CN110705067A - 一种考虑复杂随机形状的可破碎颗粒三轴试样生成方法 - Google Patents
一种考虑复杂随机形状的可破碎颗粒三轴试样生成方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110705067A CN110705067A CN201910898532.4A CN201910898532A CN110705067A CN 110705067 A CN110705067 A CN 110705067A CN 201910898532 A CN201910898532 A CN 201910898532A CN 110705067 A CN110705067 A CN 110705067A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- particle
- model
- particles
- breakable
- shape
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Graphics (AREA)
- Geometry (AREA)
- Software Systems (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
Abstract
本发明公开了一种考虑复杂随机形状的可破碎颗粒三轴试样生成方法，包括以下步骤：获得单颗粒三维形貌模型；构建单颗粒三维离散元模型模板；生成单一颗粒形状的三轴试样；随机化各单颗粒形状特征；赋予多重接触模型。本发明方法原理简便，代码书写较易，所构建的数值模型可同时反映天然脆性颗粒材料形状随机化特征以及可破碎特征，为进一步研究可破碎颗粒材料力学行为提供了有效技术手段。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程数值计算方法，具体涉及一种考虑复杂随机形状的可破碎颗粒三轴试样生成方法，属于岩土工程数值计算领域。
背景技术
天然脆性颗粒材料形状特征往往具有十分显著的随机化特征，且其颗粒破碎。为进一步深入认识天然脆性颗粒材料的力学变形特征，则需充分考虑其颗粒形状随机化特征以及其可破碎特性。目前，常采用室内三轴试验测定颗粒材料基本力学特征，并进一步对其形状以及破碎特征进行深入研究。由于天然脆性颗粒自身物理性质存在一定的离散性，往往需要进行大量的试验才可获得其相关力学特征，因此，易于导致室内试验成本过高，试验周期过长等问题。数值试验作为一种有效手段，可有效地控制试验变量，便于进行重复性试验，此外，亦可有效地降低试验成本，缩短试验周期。目前常采用三维扫描的方式获取颗粒形状信息并进一步构建数值模型，但该方式仅适用于构建单一颗粒形状模型，对于存在多个颗粒的颗粒集合体，该方式成本过高，耗时过长。另有学者采用颗粒簇的方式实现颗粒复杂形状重现，但该方式难以实现颗粒形状的随机化。现有的针对天然脆性颗粒材料的数值试验方法所生成的颗粒试样虽然具有较为复杂的颗粒形状，但其形状均较为单一，该特征于实际脆性颗粒材料不相符合此外，亦有学者尝试采用超越函数或球谐函数来进行复杂形状颗粒模型构建，虽可通过调整模型参数实现颗粒形状随机化，但却难以进一步反映颗粒破碎的力学特征。基于以上所述的技术现状，有必要提出一种考虑复杂随机形状的可破碎颗粒三轴试验生成方法。
发明内容
本发明的目的在于提出一种考虑复杂随机形状的可破碎颗粒三轴试样生成方法，通过对单颗粒离散元模型局部进行随机删除来实现单颗粒整体形状的随机化，并对单颗粒内部赋予平行胶结模型以表征颗粒的可破碎性，可同时反应天然脆性颗粒材料形状随机化特征以及可破碎特征。
为了达到上述目的，本发明的具体技术方案如下：
一种考虑复杂随机形状的可破碎颗粒三轴试样生成方法，包括以下步骤：
a.获得单颗粒三维形貌模型：获得单个可破碎颗粒的三维形貌信息并进一步构建三维形貌模型；
b.构建单颗粒三维离散元模型模板：将所构建的单颗粒三维形貌模型导入离散元程序中，并利用小球形颗粒填充进单颗粒三维形貌模型中得到单颗粒三维离散元模型模板；
c.生成单一颗粒形状的三轴试样：依据指定孔隙率，利用单颗粒三维离散元模型模板构建具有单一形状的可破碎颗粒三轴试样；
d.随机化各单颗粒形状特征：遍历三轴试样内部各个单颗粒，并随机删除各个单颗粒中多个小球形颗粒；
e.赋予多重接触模型：将单颗粒内部颗粒间接触模型设定为平行胶结模型，将单颗粒间接触模型设定为线性接触模型，将墙体与颗粒间接触模型设定为线性接触模型，并设定相关模型参数及物理参数。
进一步地，步骤a中，单个可破碎颗粒三维形貌信息通过三维扫描的方式获得。
进一步地，步骤b中，构造单颗粒三维离散元模板模型小球形颗粒直径应小于单颗粒三维形貌模型等效球直径的十分之一。
进一步地，步骤d中，包括如下四个步骤：
d-0.获得试样内部单颗粒数目m以及单颗粒内部小球形颗粒数目n，并进入步骤d-1；
d-1.初始化第一层循环，对单颗粒列表进行遍历，循环次数设定为m，并进入步骤d-2；
d-2.随机生成一个小于n的正整数i，并进入步骤d-3；
d-3.初始化第二层循环，循环次数设定为i，每进行一次循环均删除该次遍历的单颗粒中一个小球形颗粒，当达到指定循环次数，则返回步骤d-2。
进一步地，步骤e中，线性模型参数具体包括有效杨氏模量、接触刚度比以及摩擦系数，平行胶结模型参数具体包括颗粒间胶结有效杨氏模量、颗粒间胶结粘聚力、颗粒间胶结抗拉强度、颗粒间胶结内摩擦角，物理参数包括颗粒密度以及重力加速度。
与现有技术相比较，本发明具有以下有益技术效果：
本发明提供了一种考虑复杂随机形状的可破碎颗粒三轴试样生成方法，该方法通过三维扫描获取实际可破碎颗粒三维形貌特征，并以此构建单颗粒三维模型，进一步以该单颗粒模型为基础构建得到单一颗粒形状的三轴试样，而后通过对单颗粒离散元模型局部进行随机删除来实现单颗粒整体形状的随机化，最后，对单颗粒内部赋予平行胶结模型以表征颗粒的可破碎性。该模拟方法可同时反应天然脆性颗粒材料形状随机化特征以及可破碎特征，为进一步认识脆性可破碎颗粒材料的力学行为提供了有效手段，且其简单高效，代码书写较易，可有效节省数值试验成本。
附图说明
图1为一种考虑复杂随机形状的可破碎颗粒三轴试样生成方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的单颗粒三维形貌图；
图3为本发明中步骤d流程图；
图4为本发明实施例提供的数值试样图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式进行说明。
一种考虑复杂随机形状的可破碎颗粒三轴试样生成方法的具体流程如图1所示，包括以下步骤：
a.获得单颗粒三维形貌模型：通过对单个砂颗粒进行三维扫描获取其三维形貌信息，进一步利用三维重构软件建立其三维形貌信息模型，并针对三维形貌信息模型进行适当简化，得到最终三维形貌信息模型如图2所示。
b.构建单颗粒三维离散元模型模板：将所构建的单颗粒三维形貌模型导入离散元程序中，并利用半径为1 mm的小球形颗粒填充进单颗粒三维形貌模型中得到单颗粒三维离散元模型模板，并将单颗粒三维离散元模型模板中各个小球形位置信息以及半径信息导出。
c.生成单一颗粒形状的三轴试样：设定三轴试验数值模型孔隙率为0.4，将上述单颗粒三维离散元模型模板导入进离散元程序中，以此模板为基础随机填充半径为10 mm，高度为 20 mm圆柱形区域，并于边界处构建刚性墙体，最终得到具有单一形状的三轴试样。
d.随机化各单颗粒形状特征：遍历三轴试样内部各个单颗粒，并随机删除各个单颗粒中多个小球形颗粒；
在本发明中，步骤d的具体实施流程图如图3所示，包括如下四个步骤：
d-0.获得试样内部单颗粒数目m为1192，单颗粒内部小球形颗粒数目n为9，并进入步骤d-1；
d-1.初始化第一层循环，对单颗粒列表进行遍历，循环次数设定为1192，并进入步骤d-2；
d-2.随机生成一个小于9的正整数i，并进入步骤d-3；
d-3.初始化第二层循环，循环次数设定为i，每进行一次循环均删除该次遍历的单颗粒中一个小球形颗粒，当达到指定循环次数，则返回步骤d-2。
e.赋予多重接触模型：将单颗粒内部颗粒间接触模型设定为平行胶结模型，当外部荷载满足平行胶结模型破坏临界条件时，颗粒间胶结则产生破坏，单颗粒将逐渐破碎。此外，将单颗粒间接触模型设定为线性接触模型，将墙体与颗粒间接触模型设定为线性接触模型，并设定相关模型参数及物理参数。
在本发明中，线性模型参数中有效杨氏模量为1×106 Pa，接触刚度比为1，摩擦系数为0.5；平行胶结模型中的颗粒间胶结有效杨氏模量为1×106 Pa，颗粒间胶结粘聚力1×108 Pa，颗粒间胶结抗拉强度1×108 Pa，颗粒间胶结内摩擦角为30°。另，颗粒密度设定为2650 kg/m3，重力加速度设定为-9.8 m/s2。参数设定完毕后，得到最终可破碎三轴试样如图4所示，从图中可知，试样内部颗粒形状各异，且呈现出一定的随机化特征。
Claims (5)
1.一种考虑复杂随机形状的可破碎颗粒三轴试样生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.获得单颗粒三维形貌模型：获得单个可破碎颗粒的三维形貌信息并进一步构建三维形貌模型；
b.构建单颗粒三维离散元模型模板：将所构建的单颗粒三维形貌模型导入离散元程序中，并利用小球形颗粒填充进单颗粒三维形貌模型中得到单颗粒三维离散元模型模板；
c.生成单一颗粒形状的三轴试样：依据指定孔隙率，利用单颗粒三维离散元模型模板构建具有单一形状的可破碎颗粒三轴试样；
d.随机化各单颗粒形状特征：遍历三轴试样内部各个单颗粒，并随机删除各个单颗粒中多个小球形颗粒；
e.赋予多重接触模型：将单颗粒内部颗粒间接触模型设定为平行胶结模型，将单颗粒间接触模型设定为线性接触模型，将墙体与颗粒间接触模型设定为线性接触模型，并设定相关模型参数及物理参数。
2.根据权利要求1所述的一种考虑复杂随机形状的可破碎颗粒三轴试样生成方法，其特征在于，步骤a中，单个可破碎颗粒三维形貌信息通过三维扫描的方式获得。
3.根据权利要求1所述的一种考虑复杂随机形状的可破碎颗粒三轴试样生成方法，其特征在于，步骤b中，构造单颗粒三维离散元模板模型的小球形颗粒最大直径应小于单颗粒三维形貌模型等效球直径的十分之一。
4.根据权利要求1所述的一种考虑复杂随机形状的可破碎颗粒三轴试样生成方法，其特征在于，步骤d中，包括如下四个步骤：
d-0.获得试样内部单颗粒数目m以及单颗粒内部小球形颗粒数目n，并进入步骤d-1；
d-1.初始化第一层循环，对单颗粒列表进行遍历，循环次数设定为m，并进入步骤d-2；
d-2.随机生成一个小于n的正整数i，并进入步骤d-3；
d-3.初始化第二层循环，循环次数设定为i，每进行一次循环均删除该次遍历的单颗粒中一个小球形颗粒，当达到指定循环次数，则返回步骤d-2。
5.根据权利要求1所述的一种考虑复杂随机形状的可破碎颗粒三轴试样生成方法，其特征在于，步骤e中，线性模型参数具体包括有效杨氏模量、接触刚度比以及摩擦系数，平行胶结模型参数具体包括颗粒间胶结有效杨氏模量、颗粒间胶结粘聚力、颗粒间胶结抗拉强度、颗粒间胶结内摩擦角，物理参数包括颗粒密度以及重力加速度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910898532.4A CN110705067A (zh) | 2019-09-23 | 2019-09-23 | 一种考虑复杂随机形状的可破碎颗粒三轴试样生成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910898532.4A CN110705067A (zh) | 2019-09-23 | 2019-09-23 | 一种考虑复杂随机形状的可破碎颗粒三轴试样生成方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110705067A true CN110705067A (zh) | 2020-01-17 |
Family
ID=69195993
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910898532.4A Pending CN110705067A (zh) | 2019-09-23 | 2019-09-23 | 一种考虑复杂随机形状的可破碎颗粒三轴试样生成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110705067A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112329318A (zh) * | 2020-11-27 | 2021-02-05 | 华中科技大学 | 重构多组分复合材料的离散元建模方法及应用 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120253756A1 (en) * | 2011-03-31 | 2012-10-04 | Dem Solutions Ltd. | Method and apparatus for discrete element modeling involving a bulk material |
| CN107644120A (zh) * | 2017-08-16 | 2018-01-30 | 南京大学 | 一种用于岩土体三维离散元快速建模和模拟的通用数值模拟箱 |
| CN109740263A (zh) * | 2019-01-07 | 2019-05-10 | 东北农业大学 | 一种可破碎谷物颗粒离散元仿真模型构建方法 |
-
2019
- 2019-09-23 CN CN201910898532.4A patent/CN110705067A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120253756A1 (en) * | 2011-03-31 | 2012-10-04 | Dem Solutions Ltd. | Method and apparatus for discrete element modeling involving a bulk material |
| CN107644120A (zh) * | 2017-08-16 | 2018-01-30 | 南京大学 | 一种用于岩土体三维离散元快速建模和模拟的通用数值模拟箱 |
| CN109740263A (zh) * | 2019-01-07 | 2019-05-10 | 东北农业大学 | 一种可破碎谷物颗粒离散元仿真模型构建方法 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112329318A (zh) * | 2020-11-27 | 2021-02-05 | 华中科技大学 | 重构多组分复合材料的离散元建模方法及应用 |
| CN112329318B (zh) * | 2020-11-27 | 2022-04-22 | 华中科技大学 | 重构多组分复合材料的离散元建模方法及应用 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106960070B (zh) | 一种基于有限元-离散元ct重构煤体的渗流模拟方法 | |
| CN107644120B (zh) | 一种用于岩土体三维离散元快速建模的通用数值模拟箱的模拟方法 | |
| Zhu et al. | Modeling continuous grain crushing in granular media: a hybrid peridynamics and physics engine approach | |
| CN105740532B (zh) | 母岩及其颗粒料的二维离散元模型构建方法 | |
| CN112380736B (zh) | 一种实现单颗粒破碎强度weibull分布精准控制的离散元模型构建方法 | |
| ATE395375T1 (de) | Pulver für das rapid prototyping und verfahren zu dessen herstellung | |
| CN105787220B (zh) | 一种煤层高压注水致裂-渗流数值模拟方法 | |
| CN107423498A (zh) | 一种高致密度离散颗粒多相体系的建模方法 | |
| CN110688748A (zh) | 一种具有随机形状的单颗粒离散元数值试样建模方法 | |
| CN112329318B (zh) | 重构多组分复合材料的离散元建模方法及应用 | |
| CN112199843B (zh) | 基于颗粒结构的岩石破裂演化细观模型构建方法 | |
| EP1229463A3 (en) | Storage method of substantial data integrating shape and physical properties | |
| CN104899393B (zh) | 一种离散相增强复合材料细观结构的建模方法 | |
| CN114818427A (zh) | 一种基于真实颗粒形状的离散元可破碎颗粒模型建模方法 | |
| CN110705067A (zh) | 一种考虑复杂随机形状的可破碎颗粒三轴试样生成方法 | |
| CN110705087A (zh) | 一种含封闭应力的岩石离散元试样构建方法 | |
| CN108256248B (zh) | 基于三维状态下级配碎石cbr数值试验方法 | |
| CN112258643A (zh) | 岩土边坡任意形状落石运动轨迹三维分析方法 | |
| CN115050431B (zh) | 一种水泥稳定再生集料的三维细观结构的建模分析方法 | |
| US11144686B2 (en) | Method for simulating the incidence of particles or radiation on an object, computer program therefor, computer system for executing the computer program, and use of a computer | |
| CN108687683A (zh) | 一种考虑磨粒形状及其分布随机性的砂轮离散元建模方法 | |
| CN114282399A (zh) | 一种桩承式路堤离心模型试验的有限元模拟方法 | |
| Yan et al. | Simulation of granular material behaviour using DEM | |
| CN111125917A (zh) | 一种含内孔隙的单颗粒离散元模型构建方法 | |
| CN114925590B (zh) | 多用途二维不规则形状集料随机生成方法及模型生成方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| AD01 | Patent right deemed abandoned | ||
| AD01 | Patent right deemed abandoned |
Effective date of abandoning: 20230714 |