法将高级别种子点附近的低级别种子点斥开，并更新种子点坐标；

步骤五、为各级种子点赋予权值w_i，采用加权Voronoi算法对所有种子点进行区域划分，生成Voronoi多边形，每一个多边形对应一个初始颗粒，并将各种子点坐标及其所对应颗粒的顶点坐标存储为颗粒数据文件；

步骤六、将步骤五的初始颗粒进行重构，生成多级配骨料模型。

进一步地，步骤六中，骨料模型构建方法包括以下步骤：