[发明专利]采用重叠接触切割算法的二维超高体积分数混杂岩数值模拟模型的生成方法

说明书

本发明公布一种采用重叠接触切割算法的二维超高体积分数混杂岩数值模拟模型的生成方法，包括根据给定的颗粒级配曲线等前提条件随机生成多边形的骨料框架；记录下多边形骨料框架的坐标信息，导入离散元软件，将骨料框架放置到边界区域墙内，并实现骨料颗粒向刚性簇的转化；进行DEM模拟，使得骨料间能够自由碰撞，直至平衡，记录簇碰撞后分布的位置信息在几何文件；然后通过调用Python语言开发的骨料接触判定算法对几何文件中骨料实体的接触性进行判断，对存在接触和重叠量的骨料进行切割，最终得到高体积分数混杂岩数值模拟模型。本发明可以生成极超高体积分数的混杂岩数值模拟模型，同时避免骨料间的重叠，更好模拟骨料颗粒间的接触面。

技术领域

本发明属于不均匀岩土材料混杂岩数值模拟参数研究技术领域，具体涉及一种采用重叠接触切割算法的二维超高体积分数混杂岩数值模拟模型的生成方法。

背景技术

由于实验方法的限制以及数值模拟方法的迅速兴起与发展，通过数值模拟的方法来研究混杂岩材料的力学参数和力学性能，能够较好地克服原位实验以及室内实验过程中试样完整度、试样的扰动、试样尺寸以及实验操作引起的误差等问题。

数值模拟研究存在一个重要的问题——实验模型的建立，即生成符合数值模拟要求的骨料级配与高骨料体积分数的数值模型试样。目前，基本没有研究者生成骨料体积分数大于90％的混杂岩模型；然而，在室内试验中，混杂岩试样的骨料体积分数已经达到90％，如Afifipour等人在Mechanical behavior of bimrocks having high rock blockproportion一文中就将混杂岩的骨料体积分数提高到90％。因此需要研究超高体积混杂岩数值模拟模型，来克服原位实验以及室内实验过程中存在误差等问题。

在模型建立问题上，现有细观数值模拟模型生成方法主要有两种，一是图像处理法；二是随机块体投放法。图像处理法即对混杂岩试样的截面进行扫描和图象识别，以此来区分骨料和基质，并建立模型；但此方法没有办法研究混杂岩材料内部材质分布的随机性，具有一定局限性。随机块体投放法通过算法生成随机块体，运用投放算法在指定的模型边界区域内投放块体，但投放时要考虑接触，因此生成的混杂岩模型骨料体积分数很难达到需求，更难生成很超高体积分数的混杂岩模型。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用重叠接触切割算法的二维超高体积分数混杂岩数值模拟模型的生成方法，解决现有技术中无法真正生成超高体积分数混杂岩模型和模拟骨料间面与面接触的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案实现：

一种采用重叠接触切割算法的二维超高体积分数混杂岩数值模拟模型的生成方法，包括以下步骤：

步骤1：根据颗粒级配曲线和骨料体积分数等信息生成所有的多边形骨料框架几何模型。

步骤2：利用离散元软件，根据多边形骨料框架生成相同大小、形状的刚性簇clump，并将模型边界设定为墙边界；保证骨料颗粒能在模型边界内，同时可模拟骨料在边界上的分布；

步骤3：生成骨料刚性簇和设置边界后，运用离散元模拟刚性簇的碰撞，使骨料位置重新分布；待骨料颗粒碰撞达到平衡后获取重分布后骨料刚性簇轮廓的坐标信息，得到骨料颗粒随机分布的混杂岩几何模型，并保存为几何文件；该步骤可以模拟自然界中混杂岩中骨料颗粒的随机分布，允许骨料颗粒在任意位置以任意角度分布，贴近真实情况；

步骤4：调用接触重叠判断算法，处理混杂岩模型几何文件；获得整个模型的所有骨料颗粒的多边形实体，通过上述算法，循环遍历所有骨料实体，寻找到与周围多边形骨料颗粒存在接触重叠量的骨料，并判别接触重叠类型。

步骤5：根据骨料接触重叠类型，采用不同的接触重叠切割算法对接触重叠的骨料进行切割，每次切割后将对应骨料信息更新到多边形骨料实体的列表中。