CN110046432A - 离散元模拟混凝土坍落形态的验证装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离散元模拟混凝土坍落形态的验证装置及方法，属于建筑材料性能检测技术领域。所述验证装置包括支撑框架、设置于支撑框架上的一对平行设置的Y向导轨、设置于所述Y向导轨上的驱动制动组件一、两端与驱动制动组件一固定连接的X向导轨、设置于X向导轨上的驱动制动组件二、设置于驱动制动组件二下方的测距仪以及控制终端，所述控制终端包括控制模块、数据采集与计算模块和数据处理模块。该验证装置及方法，通过对混凝土坍落后的表面测点进行测距，并计算测点的三维坐标，并将测点的三维坐标转化为极坐标，并拟合在离散元模拟的混凝土坍落形态的纵剖面图中，对离散元模拟的混凝土坍落形态进行验证，量化的评价指标具有合理性。

Description

离散元模拟混凝土坍落形态的验证装置及方法

技术领域

本发明涉及一种离散元模拟混凝土坍落形态的验证装置及方法，属于建筑材料性能检测技术领域。

背景技术

混凝土是最重要的工程建设材料之一，新拌混凝土的工作性能是影响建设施工效率和质量的重要因素，准确测量混凝土拌合物的性质是对混凝土流动行为以及施工性能进行分析预测的前提。在混凝土工作性能研究中，通常需要开展混凝土坍落试验。一般而言在坍落度试验中，人们仅用直尺测量混凝土在竖直方向上的坍落值以及坍落后混凝土在水平方向上的扩展值。

随着研究的不断深入，学者开始对混凝土的详细坍落形态进行研究，并采用离散元模拟混凝土坍落形态，绘制出混凝土坍落后的形态模型。针对混凝土详细坍落形态的数值模拟验证尚缺乏相应的装置和方法。

发明内容

本发明提供了一种离散元模拟混凝土坍落形态的验证装置及方法，通过非接触方式测量坍落后混凝土的具体坍落形态，然后对离散元模拟的混凝土坍落形态进行验证。

为解决以上技术问题，本发明包括如下技术方案：

一种离散元模拟混凝土坍落形态的验证装置，用于测量坍落后混凝土的表面高程，包括：

支撑框架，底部设置有滚轮；

一对平行设置的Y向导轨，所述Y向导轨水平固定在支撑框架上，所述Y向导轨上设置有驱动制动组件一；

X向导轨，两端分别与两侧Y向导轨上的驱动制动组件一连接，所述X向导轨上设置有驱动制动组件二；

测距仪，设置于驱动制动组件二下方，通过竖直发射的点状光源，测量物体表面的测点高程；

控制终端，包括控制模块、数据采集与计算模块和数据处理模块；所述控制模块与驱动制动组件一、驱动制动组件二信号连接，用于控制驱动制动组件一在Y向导轨上的驱动制动，控制驱动制动组件二在X向导轨上的驱动制动；所述数据采集与计算模块与测距仪信号连接，用于采集测距仪的测量数据并计算测点高程；所述数据处理模块与数据采集与计算模块连接，用于将测点三维坐标转化为极坐标，并将测点按照极径大小进行排序，并根据极径区间进行数据归集。

进一步，混凝土坍落实验在边长为a的正方形硬质平板上进行；在滚轮制动的情形下，测距仪沿x轴向的最大可移动距离为b_x、沿y轴方向的最大可移动距离为b_y，满足：b_x＞a，b_y＞a。

相应地，本发明还提供了一种离散元模拟混凝土坍落形态的验证方法，包括：

步骤一，安装所述的验证装置备用；

步骤二，将一块边长为a的正方形硬质平板水平设置，将坍落筒放置于硬质平板的中心处，按照标准步骤进行坍落度实验，待坍落筒提起后，移动所述支撑框架，使所述验证装置位于硬质平板的正上方；

步骤三，利用控制终端控制驱动制动组件一、驱动制动组件二移动，使测距仪在硬质平板的范围内移动，硬质平板的范围内均匀布设若干测点，测出测距仪与各个测点之间的距离；

步骤四，利用控制终端的数据计算模块，计算各个测点的高程数据，以硬质平板中心为原点、以X向导轨长度方向为x轴、以Y向导轨长度方向为y轴建立空间坐标系，得到每个测点的三维坐标(x,y,z)；

步骤五，将离散元模拟混凝土坍落形态的表面颗粒空间坐标转化为极坐标，选取一个纵剖面绘制极坐标rz平面图；控制终端的数据处理模块将每个测点的三维坐标(x,y,z)转化为极坐标(r,θ,z)，将所有测点数据按极坐标数据(r,z)显示在rz平面图中；

步骤六，将rz平面图的r轴间隔距离s进行分段，在第i区间内，找出的测点的最大高度h_exp与离散元模拟结果中的最大高度h_sim，计算[(h_exp-h_sim)²]_i，控制终端的数据计算模块将[(h_exp-h_sim)²]_i作为离散元模拟结果第i区间的评价指标，其中，i＝{1,2，…，s}。

进一步，步骤三中，利用控制终端控制驱动制动组件一、驱动制动组件二移动，使测距仪在硬质平板的范围内移动，硬质平板的范围内均匀布设若干测点，测出测距仪与各个测点之间的距离，具体包括如下步骤：

步骤a，以硬质平板中心为原点、以X向导轨长度方向为x轴、以Y向导轨长度方向为y轴建立空间坐标系，并将硬质平板沿x轴、y轴n等分，每一等分区间的宽度为dx＝dy＝a/n，可将x、y方向的等分线的交点设置为测点，共有n×n个测点；X向导轨初始位置为y＝-a/2，测距仪的初始位置为(-a/2，-a/2)；

步骤b，利用控制终端的控制模块驱动制动组件二沿移动，使测距仪沿x轴正方向匀速移动距离a，依次对该等分线上的测点进行测距；

步骤c，然后使驱动制动组件二制动，使驱动制动组件一制动沿y轴正方向移动距离dy；

步骤d，再使驱动制动组件一制动，使驱动制动组件二制动沿x轴移动，使测距仪沿x轴负方向匀速移动距离a，依次对该等分线上的测点进行测距；

步骤e，然后使驱动制动组件二制动，使驱动制动组件一制动沿y轴正方向移动距离dy；

步骤f，重复上述步骤b至步骤e，使测距仪呈弓字形移动，直至所有测点全部测量完毕。

进一步，将硬质平板沿x轴、y轴n等分，每一等分区间的宽度为dx＝dy＝a/n，将x、y方向的等分线的交点设置为测点，共有(n+1)×(n+1)个测点；步骤四之后，还包括，

步骤七，控制终端的数据计算模块中还设置有混凝土坍落度计算公式，根据混凝土坍落度计算公式计算混凝土的塌落度，其中混凝土坍落度计算公式为：

max(h_u×v)，其中u＝{1,2，…，n+1}，v＝{1,2，…，n+1}。

进一步，控制终端的数据计算模块中还设置测点高度计算公式，根据测点高度计算公式计算测点的高度h，其中测点高度计算公式为：

h＝l₀-l。其中，l₀为测距仪与硬质平板之间的测距，l为测距仪与各个测点之间的距离。

与现有技术相比，本发明提供的一种离散元模拟混凝土坍落形态的验证装置及方法，对混凝土坍落后的表面测点进行距离测量，将测距仪与测点的距离转化为测点的混凝土高度，结合测点的平面坐标得出测点三维坐标，并将测点的三维坐标转化为极坐标，选取离散元模拟的混凝土坍落形态的某纵剖面，将测点的极坐标值拟合到该纵剖面中，对离散元模拟的混凝土坍落形态进行验证，具有自动测量、结果精准、量化评价指标合理等优点。

附图说明

图1为本发明一实施例中的离散元模拟混凝土坍落形态的验证装置的结构示意图；

图2为将验证装置应用于混凝土坍落度实验的示意图；

图3为测距仪运行轨迹示意图；

图4为测距仪测量距离与测点高程之间关系示意图；

图5为离散元模拟混凝土坍落形态示意图；

图6为验证离散元模拟混凝土坍落形态合理性示意图；

图7为离散元模拟结果第i区间的测点的最大高度h_exp与离散元模拟结果中的最大高度h_sim示意图。

图中标号如下：

1-支撑框架；2-Y向导轨；3-驱动制动组件一；4-X向导轨；5-驱动制动组件二；6-测距仪；7-电缆；8-控制终端。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提供的离散元模拟混凝土坍落形态的验证装置及方法作进一步详细说明。结合下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

如图1所示，本实施例提供的一种离散元模拟混凝土坍落形态的验证装置，用于测量坍落后混凝土的表面高程，包括：

支撑框架1，底部设置有滚轮；

一对平行设置的Y向导轨2，所述Y向导轨2水平固定在支撑框架1上，所述Y向导轨2上设置有驱动制动组件一3；

X向导轨4，两端分别与两侧Y向导轨2上的驱动制动组件一3连接，所述X向导轨4上设置有驱动制动组件二5；

测距仪6，设置于驱动制动组件二5下方，通过竖直发射的点状光源，测量物体表面的测点高程；

控制终端8，包括控制模块、数据采集与计算模块和数据处理模块；所述控制模块与驱动制动组件一3、驱动制动组件二5信号连接，用于控制驱动制动组件一3在Y向导轨2上的驱动制动，控制驱动制动组件二5在X向导轨4上的驱动制动；所述数据采集与计算模块与测距仪6信号连接，用于采集测距仪6的测量数据并计算测点高程；所述数据处理模块与数据采集与计算模块连接，用于将测点三维坐标转化为极坐标，并将测点按照极径大小进行排序，并根据极径区间进行数据归集。其中，信号可以采用通讯电缆7进行传输，也可以通过无线载波传输。

需要说明的是，驱动制动组件一3是指可以沿Y向导轨2移动并制动的装置，比如驱动制动组件一3卡扣在Y向导轨2上，通过滚轮或齿轮与Y向导轨2连接，包括驱动轮和从动轮，通过电源控制驱动轮实现驱动制动组件一3在Y向导轨2上移动或制动，驱动制动组件与导轨的连接方式有多种结构形式，此处为便于理解仅介绍其工作原理，对具体结构不做限定。驱动制动组件二5在结构和工作原理上同驱动制动组件一3相同，不再赘述。

混凝土坍落实验在边长为a的正方形硬质平板上进行；在滚轮制动的情形下，测距仪6沿x轴向的最大可移动距离为b_x、沿y轴方向的最大可移动距离为b_y，满足：b_x＞a，b_y＞a，从而实现控制终端8对所有测点的全自动测量。

本实施例提供的验证装置主要用途为：对混凝土坍落后的表面测点进行距离测量，将测距仪6与测点的距离转化为测点的混凝土高度，结合测点的平面坐标得出测点三维坐标，并将测点的三维坐标转化为极坐标，选取离散元模拟的混凝土坍落形态的某纵剖面，将测点的极坐标值拟合到该纵剖面中，对离散元模拟的混凝土坍落形态进行验证。

实施例二

本实施例提供了一种离散元模拟混凝土坍落形态的验证方法，下面结合图1至图7对该验证方法作进一步介绍。该验证方法包括如下步骤：

步骤一，安装实施例一中的验证装置备用。如图1所示，所述验证装置包括支撑框架1、设置于支撑框架1上的一对平行设置的Y向导轨2、设置于所述Y向导轨2上的驱动制动组件一3、两端与驱动制动组件一3固定连接的X向导轨4、设置于X向导轨4上的驱动制动组件二5、设置于驱动制动组件二5下方的测距仪6以及控制终端8。支撑框架1下方设置有滚轮，可实现支撑框架1的移动。控制终端8包括控制模块、数据采集与计算模块和数据处理模块，具体功能可参照实施例一，此处不再赘述。

步骤二，如图2所示，将一块边长为a的正方形硬质平板水平设置，将坍落筒放置于硬质平板的中心处，按照标准步骤进行坍落度实验，待坍落筒提起后，移动所述支撑框架1，使所述验证装置位于硬质平板的正上方。坍落度实验中，采用一个上口100mm、下口200mm、高300mm喇叭状的坍落筒，将新拌合混凝土分三次填装，按规定捣实并抹平，然后提起坍落筒测量塌落度。

步骤三，利用控制终端8的控制模块控制驱动制动组件一3、驱动制动组件二5移动，使测距仪6在硬质平板的范围内移动，硬质平板的范围内均匀布设若干测点，测出测距仪6与各个测点之间的距离。如图3所示，硬质平板为边长为a的正方形，以中心为原点、以X向导轨4长度方向为x轴、以Y向导轨2长度方向为y轴建立空间坐标系，并将硬质平板沿x轴、y轴10等分，每一等分区间的宽度为dx＝dy＝a/10，可将纵横等分线的交点设置为测点，共有11×11＝121个测点；当然，硬质平板也可以为长方形，等分间隔也可以设置为dx≠dy，本实施例仅为举例，用于说明验证装置的工作原理，不应理解为对权利要求书的限制。利用控制终端8控制驱动制动组件一3、驱动制动组件二5移动，使测距仪6在硬质平板的范围内移动，硬质平板的范围内均匀布设若干测点，测出测距仪6与各个测点之间的距离，具体包括如下步骤：

步骤a，以硬质平板中心为原点、以X向导轨4长度方向为x轴、以Y向导轨2长度方向为y轴建立空间坐标系，并将硬质平板沿x轴、y轴n等分，每一等分区间的宽度为dx＝dy＝a/n，可将x、y方向的等分线的交点设置为测点，共有n×n个测点；X向导轨4初始位置为y＝-a/2，测距仪6的初始位置为(-a/2，-a/2)；

步骤b，利用控制终端8的控制模块驱动制动组件二5沿移动，使测距仪6沿x轴正方向匀速移动距离a，也就是使测距仪6由(-a/2，-a/2)移动至(a/2，-a/2)，依次对该等分线上的测点进行测距；

步骤c，然后使驱动制动组件二5制动，使驱动制动组件一3制动沿y轴正方向移动距离dy，也就是使测距仪6由(a/2，-a/2)移动至(a/2，-a/2+dy)；

步骤d，再使驱动制动组件一3制动，使驱动制动组件二5制动沿x轴移动，使测距仪6沿x轴负方向匀速移动距离a，也就是使测距仪6由(a/2，-a/2+dy)移动至(-a/2，-a/2+dy)，依次对该等分线上的测点进行测距；

步骤e，然后使驱动制动组件二5制动，使驱动制动组件一3制动沿y轴正方向移动距离dy，也就是使测距仪6由(-a/2，-a/2+dy)移动至(-a/2，-a/2+2dy)；

步骤f，重复上述步骤b至步骤e，使测距仪6呈弓字形移动，直至所有测点全部测量完毕。

步骤四，利用控制终端8的数据计算模块，计算各个测点的高程数据，以硬质平板中心为原点、以X向导轨4长度方向为x轴、以Y向导轨2长度方向为y轴建立空间坐标系，得到每个测点的三维坐标(x,y,z)。优选为，控制终端8的数据计算模块中还设置测点高度计算公式，根据测点高度计算公式计算测点的高度h，其中测点高度计算公式为：h＝l₀-l。其中，l₀为测距仪6与硬质平板之间的测距，l为测距仪6与各个测点之间的距离。

如图4所示，测距仪与硬质平板之间的测距为l₀，测距仪与某一测点之间的测距为l，则该测点的高度h为：h＝l₀-l，由该测点的平面坐标(x,y)可得出该店的三维坐标为(x,y,h)。另外，控制终端的数据处理模块将每个测点的三维坐标(x,y,h)转化为极坐标(r,θ,h)。

步骤五，结合图5和图6所示，将离散元模拟混凝土坍落形态的表面颗粒空间坐标转化为极坐标，选取一个纵剖面绘制极坐标平面图，即rz平面图；控制终端的数据处理模块将每个测点的三维坐标(x,y,z)转化为极坐标(r,θ,z)，将所有测点数据按极坐标中的数据(r,z)显示在rz平面图中。坍落度实验中采用的坍落筒为圆筒，混凝土坍落后的边界线不规则，离散元模拟的混凝土坍落形态的边界线亦不规则，因此不同的纵剖面也有差异，不利于对离散元模拟的混凝土坍落形态进行评价。如图5所示，离散元模拟的混凝土坍落形态的边界线为近似的圆形，可取一个纵剖面，采用极坐标数据进行评价。如图6所示，将所有的测点极坐标反映在同一个纵剖面上(同一个象限内)，从而对离散元模拟的混凝土坍落形态进行评价。

步骤六，将rz平面图的r轴间隔距离s进行分段，在第i区间内，找出的测点的最大高度h_exp与离散元模拟结果中的最大高度h_sim，控制终端8的数据计算模块计算[(h_exp-h_sim)²]_i，将[(h_exp-h_sim)²]_i作为离散元模拟结果第i区间的评价指标。当然，也可以将所有区间的最大值作为离散元模拟结果的评价指标，即：max{[(h_exp-h_sim)²]_i，i＝1,2…,s}。

当然，所述验证方法还可以求出混凝土塌落度，将硬质平板沿x轴、y轴n等分，每一等分区间的宽度为dx＝dy＝a/n，将x、y方向的等分线的交点设置为测点，共有(n+1)×(n+1)个测点；步骤四之后，还包括，

步骤七，控制终端的数据计算模块中还设置有混凝土坍落度计算公式，根据混凝土坍落度计算公式计算混凝土的塌落度，其中混凝土坍落度计算公式为：

max(h_u×v)，其中u＝{1,2，…，n+1}，v＝{1,2，…，n+1}。作为举例，控制终端的数据计算模块中预设塌落度计算公式为：max(h_u×v)，其中u＝{1,2，…，n}，v＝{1,2，…，n}。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种离散元模拟混凝土坍落形态的验证装置，用于测量坍落后混凝土的表面高程，其特征在于，包括：

支撑框架，底部设置有滚轮；

一对平行设置的Y向导轨，所述Y向导轨水平固定在支撑框架上，所述Y向导轨上设置有驱动制动组件一；

X向导轨，两端分别与两侧Y向导轨上的驱动制动组件一连接，所述X向导轨上设置有驱动制动组件二；

测距仪，设置于驱动制动组件二下方，通过竖直发射的点状光源，测量物体表面的测点高程；

控制终端，包括控制模块、数据采集与计算模块和数据处理模块；所述控制模块与驱动制动组件一、驱动制动组件二信号连接，用于控制驱动制动组件一在Y向导轨上的驱动制动，控制驱动制动组件二在X向导轨上的驱动制动；所述数据采集与计算模块与测距仪信号连接，用于采集测距仪的测量数据并计算测点高程；所述数据处理模块与数据采集与计算模块连接，用于将测点三维坐标转化为极坐标，并将测点按照极径大小进行排序，并根据极径区间进行数据归集。

2.如权利要求1所述的验证装置，其特征在于，混凝土坍落实验在边长为a的正方形硬质平板上进行；在滚轮制动的情形下，测距仪沿x轴向的最大可移动距离为b_x、沿y轴方向的最大可移动距离为b_y，满足：b_x＞a，b_y＞a。

3.一种离散元模拟混凝土坍落形态的验证方法，其特征在于，包括：

步骤一，安装如权利要求1所述的验证装置备用；

步骤二，将一块边长为a的正方形硬质平板水平设置，将坍落筒放置于硬质平板的中心处，按照标准步骤进行坍落度实验，待坍落筒提起后，移动所述支撑框架，使所述验证装置位于硬质平板的正上方；

步骤三，利用控制终端控制驱动制动组件一、驱动制动组件二移动，使测距仪在硬质平板的范围内移动，硬质平板的范围内均匀布设若干测点，测出测距仪与各个测点之间的距离；

步骤四，利用控制终端的数据计算模块，计算各个测点的高程数据，以硬质平板中心为原点、以X向导轨长度方向为x轴、以Y向导轨长度方向为y轴建立空间坐标系，得到每个测点的三维坐标(x,y,z)；

步骤五，将离散元模拟混凝土坍落形态的表面颗粒空间坐标转化为极坐标，选取一个纵剖面绘制极坐标rz平面图；控制终端的数据处理模块将每个测点的三维坐标(x,y,z)转化为极坐标(r,θ,z)，将所有测点数据按极坐标数据(r,z)显示在rz平面图中；

步骤六，将rz平面图的r轴间隔距离s进行分段，在第i区间内，找出的测点的最大高度h_exp与离散元模拟结果中的最大高度h_sim，计算[(h_exp-h_sim)²]_i，控制终端的数据计算模块将[(h_exp-h_sim)²]_i作为离散元模拟结果第i区间的评价指标，其中，i＝{1,2，…，s}。

4.如权利要求3所述的验证方法，其特征在于，步骤三中，利用控制终端控制驱动制动组件一、驱动制动组件二移动，使测距仪在硬质平板的范围内移动，硬质平板的范围内均匀布设若干测点，测出测距仪与各个测点之间的距离，具体包括如下步骤：

步骤a，以硬质平板中心为原点、以X向导轨长度方向为x轴、以Y向导轨长度方向为y轴建立空间坐标系，并将硬质平板沿x轴、y轴n等分，每一等分区间的宽度为dx＝dy＝a/n，可将x、y方向的等分线的交点设置为测点，共有n×n个测点；X向导轨初始位置为y＝-a/2，测距仪的初始位置为(-a/2，-a/2)；

步骤b，利用控制终端的控制模块驱动制动组件二沿移动，使测距仪沿x轴正方向匀速移动距离a，依次对该等分线上的测点进行测距；

步骤c，然后使驱动制动组件二制动，使驱动制动组件一制动沿y轴正方向移动距离dy；

步骤d，再使驱动制动组件一制动，使驱动制动组件二制动沿x轴移动，使测距仪沿x轴负方向匀速移动距离a，依次对该等分线上的测点进行测距；

步骤e，然后使驱动制动组件二制动，使驱动制动组件一制动沿y轴正方向移动距离dy；

步骤f，重复上述步骤b至步骤e，使测距仪呈弓字形移动，直至所有测点全部测量完毕。

5.如权利要求3所述的验证方法，其特征在于，将硬质平板沿x轴、y轴n等分，每一等分区间的宽度为dx＝dy＝a/n，将x、y方向的等分线的交点设置为测点，共有(n+1)×(n+1)个测点；步骤四之后，还包括，

步骤七，控制终端的数据计算模块中还设置有混凝土坍落度计算公式，根据混凝土坍落度计算公式计算混凝土的塌落度，其中混凝土坍落度计算公式为：

max(h_u×v)，其中u＝{1,2，…，n+1}，v＝{1,2，…，n+1}。

6.如权利要求3所述的验证方法，其特征在于，控制终端的数据计算模块中还设置测点高度计算公式，根据测点高度计算公式计算测点的高度h，其中测点高度计算公式为：

h＝l₀-l。其中，l₀为测距仪与硬质平板之间的测距，l为测距仪与各个测点之间的距离。