CN110738725B - 一种建筑垃圾离散元三维模型构建方法 - Google Patents

一种建筑垃圾离散元三维模型构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种建筑垃圾离散元三维模型构建方法，涉及建筑垃圾再利用技术领域，根据建筑垃圾的材料特性，获取不规则颗粒轮廓图，建立更加贴合实际的颗粒簇(clump)模型代替传统球形颗粒来仿真不规律颗粒，利用PFC3D建立混合材料接触模型对混合材料进行模拟试验分析，解决实际试验仪器困难。发明主要步骤包括处理建筑垃圾、获取混凝土和砖块的轮廓图、通过PFC3D软件定义建筑垃圾的接触模型、制取试样、模拟直剪试验、参数标定和输出数据，并对于实行过程中的一些问题包括轮廓图获取、接触的定义、制样、参数标定都进行了较为详细的说明。

Description

一种建筑垃圾离散元三维模型构建方法
技术领域
本发明涉及建筑垃圾再利用技术领域，具体涉及一种建筑垃圾离散元三维模型构建方法。
背景技术
建筑垃圾作为人类发展的副产物，无论是传统的露天堆放还是掩埋都会一定程度影响周围环境和地基。每年城市中都会产生大量的建筑垃圾，因此对于建筑垃圾的处理和回收再利用都显得非常重要。
拆除后的建筑垃圾块体较大，因此需要经过破碎处理。处理后的建筑垃圾类似于岩土工程中的粗粒土，有着较大的最大粒径和较小最小粒径，对与这种大跨度和大粒径的颗粒，传统的三轴试验，剪切试验仪器都很难对其的力学特性进行测量。
处理后的建筑垃圾为刚性不连续颗粒，符合离散单元法研究不连续颗粒的特点，同时离散元PFC数值模拟解决了建筑垃圾对试验仪器要求苛刻的问题。
关于PFC颗粒模型的建立，前人主要采用球形颗粒或多个球形颗粒来模拟，然而不规则颗粒一定会存在棱角，而棱角会一定程度影响球形颗粒接触方式、摩擦系数，因此对于建立更加贴合实际的颗粒簇模型(clump)代替传统球形颗粒可以使实验数据更加准确。
由于离散单元法在研究非连续介质方面的优势，离散元法在岩土工程方面发展迅速，对于土或岩石颗粒使用类型也在不断变化和探索，近年来，由于发现不规则颗粒的形状会带来的实验结果影响，很多科研工作者都在为减小这一影响而努力。随着高速计算机的出现，模型建立方面也随着计算效率提升而提升，模拟方法也得到进一步发展。颗粒模型不再是单一的球体代表颗粒，而是采用更符合实际的颗粒簇模型来代表不规则颗粒。目前使用clump仿真不规则颗粒在数值模拟实际试验中的研究应用比较少，特别是混合材料的模拟试验分析，因此本发明旨在提供一种建立混合不规则颗粒离散元三维模型的建立方法。
发明内容
根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种建筑垃圾离散元三维模型构建方法，建立更加贴合实际的颗粒簇模型代替传统球形颗粒，仿真不规律颗粒，进行混合材料的模拟试验分析，提升实验结果的精确度。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种建筑垃圾离散元三维模型构建方法，包括：
步骤一、处理建筑垃圾，将建筑垃圾破碎并筛分为混凝土块和砖块两类，根据混凝土块和砖块的大小将混凝土块和砖块分级别堆放；
步骤二、获取轮廓图，根据混凝土块和砖块试样获取样品轮廓图；
步骤三、通过PFC5.0软件生成颗粒簇模型：在PFC5.0软件中对轮廓图进行填充，填充的颗粒为刚性圆形小球，直到轮廓覆盖率达到实验所需精度；
步骤四、定义建筑垃圾的接触模型，由于建筑垃圾直剪试验主要为混凝土、砖、墙三种材料类型，因此根据三种材料类型分别建立混凝土和砖、混凝土和墙、砖和墙、砖和砖、混凝土和混凝土五种接触，根据三种材料的性质，均选用线性模型；
步骤五、制样阶段，将建立的颗粒簇模型，按照实验所需要的级配投入模拟实验装置剪切盒中，并对摩擦系数、密度、阻尼、刚度等数据参数进行定义，启动模拟实验装置剪切盒开始伺服混合体达到试验所需状态；
步骤六、试验模拟，启动软件开始匀速剪切，并监测剪切位移和剪切应力等直剪试验必要参数；
步骤七、输出数据：根据监测数据输出剪切应力和剪切位移关系图像；
步骤八、参数标定，分别根据纯混凝土和纯砖直剪试验图像，参考以上步骤利用PFC分别标定出纯混凝土和纯砖的材料参数，再将所得数据应用于建筑垃圾材料模型参数，最终完成建筑垃圾三维离散元模型建立。
进一步的，所述步骤二具体包括：方法一，随机选取同一级配混凝土块和砖块试样各5个，将选取的样品用3D激光扫描获得轮廓图，用得到的这10个轮廓图建立模型库；方法二，随机选取同一级配混凝土块和砖块试样各5个，通过3D画图软件获得其轮廓图。
进一步的，所述步骤三中，填充小球个数由控制参数distance控制，系数范围为0到180。
进一步的，所述步骤五中，在模型生成之后伺服之前对建筑垃圾模型进行第一次定义，定义的要点在于颗粒簇模型摩擦系数设置为零或接近于零。
进一步的，所述步骤五中，对于粒径小于4.75mm的颗粒可以通过使用传统圆形颗粒模板或者多个圆形颗粒组成的球型模板来代替颗粒簇模型以减少计算量。
进一步的，所述步骤五还包括，取用级配曲线时提高最大粒径与最小粒径比值，增加级配bin的设置段数使生成试样更均匀。
进一步的，所述步骤六中第二次定义建筑垃圾摩擦系数、刚度和阻尼，相对于第一次定义，本次为最终微观参数定义，后续参数标定也从中取值。
进一步的，所述步骤八中参数标定指的是根据实际试验测量结果，通过PFC5.0中参数标定的方法可以标定出与实际试验相类似强度曲线，从而可推导出其摩擦系数、刚度和阻尼等参数。
进一步的，所述建筑垃圾为砖混结构。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1.本发明所述的一种建筑垃圾离散元三维模型构建方法，由于处理后的建筑垃圾依然有着较大的粒径，对于试验仪器要求苛刻，本发明通过PFC进行模拟试验解决了这一问题。
2.本发明所述的一种建筑垃圾离散元三维模型构建方法，虽然传统圆形颗粒模型相比较不规则的颗粒簇模型，在很多物理性质已经能很好的反应颗粒行为特性，但传统圆形颗粒模型忽略一般试验中的颗粒棱角和颗粒形状，而试验中的颗粒棱角和颗粒形状会影响颗粒状材料的摩擦角等因素，特别是在大围压试验中，棱角度对试验的结果影响将会更加明显，因此不规则的颗粒簇模型相比传统圆形颗粒模型能在模拟不规则颗粒试验中更好的反映试验结果。
3.本发明所述的一种建筑垃圾离散元三维模型构建方法，在同一条件下对圆形颗粒模型和不规则的颗粒簇模型进行了数值模拟分析，发现颗粒簇模型的模拟试验图像更接近实际图像。
4.本发明所述的一种建筑垃圾离散元三维模型构建方法，除了应用于直剪试验，还可应用于真三轴试验、常规三轴试验和压缩试验等一系列试验。
5.本发明所述的一种建筑垃圾离散元三维模型构建方法，旨在模拟测量建筑垃圾在传统岩土试验中的基本力学性质，可为建筑垃圾的应用打下基础。
附图说明
图1为本发明单个不规则试样的轮廓图；
图2为本发明图1中单个不规则试样生产的颗粒簇模型；
图3为本发明两种颗粒簇投放在直剪试验中的效果图；
图4为本发明颗粒簇模型直接剪切试验的模拟图；
图5为本发明圆形颗粒模型直接剪切试验的模拟图；
图6为本发明剪切过程中接触力的分布图；
图7为本发明颗粒簇模型剪应力和剪位移曲线与圆形颗粒模型剪应力和剪位移曲线对比图；
图8为本发明颗粒簇模型模拟三轴试验应用图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种建筑垃圾离散元三维模型构建方法，包括：
步骤一、处理建筑垃圾，将建筑垃圾破碎筛分为混凝土块和砖块两类，根据混凝土块和砖块的大小将混凝土块和砖块分级别堆放；
步骤二、参照图1所示，根据混凝土块和砖块试样获取样品轮廓图；
步骤三、参照图2所示，通过PFC5.0软件生成颗粒簇模型，在PFC5.0软件中对轮廓图进行填充，填充的颗粒为刚性圆形小球，直到轮廓覆盖率达到实验所需精度，其中，生成颗粒簇模型的表面粗糙度主要通过控制填充小球数量来决定的；
步骤四、定义建筑垃圾的接触模型，由于建筑垃圾直剪试验主要为混凝土、砖、墙三种材料类型，因此根据三种材料类型分别建立混凝土和砖、混凝土和墙、砖和墙、砖和砖、混凝土和混凝土五种接触类型，且根据三种材料的性质，均选用线性模型；
步骤五、参照图3所示，投放模板，将建立的颗粒簇模型，按照实验所需要的级别配比投入模拟实验装置剪切盒中，并对摩擦系数、密度、阻尼、刚度等数据参数进行定义；
步骤六、试验模拟，启动模拟实验装置剪切盒开始伺服混合体达到试验所需状态，开始匀速剪切，并监测剪切位移和剪切应力等直剪试验必要参数；
步骤七、输出数据：根据监测数据输出剪切应力和剪切位移关系图像；
步骤八、参数标定，选取分别根据纯混凝土和纯砖直剪试验图像，参考以上步骤利用PFC分别标定出纯混凝土和纯砖的材料参数，再将所得数据应用于建筑垃圾材料模型参数，最终完成建筑垃圾三维离散元模型建立。
具体的，步骤一中，将混凝土块和砖块的破碎中对于破碎机的粒径设置为40mm和20mm两组，最后再将破碎后的样品分别用孔径为40mm、20mm、10mm、4.75mm、2mm的网筛筛为几组不同试样，最后根据试验所需配比混合。
具体的，在步骤二中，主要有两种方法获取样品轮廓图。方法一是随机选取同一级配混凝土块和砖块试样各5个，将选取的样品用3D激光扫描获得轮廓图，用得到的这10个轮廓图建立模型库。方法二是随机选取同一级别混凝土块和砖块试样各5个，通过3D画图软件获得其轮廓图。本发明实施例中，采用方法二获取样品轮廓图，主要方法是将步骤一中取得特殊样品(具有明显长细比差距和棱角特征)通过3D画图软件3D MAX获得样品轮廓图，相比较方法一优点是相对方便简单，没有仪器限制，对获得轮廓图具有更高的可操作性。缺点是没有方法一获取的轮廓的真实性。
优选的，步骤三中，控制生成颗粒簇模型的表面精度主要通过控制填充小球数量决定，颗粒表面棱角度随填充小球数量的增加而增加，小球数量增加的同时模型的计算量也会大量增加。当控制生成颗粒簇模型的表面精度达到一定值后，增加小球数量，对颗粒簇模型的表面精度的影响不大，但模型的计算量也会大量增加。
优选的，步骤三中，粒径小于4.75mm的颗粒不论是采用传统圆形颗粒模板或者多个圆形颗粒组成的球型模板，还是采用颗粒簇模型，对试验的结果影响很小。而采用颗粒簇模型，将会大大增加计算量，因此对于粒径小于4.75mm的颗粒可以通过使用传统圆形颗粒模板或者多个圆形颗粒组成的球型模板来代替颗粒簇模型以减少计算量。当然，能采用纯颗粒簇模型能更好的体现模型的优点，需要注意的是纯颗粒簇因为计算时无法达到纯圆颗粒的数量，再加上颗粒簇本身形状因素，因此在制样阶段孔隙率的生成更加难以达到。关于部分制样空隙率生成问题下面会部分提到。
优选的，在步骤三中，按照级配生成颗粒簇模型时可能会产生空隙率无法达到预定值的问题，此时，可在制样阶段颗粒之间摩擦系数设置为0.0或接近为0.0；取用级配曲线时尽量使最大粒径与最小粒径比值更大，增加级配bin的设置段数；设置相对更小的预定孔隙率同时检测试样孔隙率是否达到目标值，建筑垃圾的孔隙率可根据实际试验测量。
具体的，在步骤四中，对于混合材料接触模型的具体建立方法，本发明采用以下命令流方法书写，首先对生成试验进行分组分为混凝土和砖块两个组(group)，再利用range功能赋予不同微观参数达到区分两种材料的效果。对于步骤四中五种接触定义，利用camtadd和camt default特点先定义相同颗粒簇的接触(pebble-pebble)，再定义不同颗粒簇的接触(pebble-pebble)，最后定义颗粒簇和墙(pebble-facet)的接触，由上述方法即可更好的建立建筑垃圾这种混合料的接触定义。
通常情况下的建筑垃圾为砖混结构，因此本发明中，建筑垃圾选用为为砖混结构。
具体的，步骤八中，关于建筑垃圾土的参数标定，除了按照上述标定方法标定。关于具体的微观参数标定可参考以下方法，首先密度可根据实际试验测量，而摩擦系数可以通过标定实际试验的强度峰值标定，对于摩擦系数本发明使用两次赋值，第一次赋值在制样阶段之前，第二次赋值在制样阶段之后加载阶段之前，其中第二次为最终赋值。如果在使用单纯摩擦无法标定到实际试验峰值时，可以采用抗转动线性模型(rrlinear)，通过赋予一定的滚动摩擦(rr_fric)来达到峰值要求。在达到峰值条件后，关于法向刚度(kn)和切向刚度(ks)或刚度比的标定则是对其曲线上升阶段斜率的标定。本发明中，通过PFC5.0中参数标定的方法可以标定出与实际试验相类似强度曲线，从而可推导出其摩擦系数、刚度和阻尼等参数。最后按照由纯到混的标定方法确定建筑垃圾的微观参数。
图4和图5分别为颗粒簇模型直接剪切试验的模拟图和圆形颗粒模型直接剪切试验的模拟图，图6为剪切过程中位移方向及大小的效果图，其中通过剪切上盒试样位移方向能明显看出剪切过程中的剪切膨胀现象，图7为颗粒簇模型剪切应力和位移曲线与圆形颗粒模型剪应力和剪位移曲线对比图(注:横坐标x＝剪切位移/剪切面长度*100％，两组试验竖向压力均为为400kPa)，根据图7可以看出，颗粒簇模型相对圆形颗粒模型峰值更高，虽然圆形颗粒模型可以通过增加摩擦系数、孔隙率、应用抗转动接触模型增加峰值。但这些高峰值实验模拟试验效果依然不理想，而颗粒簇模型由于本身形状的因素在模拟试验中形成“互锁效应”可以更好的契合此类实际试验。
另外，根据图7可以看出，在曲线末端，颗粒簇模型和圆形颗粒模型的剪应力已经接近，这说明颗粒簇模型在相同试验条件下并不会影响直接剪切试验中应力达到峰值过后软化特征。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种建筑垃圾离散元三维模型构建方法，其特征在于，包括：
步骤一、处理建筑垃圾，将建筑垃圾破碎并筛分为混凝土块和砖块两类，根据混凝土块和砖块的大小将混凝土块和砖块分级别堆放；
步骤二、获取轮廓图，根据混凝土块和砖块试样获取样品轮廓图；
步骤三、通过PFC5.0软件生成颗粒簇模型：在PFC5.0软件中对轮廓图进行填充，填充的颗粒为刚性圆形小球，直到轮廓覆盖率达到实验所需精度；
步骤四、定义建筑垃圾的接触模型，由于建筑垃圾直剪试验主要为混凝土、砖、墙三种材料类型，因此根据三种材料类型分别建立混凝土和砖、混凝土和墙、砖和墙、砖和砖、混凝土和混凝土五种接触，根据三种材料的性质，均选用线性模型；
步骤五、制样阶段，将建立的颗粒簇模型，按照实验所需要的级配投入模拟实验装置剪切盒中，并对摩擦系数、密度、阻尼、刚度数据参数进行定义，启动模拟实验装置剪切盒开始伺服混合体达到试验所需状态；
步骤六、试验模拟，启动软件开始匀速剪切，并监测剪切位移和剪切应力直剪试验必要参数；
步骤七、输出数据：根据监测数据输出剪切应力和剪切位移关系图像；
步骤八、参数标定，分别根据纯混凝土和纯砖直剪试验图像，参考以上步骤利用PFC分别标定出纯混凝土和纯砖的材料参数，再将所得数据应用于建筑垃圾材料模型参数，最终完成建筑垃圾三维离散元模型建立。
2.根据权利要求1所述的建筑垃圾离散元三维模型构建方法，其特征在于：所述步骤二具体包括：方法一，随机选取同一级配混凝土块和砖块试样各5个，将选取的样品用3D激光扫描获得轮廓图，用得到的这10个轮廓图建立模型库；方法二，随机选取同一级配混凝土块和砖块试样各5个，通过3D画图软件获得其轮廓图。
3.根据权利要求1所述的建筑垃圾离散元三维模型构建方法，其特征在于：所述步骤三中，填充小球个数由控制参数distance控制，系数范围为0到180。
4.根据权利要求1所述的建筑垃圾离散元三维模型构建方法，其特征在于：所述步骤五中，在模型生成之后伺服之前对建筑垃圾模型进行第一次定义，定义的要点在于颗粒簇模型摩擦系数设置为零或接近于零。
5.根据权利要求1所述的建筑垃圾离散元三维模型构建方法，其特征在于：所述步骤五中，对于粒径小于4.75mm的颗粒可以通过使用传统圆形颗粒模板或者多个圆形颗粒组成的球型模板来代替颗粒簇模型以减少计算量。
6.根据权利要求1所述的建筑垃圾离散元三维模型构建方法，其特征在于：所述步骤五还包括，取用级配曲线时提高最大粒径与最小粒径比值，增加级配bin的设置段数使生成试样更均匀。
7.根据权利要求4所述的建筑垃圾离散元三维模型构建方法，其特征在于：所述步骤六中第二次定义建筑垃圾摩擦系数、刚度和阻尼，相对于第一次定义，本次为最终微观参数定义，后续参数标定也从中取值。
8.根据权利要求1所述的建筑垃圾离散元三维模型构建方法，其特征在于：所述步骤八中参数标定指的是根据实际试验测量结果，通过PFC5.0中参数标定的方法可以标定出与实际试验相类似强度曲线，从而可推导出其摩擦系数、刚度和阻尼参数。
9.根据权利要求1-8任一项所述的建筑垃圾离散元三维模型构建方法，其特征在于：所述建筑垃圾为砖混结构。
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