CN108932393A - 一种基于骨料几何本征的混凝土二维细观模型建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于骨料几何本征的混凝土二维细观模型建模方法，包括：S1、通过对单个骨料激光扫描得到三维扫描网格，通过旋转三维扫描网格获得不同视角的骨料截面，通过对骨料界面图像处理得到骨料的有序原始轮廓特征点；S2、对有序原始轮廓特征点进行简化，通过将简化后的特征点按设定方式移动得到与原始骨料形状相似的多种相似骨料；S3、对不同形状的单个骨料重复步骤S1～S2，将得到的相似骨料建立骨料库；S4、利用设定的骨料侵入判别方法，对骨料库中需投放的骨料根据骨料级配对指定区域进行投放，生成混凝土试件二维细观模型。与现有技术相比，本发明生成的骨料与真实骨料的几何高度相似，并实现了多特征点骨料的快速投放。

Description

一种基于骨料几何本征的混凝土二维细观模型建模方法
技术领域
本发明涉及混凝土细观数值试验技术领域，尤其是涉及一种基于骨料几何本征的混凝土二维细观模型建模方法。
背景技术
混凝土细观力学将混凝土结构看作由骨料、砂浆和界面(ITZ)组成的三相非均匀复合材料，其中骨料的形状直接影响着混凝土的强度、裂缝开展等宏观特性，构建与真实骨料形状相符的骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟分析的前提和基础。
以往的研究中，学者们采用圆形或者椭圆模拟卵石骨料，采用凸多边形模拟碎石骨料，建立了与实际骨料相类似的骨料模型。然而，现有骨料模型皆以规则几何(三角形、四边形)为基础，采用特定的数学算法进行构建，相较于混凝土真实骨料，几何形貌有较大差别。此外，也有学者对混凝土试件的切片进行CT扫描，提取截面上骨料的形状信息，以此重构骨料模型，该方法虽能较好表征截面上真实骨料的形状，但是骨料形状和级配受切片截面所限，且制作单个截面需要重复切片和进行CT扫描，模拟效率较低，无法体现根据级配进行骨料投放生成任意尺寸骨料模型的优势。
上述两类模型不兼具骨料真实几何特征和按骨料级配随机投放的特性，而这两者又是影响裂缝开展规律以及连接宏观-细观力学特性的重要条件。因此有必要建立与真实骨料几何形貌相一致的骨料模型，并可按骨料级配进行随机投放，从而方便准确地模拟实际混凝土结构。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于骨料几何本征的混凝土二维细观模型建模方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于骨料几何本征的混凝土二维细观模型建模方法，包括以下步骤：
S1、通过对单个骨料激光扫描得到三维扫描网格，通过旋转三维扫描网格获得不同视角的骨料截面，通过对骨料界面图像处理得到骨料的有序原始轮廓特征点；
S2、对有序原始轮廓特征点进行简化，通过将简化后的特征点按设定方式移动得到与原始骨料形状相似的多种相似骨料；
S3、对不同形状的单个骨料重复步骤S1～S2，将得到的相似骨料建立骨料库；
S4、利用设定的骨料侵入判别方法，对骨料库中需投放的骨料根据骨料级配对指定区域进行投放，生成混凝土试件二维细观模型。
优选的，所述有序原始轮廓特征点为：描述骨料外边界轮廓的以一点为初始点顺时针或逆时针排序的坐标序列。
优选的，所述步骤S2中对有序原始轮廓特征点进行简化的过程采用最小距离控制方法及曲率控制方法。
优选的，所述最小距离控制方法包括：判断有序原始轮廓特征点相邻两点的距离是否小于等于判定值，若是，则删除后点，直至保留的轮廓特征点中任意相邻两点都满足距离大于判定值。
优选的，所述曲率控制方法包括：判定有序原始轮廓特征点相邻三点的曲率半径是否大于等于判定值，若是，则删除第三点，直至保留的轮廓特征点中任意相邻三点都满足曲率半径小于判定值。
优选的，所述步骤S2中将简化后的特征点按设定方式移动的过程具体包括：
以骨料的形心为圆心建立两个不同半径的圆，得到包含所有简化后的特征点的环带，将简化后的特征点在所述环带内沿径向方向随机移动。
优选的，所述骨料库包含经过特征点归零及粒径单位化处理后的相似骨料的特征点坐标和面积数据。
优选的，所述特征点归零及粒径单位化处理包括：将相似骨料的特征点坐标减去相似骨料的外接圆圆心坐标后，再除以外接圆的直径。
优选的，所述设定的骨料侵入判别方法包括：
将需投放的骨料按粒径从大到小进行排序后，判断投放的新骨料的外接圆与已投放骨料的特征点连线形成的多边形是否有重叠关系，若否，则表明投放成功。
优选的，所述判断投放的新骨料的外接圆与已投放骨料的特征点连线形成的多边形有重叠关系的判定规则为满足以下三个条件之一：(1)已投放骨料的特征点在新骨料的外接圆内部；(2)已投放骨料的特征点连线与新骨料的外接圆相交；(3)新骨料的外接圆在已投放骨料的特征点连线形成的多边形的内部。
与现有技术相比，本发明建立了具有与真实骨料边界高度相似的骨料库，并根据骨料的级配提出了“先投放多边形—后投放外接圆”的骨料侵入判别方法，具备骨料真实几何特征的同时，实现了多特征点真实骨料的快速投放，用于混凝土细观数值试验中可提高试验效率。
附图说明
图1为本发明方法的主要流程图；
图2为实施例中三维骨料的投影图；
图3为实施例中骨料特征点的提取图；
图4为实施例中简化后的轮廓特征点；
图5为实施例中轮廓控制点移动环带；
图6为实施例中骨料轮廓特征点随机移动生成的一种相似骨料；
图7为实施例中骨料轮廓特征点随机移动生成的一种相似骨料；
图8为实施例中骨料轮廓特征点随机移动生成的一种相似骨料；
图9为实施例中已投放骨料的特征点在新骨料的外接圆内部的情况；
图10为实施例中已投放骨料的特征点连线与新骨料的外接圆相交的情况；
图11为实施例中新骨料的外接圆在已投放骨料的特征点连线形成的多边形的内部的情况；
图12为实施例中二级配骨料试件模型，骨料含量45.42％；
图13为实施例中三级配骨料试件模型，骨料含量52.17％；
图14为实施例中四级配骨料试件模型，骨料含量54.00％。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
本申请提出一种基于骨料几何本征的混凝土二维细观模型建模方法，如图1所示，利用激光扫描仪对真实骨料进行扫描，通过不同视角投影得到骨料二维原始轮廓特征点，然后利用最小距离控制及曲率控制对轮廓特征点进行简化，并通过特征点的随机移动，建立具有与真实骨料几何高度相似的骨料库，最后通过“先投放多边形—后投放外接圆”的骨料侵入判别方法，根据骨料级配对指定区域进行投放以生成混凝土试件模型。本方法具体包括以下步骤：
S1、通过对单个骨料激光扫描得到三维扫描网格，通过旋转三维扫描网格获得不同视角的骨料截面，通过对骨料界面图像处理得到骨料的有序原始轮廓特征点，具体过程如下：
S11、为获得真实骨料的几何形状，利用手持式激光扫描仪对单个骨料进行扫描，得到骨料的三维扫描网格；
S12、通过对三维扫描网格进行旋转可获得不同视角的骨料截面，导出获得JPG等图片格式文件，如图2所示；
S13、采用MATLAB软件的imread函数将骨料截面图片导入，通过二值化函数im2bw、膨胀函数imdilate、边界提取函数bwboundaries对骨料界面进行图片处理，得到骨料有序原始轮廓特征点，有序原始轮廓特征点为描述骨料外边界轮廓的以一点为初始点顺时针或逆时针排序的坐标序列，如图3所示。
S2、利用最小距离控制方法及曲率控制方法对有序原始轮廓特征点进行简化，通过将简化后的特征点按设定方式移动得到与原始骨料形状相似的多种相似骨料，具体过程如下：
S21、利用最小距离控制方法控制两点间最小距离来减小骨料特征点数量，首先计算骨料的平均粒径：
其中，Rave为骨料平均粒径，Ri为有序原始轮廓特征点至几何中心的距离，N为有序原始轮廓特征点个数，i表示轮廓特征点中的第i个；
假定轮廓上任一点为起始点，判断有序原始轮廓特征点相邻两点的距离是否满足：
dis|ni,ni+1|≤αRave
其中，α为距离控制系数，可取0.03～0.05，ni表示第i个轮廓特征点，若满足上式，则删除后点ni+1，直至保留的轮廓特征点中任意相邻两点都满足距离大于判定值；
S22、采用曲率控制方法控制相邻三点曲率从而进一步减少骨料特征点的数量，以轮廓上任一点为起始点，任意连续三点ni,ni+1,ni+2的曲率控制方法包含以下子步骤：
S221、根据三点的坐标计算得出所构三角形的三条边长nini+1、ni+1ni+2、ni+2ni；
S222、由余弦定理得出三点外接圆半径所对三角形的角度θ＝∠nini+1ni+2；
S223、利用正弦定理求出曲率半径R＝ni+1ni+2sin(θ/2)/sin(π-θ)；
S224、判定这三个特征点构成的三角形外接圆曲率半径是否大于等于判定值，若是，则删除ni+2，替换为下一点ni+3并重复步骤S221～S224，若曲率半径小于判定值，则令ni＝ni+1,ni+1＝ni+2,ni+2＝ni+3并继续循环步骤S221～S224，直至保留的轮廓特征点中任意相邻三点都满足曲率半径小于判定值；
以图3的骨料原始特征点为例，经过步骤S21、S22的简化过程，得到图4简化后的轮廓特征点，特征点个数从1969个减少到19个，并且简化后的骨料能较好的描述原始骨料的形状；
S23、由于不同骨料之间存在统计意义上的相似，可通过特征点的随机移动，建立与真实骨料几何高度相似的相似骨料，相似骨料通过建立骨料特征点移动环带，将骨料特征点在移动环带内进行随机移动得到，具体过程包括：
以骨料形心为圆心，分别以α1Rave和(1+α2)Rave为半径画出两个圆，α1、α2分别为圆形状系数，α1可取0.5～0.7、α2可取1.3～1.5，骨料特征点可在两个圆形的半径方向上随机移动，如图5所示，骨料特征点可在图示的双箭头方向上随机移动，根据偏离原骨料基形状选择随机移动次数num；
通过上述骨料特征点的随机移动方式可形成与原始骨料形状相似的骨料，图6～8为生成的3个相似骨料。
S3、对不同形状的单个骨料重复步骤S1～S2，将得到的相似骨料建立骨料库，骨料库包含经过特征点归零及粒径单位化处理后的相似骨料的特征点坐标和面积数据，具体过程如下：
S31、对得到的相似骨料进行特征点归零及粒径单位化处理：由于在骨料投放时需考虑定位点以及骨料级配，对于每个相似骨料找出其对应的外接圆直径Dwj和圆心坐标(xc,yc)，将相似骨料的特征点坐标(xi,yi)减去圆心坐标得：Xi＝xi-xc,Yi＝yi-yc,(i＝1,2,3....n)，n表示简化后的轮廓特征点个数，即实现“特征点归零”处理，再将Xi、Yi除以外接圆的直径Dwj，即实现“粒径单位化”处理，再计算“粒径单位化”后的相似骨料面积；
S32、扫描不同形状的真实骨料，重复步骤S1～S2及S31，将生成的相似骨料的特征点坐标、面积数据储存入数据库，形成与真实骨料几何相似的骨料库。
S4、利用设定的骨料侵入判别方法，对骨料库中需投放的骨料根据骨料级配对指定区域进行投放，生成混凝土试件二维细观模型，具体过程如下：
S41、根据投放区域大小，计算各级配所占面积：利用瓦尔文公式计算各级配所占区域的百分比，与投放区域作乘积得到各级配所占面积：
Sj＝(Pcj1-Pcj2)×S(j＝1,2,3,4)
其中，D表示小于粒径D0的所有粒径总和，D0为所计算概率的粒径上限值，即Pc(D＜D0)为粒径D小于D0的概率，Dmax为最大粒径，S为投放区域面积，Sj为第j级配的面积，Pcj1,Pcj2分别为第j级配下粒径的上下限；
S42、对需投放的骨料进行“级配化”和“旋转化”，并按粒径从大到小进行排序，从骨料库中随机选择一个骨料，根据目前级配范围对骨料进行随机缩扩放：
x1＝[D1+(D2-D1)×ran1]×x0
y1＝[D1+(D2-D1)×ran1]×y0
其中，x0,y0为旋转前的特征点坐标，x1,y1为缩扩放后特征点坐标，D1,D2分别为该级配范围内的最大和最小粒径，ran1是0到1的随机数；
为保证骨料的随机性，将骨料绕其外接圆中心进行随机旋转：
x1＝y0cos(360×ran2)-x0sin(360×ran2)
y1＝y0sin(360×ran3)-x0cos(360×ran3)
其中，x1,y1为旋转后的特征点横、纵坐标，ran2、ran3都分别为0到1的随机数；
S43、根据步骤S42的序列对需投放的骨料进行逐个投放，随机生成骨料投放定位点，并利用设定的“先投放多边形-后投放外接圆”的侵入判断方法对骨料重叠进行判断，若骨料不重叠，则投放成功，否则重新生成投放定位点，直至投放成功或超出判定次数，再进行下一个骨料的投放。
“先投放多边形-后投放外接圆”的骨料侵入判别方法的基本思想为：投放的新骨料将其外接圆与已投放骨料的特征点连线形成的多边形进行判别，两者不重叠时即投放成功。
判断投放的新骨料的外接圆与已投放骨料的特征点连线形成的多边形有重叠关系的判定规则为满足以下三个条件之一：
(1)已投放骨料的特征点在新骨料的外接圆内部，如图9所示；
(2)已投放骨料的特征点连线与新骨料的外接圆相交，如图10所示；
判定时建立已投放骨料的相邻特征点的直线方程，若新骨料的外接圆圆心至该直线的距离小于外接圆半径且垂点落在特征点形成的线段上，则判定骨料重叠；
(3)新骨料的外接圆在已投放骨料的特征点连线形成的多边形的内部，如图11所示；
判定时通过计算外接圆圆心与各轮廓特征点的夹角之和，若夹角之和等于360度，则判定骨料重叠。
本实施例中，利用上述方法分别生成三种级配的骨料试件模型：二级配骨料粒径范围为0～20mm、20～40mm，投放范围为100×100mm，生成的试件骨料含量为45.42％，如图12所示；三级配骨料粒径范围为0～20mm、20～40mm、40～80mm，投放范围为150×150mm，生成的试件骨料含量为52.17％，如图13所示；四级配骨料粒径范围为0～20mm、20～40mm、40～80mm、80～150mm，投放范围为300×300mm，生成的试件骨料含量为54.00％，如图14所示。

Claims (10)

1.一种基于骨料几何本征的混凝土二维细观模型建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过对单个骨料激光扫描得到三维扫描网格，通过旋转三维扫描网格获得不同视角的骨料截面，通过对骨料界面图像处理得到骨料的有序原始轮廓特征点；
S2、对有序原始轮廓特征点进行简化，通过将简化后的特征点按设定方式移动得到与原始骨料形状相似的多种相似骨料；
S3、对不同形状的单个骨料重复步骤S1～S2，将得到的相似骨料建立骨料库；
S4、利用设定的骨料侵入判别方法，对骨料库中需投放的骨料根据骨料级配对指定区域进行投放，生成混凝土试件二维细观模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于骨料几何本征的混凝土二维细观模型建模方法，其特征在于，所述有序原始轮廓特征点为：描述骨料外边界轮廓的以一点为初始点顺时针或逆时针排序的坐标序列。
3.根据权利要求1所述的一种基于骨料几何本征的混凝土二维细观模型建模方法，其特征在于，所述步骤S2中对有序原始轮廓特征点进行简化的过程采用最小距离控制方法及曲率控制方法。
4.根据权利要求3所述的一种基于骨料几何本征的混凝土二维细观模型建模方法，其特征在于，所述最小距离控制方法包括：判断有序原始轮廓特征点相邻两点的距离是否小于等于判定值，若是，则删除后点，直至保留的轮廓特征点中任意相邻两点都满足距离大于判定值。
5.根据权利要求3所述的一种基于骨料几何本征的混凝土二维细观模型建模方法，其特征在于，所述曲率控制方法包括：判定有序原始轮廓特征点相邻三点的曲率半径是否大于等于判定值，若是，则删除第三点，直至保留的轮廓特征点中任意相邻三点都满足曲率半径小于判定值。
6.根据权利要求1所述的一种基于骨料几何本征的混凝土二维细观模型建模方法，其特征在于，所述步骤S2中将简化后的特征点按设定方式移动的过程具体包括：
以骨料的形心为圆心建立两个不同半径的圆，得到包含所有简化后的特征点的环带，将简化后的特征点在所述环带内沿径向方向随机移动。
7.根据权利要求1所述的一种基于骨料几何本征的混凝土二维细观模型建模方法，其特征在于，所述骨料库包含经过特征点归零及粒径单位化处理后的相似骨料的特征点坐标和面积数据。
8.根据权利要求7所述的一种基于骨料几何本征的混凝土二维细观模型建模方法，其特征在于，所述特征点归零及粒径单位化处理包括：将相似骨料的特征点坐标减去相似骨料的外接圆圆心坐标后，再除以外接圆的直径。
9.根据权利要求1所述的一种基于骨料几何本征的混凝土二维细观模型建模方法，其特征在于，所述设定的骨料侵入判别方法包括：
将需投放的骨料按粒径从大到小进行排序后，判断投放的新骨料的外接圆与已投放骨料的特征点连线形成的多边形是否有重叠关系，若否，则表明投放成功。
10.根据权利要求9所述的一种基于骨料几何本征的混凝土二维细观模型建模方法，其特征在于，所述判断投放的新骨料的外接圆与已投放骨料的特征点连线形成的多边形有重叠关系的判定规则为满足以下三个条件之一：(1)已投放骨料的特征点在新骨料的外接圆内部；(2)已投放骨料的特征点连线与新骨料的外接圆相交；(3)新骨料的外接圆在已投放骨料的特征点连线形成的多边形的内部。
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