CN111737858B - 一种堆石混凝土中随机堆石的生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种堆石混凝土中随机堆石的生成方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、利用随机数发生器随机生成平面方程，建立初始块体；步骤2、对步骤1得到初始块体依次使用生成的平面进行切割生成凸多面体，获取凸多面体各个面的面积，同时测量凸多面体的粒径；步骤3、对凸多面体方法进行畸形判断，最后生成凸多面体库；步骤4、生成目标粒径，在凸多面体库中选取一个凸多面体，将其放缩至目标粒径大小生成堆石，依次选取缩放缩剩下的凸多面体，最后得到整体放缩后的目标粒径的堆石。本发明无需判定即可生成凸型骨料，可以快速、便捷地生成大量的随机堆石，而且堆石信息存储方便，可重复提取应用。
Description
技术领域
本发明属于混凝土分析技术领域，具体涉及一种堆石混凝土中随机堆石的生成方法。
背景技术
混凝土的损伤是发生于细观层次上的，而材料的力学性能是损伤的影响在宏观上的体现。因此，学者们从不同的层次对混凝土材料进行了大量研究，根据研究方法的侧重点的不同，可将针对混凝土材料的研究大体分为宏观、细观及微观三个层次，宏观层次的研究将混凝土视为一种均质材料，忽略了其内部的不均匀性；细观层次的研究一般将混凝土视为由粗骨料、水泥砂浆以及二者之间的界面过渡区构成；微观层次的研究主要是针对诸如水泥颗粒、孔隙、水化产物等微观结构，已经不是人类肉眼可辨识的尺度，必须借助电子显微镜等试验设备进行研究；
作为一种改进，目前采用的格构模型(Lattice model)是在细观尺度上将连续介质离散为由杆或梁连结而成的格构系统。采用简单的本构以及破坏准则，通过赋予不同单元以不同的参数来描述混凝土的不均匀性。这种模型是先进行整体分析，根据计算得出的单元应力将超出破坏准则的单元剔除掉；剔除掉的单元即破坏的单元，这个过程是不可逆的，将荷载重新进行分配，将超出破坏准则的单元再次剔除；如此往复直到整个系统完全破坏，这种渐进的破坏能够较好地反映混凝土材料的破坏过程。格构模型在模拟混凝土受拉破坏所得的结果比较好，但在模拟受压破坏时不够理想，而且这种模型选取的本构及破坏准则一般都比较简单，对实际变形的表现不够准确；
作为一种改进，M-H模型也叫做细观结构模型，是由Mohamed和Hansen提出的。这种模型将混凝土视为由粗骨料、水泥浆体以及两者之间的过渡区组成，不仅能够考虑骨料分布的随机性，也能考虑各相组分力学性质的随机性。M-H模型借用了断裂能的概念，认为抗拉强度是混凝土产生裂纹的主要判断依据，假定单元仅发生受拉破坏，而不会发生剪切破坏。因此，M-H模型对复杂受力情况的模拟结果不够理想；
作为一种改进，CT(Computed Tomography)重建模型是利用X射线束对混凝土进行扫描，根据扫描信息计算获得混凝土内部各部位的X射线吸收系数，形成数字矩阵；再将数字转化为不等灰度的像素，按照矩阵排列构成CT图像。可以看出，CT扫描图像是重建图像，基于CT扫描图像便可以得到CT重建模型。CT重建模型是由真实混凝土扫描得到的，因此相较于其他模型能更加真实地反映混凝土的细观结构，模拟的精度也进一步提高。但是CT资源珍贵，而且模型的尺寸也受到放射线剂量的限制，难以大规模推广应用；
因此整体来看，目前混凝土的分析研究存在的计算速度不够快、精确度不高、且计算流程较复杂的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种堆石混凝土中随机堆石的生成方法，解决了目前混凝土的分析研究存在的计算速度不够快、精确度不高、且计算流程较复杂的问题。
本发明所采用的技术方案是，
一种堆石混凝土中随机堆石的生成方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、利用随机数发生器随机生成平面方程，使用Python脚本在ABAQUS中建立初始块体；
步骤2、利用ABAQUS拆分几何元素的方法对步骤1得到初始块体依次使用生成的平面进行切割生成凸多面体，利用ABAQUS内置方法获取凸多面体各个面的面积，同时测量凸多面体的粒径；
步骤3、对步骤2得到的凸多面体采用限制切割面相对大小的方法进行畸形判断，若均满足要求，则将该凸多面体加入凸多面体库中，进行下一个凸多面体的生成，若不满足要求，则舍弃该凸多面体，进行下一个凸多面体的生成，如此反复，直到凸多面体库中凸多面体的数量达到预先设定的数量；
步骤4、利用随机数发生器在预先设置的粒径范围内生成目标粒径，在步骤3中得到的凸多面体库中随机选取一个凸多面体，将其放缩至目标粒径大小生成堆石，然后记录堆石信息，依次选取缩放缩剩下的凸多面体，最后通过放缩得到目标粒径的堆石。
本发明的特点还在于，
步骤1中，初始块体为棱长200mm的立方体块。
步骤2中，初始块体的切割面控制为13-16个。
步骤3中，限制切割面相对大小的方法具体按照如下公式(1)来进行：
其中，Smax为生成凸多面体最大面的面积，Smin为生成凸多面体最小面的面积，η为切割面的相对大小；
当η＝1时，则凸多面体每个面的大小均相等，当η无限趋近于1时，则凸多面体的至少有一个面的面积趋近于0。
步骤3中，畸形判断还包括堆石是否过于扁平。
本发明的有益效果是：
(1)本发明一种堆石混凝土中随机堆石的生成方法，借鉴二维的块体切割法，认为所有堆石都是由更大的初始块体切割破碎而来，使用空间平面对初始块体进行分割，通过不同切割面的随机组合来反映生成堆石形状的随机性，计算原理简单；
(2)本发明与现有随机骨料生成方法相比，无需判定即可生成凸型骨料，可以快速、便捷地生成大量的随机堆石，可大大提高计算效率。
(3)本发明中堆石生成过程与实际水利工程中堆石开采基本一致，可以较好地模拟堆石形状及性能，计算精度较高；而且所生成的堆石信息存储方便，可重复提取应用。
附图说明
图1是本发明一种堆石混凝土中随机堆石中初始块体的第一、二次切割的示意图；
图2是本发明一种堆石混凝土中随机堆石的生成方法中第三、四、五次切割示意图；
图3是本发明一种堆石混凝土中随机堆石的生成方法的流程示意图；
图4是本发明一种堆石混凝土中随机堆石的生成方法中凸多面体库结构层次示意图。
图5是本发明一种堆石混凝土中随机堆石的生成方法中凸多面体的透视示意图；
图6是本发明一种堆石混凝土中随机堆石的生成方法中凸多面体的信息记录示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明一种堆石混凝土中随机堆石的生成方法进行详细说明。
如图3所示，一种堆石混凝土中随机堆石的生成方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、利用随机数发生器随机生成平面方程，使用Python脚本在ABAQUS中建立初始块体；
如图1和图2所示，步骤2、利用ABAQUS拆分几何元素的方法对步骤1得到初始块体依次使用生成的平面进行切割生成凸多面体，利用ABAQUS内置方法获取凸多面体各个面的面积，同时测量凸多面体的粒径；
如图3和图5所示，步骤3、对步骤2得到的凸多面体采用限制切割面相对大小的方法进行畸形判断，若均满足要求，则将该凸多面体加入凸多面体库中，进行下一个凸多面体的生成，若不满足要求，则舍弃该凸多面体，进行下一个凸多面体的生成，如此反复，直到凸多面体库中凸多面体的数量达到预先设定的数量；
步骤4、利用随机数发生器在预先设置的粒径范围内生成目标粒径，在步骤3中得到的凸多面体库中随机选取一个凸多面体，将其放缩至目标粒径大小生成堆石，然后记录堆石信息，依次选取缩放缩剩下的凸多面体，最后通过放缩得到目标粒径的堆石。
进一步地，步骤1中，初始块体为棱长200mm的立方体块。
步骤2中，初始块体的切割面控制为13-16个。
进一步地，步骤3中，限制切割面相对大小的方法具体按照如下公式(1)来进行：
其中，Smax为生成凸多面体最大面的面积，Smin为生成凸多面体最小面的面积，η为切割面的相对大小；
当η＝1时，则凸多面体每个面的大小均相等，当η无限趋近于1时，则凸多面体的至少有一个面的面积趋近于0。
进一步地，步骤3中，畸形判断还包括堆石是否过于扁平。
下面通过具体的实施例对本发明一种堆石混凝土中随机堆石的生成方法进行进一步详细说明。
实施例
本发明一种堆石混凝土中随机堆石的生成方法，切割块体的阶段就是一个建立凸多面体库的过程，将满足要求的凸多面体的各种信息储存起来，方便后续调用。具体步骤如下：
第一步，利用随机数发生器随机生成一定数量的平面方程；
第二步，使用Python脚本在ABAQUS中建立初始块体，为方便后续操作，将块体中心设为坐标原点；
第三步，利用ABAQUS拆分几何元素的方法对初始块体依次使用生成的平面进行切割，切割次数为15次，生成凸多面体；如图1和图2所示。从图中可以看出，数次切割之后能够生成各种形状的凸多边形；
第四步，利用ABAQUS内置方法获取凸多面体各个面的面积，同时测量凸多面体的粒径；
第五步，根据如下公式(1)来进行畸形判断，并判断是否过于扁平：
其中，Smax为生成凸多面体最大面的面积，Smin为生成凸多面体最小面的面积，η为切割面的相对大小；
当η＝1时，则凸多面体每个面的大小均相等，当η无限趋近于0时，则凸多面体的至少有一个面的面积趋近于0。
若均满足要求则进行下一步，不满足则返回第一步；第六步，记录信息并进行下一个凸多面体的生成，直到达到预先设定的数量。
程序会自动创建“凸多面体库”目录并在该目录下对每个凸多面体生成单独的文件夹，如图5和图6所示；每个文件夹中均包含三个文件：第一个，txt文件，记录该凸多面体的体积、粒径、表面数、各切割平面的方程等基本信息；第二个，tif文件，存储凸多面体的透视图；第三个，pkl文件，存储再次生成该凸多面体的信息。
根据已有信息库缩放凸多面体来建立堆石：利用随机数发生器在预先设置的粒径范围内生成目标粒径；在已生成凸多面体库中随机选取一个凸多面体，并读取其信息；将凸多面体放缩至目标粒径大小生成堆石；记录堆石信息。
本发明一种堆石混凝土中随机堆石的生成方法，拟选用块体切割的方法完成堆石三维模型的生成，所生成的凸多面体无需进行凸性判定，仅需对生成的多面体进行畸形判定即可使生成的堆石具有较高的质量；可以快速、便捷地生成大量的随机堆石，而且堆石信息存储方便，可重复提取应用。
Claims (5)
1.一种堆石混凝土中随机堆石的生成方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、利用随机数发生器随机生成平面方程，使用Python脚本在ABAQUS中建立初始块体；
步骤2、利用ABAQUS拆分几何元素的方法对步骤1得到初始块体依次使用生成的平面进行切割生成凸多面体，利用ABAQUS内置方法获取凸多面体各个面的面积，同时测量凸多面体的粒径；
步骤3、对步骤2得到的凸多面体采用限制切割面相对大小的方法进行畸形判断，若满足要求，则将该凸多面体加入凸多面体库中，进行下一凸多面体的生成；若不满足要求，则舍弃该凸多面体，进行下一个凸多面体的生成，如此反复，直到凸多面体库中凸多面体的数量达到预先设定的数量；
步骤4、利用随机数发生器在预先设置的粒径范围内生成目标粒径，在步骤3中得到的凸多面体库中随机选取一个凸多面体，将其放缩至目标粒径大小生成堆石，然后记录堆石信息，依次选取缩放缩剩下的凸多面体，最后得到整体放缩后的目标粒径的堆石。
2.根据权利要求1所述的一种堆石混凝土中随机堆石的生成方法，其特征在于，步骤1中，所述初始块体为棱长200mm的立方体块。
3.根据权利要求1所述的一种堆石混凝土中随机堆石的生成方法，其特征在于，步骤2中，所述初始块体的切割面控制为13-16个。
4.根据权利要求1所述的一种堆石混凝土中随机堆石的生成方法，其特征在于，步骤3中，所述限制切割面相对大小的方法具体按照如下公式(1)来进行：
其中，Smax为生成凸多面体最大面的面积，Smin为生成凸多面体最小面的面积，η为切割面的相对大小；
当η＝1时，则凸多面体每个面的大小均相等，当η无限趋近于0时，则凸多面体的至少有一个面的面积趋近于0。
5.根据权利要求1所述的一种堆石混凝土中随机堆石的生成方法，其特征在于，步骤3中，所述畸形判断还包括判断堆石是否不符合预设的扁平值。
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