CN113946984A - 一种三维随机裂隙模型建立方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维随机裂隙模型建立方法，包括：根据所需模型要求，确定模拟区域的形状，并设置模型尺寸数据；根据所需模型要求，确定主生裂隙方向与次生裂隙方向；根据所需模型要求，确定建立裂隙的种类；根据所需模型要求，定义裂隙的尺寸数据；根据所需模型要求，定义裂隙数量或模型整体孔隙率；生成裂隙模型。本发明提供的裂隙模型建立方法具有方便高效且成本较低的优点。

Description

一种三维随机裂隙模型建立方法
技术领域
本发明涉及随机裂隙模型建立技术领域，特别涉及一种三维随机裂隙模型建立方法。
背景技术
随着各领域相关研究的进步与计算机技术的发展，各种数值模拟技术在材料特性研究方面得到广泛应用。而现实中材料内部往往并非均匀致密，而是遍布裂隙和孔隙，裂隙的存在会对材料的物理力学性质产生明显的影响，致使运用简单建模形成的致密模型进行数值模拟获得的结果难以匹配实际情况。
通常的解决方法是在模型内部大致位置建立几条大裂隙，但是这种方法与实际情况不同，不能描述真实的裂隙情况。还有一种方法是CT扫描现实试样图像处理后建模的方法，对于真实材料情况有良好的模拟效果，但耗费成本较高，且需要基于实际材料，对模型尺寸形状有限制。同时，由于裂隙存在对于材料强度往往存在折减效果，如果不考虑裂隙进行模拟，往往会高估材料强度和其安全性。因此如何进行一种方便高效且成本较低的随机裂隙三维模型建立是目前需要解决的问题。
此外，裂隙的发育往往并不是完全随机分布，而是沿着一条或多条节理方向沿伸，同时又不是严格平行，而是具有着一定范围内的偏向。因此通过简单建模手段中人为设置的直线裂隙与真实裂隙情况不符合。为解决这些问题导致材料物理力学性质研究中的困难，需要寻找一种高效的三维随机裂隙模型生成方法。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种方便、高效且成本较低的三维随机裂隙模型建立方法。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：
一种三维随机裂隙模型建立方法，包括以下步骤：
步骤1，根据所需模型要求，确定模拟区域的形状，并设置模型尺寸数据；
步骤2，根据所需模型要求，确定主生裂隙方向与次生裂隙方向；
步骤3，根据所需模型要求，确定建立裂隙的种类；
步骤4，根据所需模型要求，定义裂隙的尺寸数据；
步骤5，根据所需模型要求，定义裂隙数量或模型整体孔隙率；
步骤6，生成裂隙模型。
优选地，所述步骤1中，生成模型包括长方体、椭球体、球体、圆柱体；其中，长方体的尺寸数据包括长Ls、宽Ws、高Hs；椭球体的尺寸数据包括三轴长度As、Bs、Cs；球体的尺寸数据包括半径Rs；圆柱体的尺寸数据包括半径Rs、高Hs。
优选地，所述步骤2中，通过定义裂隙的多种方向并进行权重赋值来决定产生的随机裂隙的朝向，并以此模拟模型的主生裂隙方向与次生裂隙方向。
优选地，所述步骤3中，所述裂隙的种类包括椭球体裂隙和八面体裂隙。
优选地，所述步骤4中，依据需求选择椭球体裂隙或八面体裂隙，并定义裂隙三轴长度At、Bt、Ct与裂隙尺寸波动范围at、bt、ct，使裂隙尺寸在所需范围内随机变化。
优选地，所述步骤5中，孔隙率定义为模型中所有裂隙体积之和与模型体积之比；模型生成过程中，孔隙率的判定是指在生成每个裂隙后，计算所有裂隙体积之和与模型体积的比值，根据比值判断是否达到设定的孔隙率。
优选地，所述步骤6中，基于定义的裂隙数量或孔隙率，利用随机函数生成裂隙中心位置，根据定义的裂隙类型与尺寸数据生成大小不同的裂隙，并根据定义的主生裂隙方向与次生裂隙方向对生成裂隙的方向进行调整。
优选地，所述步骤6中，通过调用不同的随机函数实现裂隙尺寸波动及裂隙方向波动，以满足不同的模型需求。
优选地，通过定义的孔隙率生成裂隙模型的过程中，通过break语句控制生成模型的孔隙率在设定的孔隙率附近波动，具体地，生成随机裂隙后实时记录裂隙体积，计算模型当前孔隙率并与设定的孔隙率进行比较来判定循环语句中断。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
本发明实施例中，根据所需模型要求，确定模拟区域的形状，并设置模型尺寸数据；确定主生裂隙方向与次生裂隙方向； 确定建立裂隙的种类；定义裂隙的尺寸数据；定义裂隙数量或模型整体孔隙率；根据裂隙数量或孔隙率生成裂隙模型。与现有技术相比，本发明提供的裂隙模型建立方法具有方便高效且成本较低的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种三维随机裂隙模型建立方法的流程图；
图2a、图2b、图2c和2d分别是本发明实施例涉及的三维模型类型示意图，其中，图2a是长方体，图2b是圆柱体，图2c是球体，图2d是椭球体；
图3a和图3b是本发明实施例涉及的两种裂隙类型示意图，其中，图3a是椭球体裂隙，图3b是八面体裂隙；
图4a和图4b分别是本发明实施例提供的通过孔隙数量建立的模型二维剖面图和通过孔隙率建立的模型二维剖面图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明的实施例提供了一种三维随机裂隙模型建立方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
步骤1，根据所需模型要求，确定模拟区域的形状，并设置模型尺寸数据。
本步骤中，根据所需模型的不同，生成模型包括长方体、圆柱体、球体、椭球体等几何体，如图2a-图2d所示。其中，长方体的尺寸数据包括长Ls、宽Ws、高Hs；椭球体的尺寸数据包括三轴长度As、Bs、Cs；球体的尺寸数据包括半径Rs；圆柱体的尺寸数据包括半径Rs、高Hs。
步骤2，根据所需模型要求，确定主生裂隙方向与次生裂隙方向。
本步骤中，通过定义裂隙的多种方向并进行权重赋值来决定产生的随机裂隙的朝向，并以此模拟模型的主生裂隙方向与次生裂隙方向。
步骤3，根据所需模型要求，确定建立裂隙的种类。
本步骤中，所述裂隙的种类包括椭球体裂隙和八面体裂隙，如图3a-图3b所示。
步骤4，根据所需模型要求，定义裂隙的尺寸数据。
本步骤中，依据需求选择椭球体裂隙或八面体裂隙，并定义裂隙三轴长度At、Bt、Ct与裂隙尺寸波动范围at、bt、ct，使裂隙尺寸在所需范围内随机变化。在通过孔隙数量生成模型时，亦可定义多组不同的裂隙轴长配合尺寸波动范围进行更精细化的建模。
步骤5，根据所需模型要求，定义裂隙数量或模型整体孔隙率。
本步骤中，孔隙率定义为模型中所有裂隙体积之和与模型体积之比。本发明实施例中，可以根据定义的裂隙数量生成裂隙模型，也可以根据定义的孔隙率生成裂隙模型。模型生成过程中，孔隙率的判定是指在生成每个裂隙后，计算所有裂隙体积之和与模型体积的比值，根据比值判断是否达到设定的孔隙率。
步骤6，生成裂隙模型。
本步骤中，基于定义的裂隙数量或孔隙率，利用随机函数生成裂隙中心位置，根据定义的裂隙类型与尺寸数据生成大小不同的裂隙，并根据定义的主生裂隙方向与次生裂隙方向对生成裂隙的方向进行调整。进一步地，通过调用不同的随机函数实现裂隙尺寸波动及裂隙方向波动，以满足不同的模型需求。
作为本发明的一种具体实施方式，通过定义的孔隙率生成裂隙模型的过程中，通过break语句控制生成模型的孔隙率在设定的孔隙率附近波动。具体地，生成随机裂隙后实时记录裂隙体积，计算模型当前孔隙率并与设定的孔隙率进行比较来判定循环语句中断，具体过程参考图1所示流程。
下面以岩石力学标准圆柱形试样为例，对本发明方法进行进一步阐述。
本发明实施例提供的三维随机裂隙模型建立方法包括以下步骤：
步骤1，定义变量，设置圆柱体模型尺寸数据如下：半径Rs为25，高Hs为100。同时，设置模型左下角坐标为（0，0，0）。
步骤2，确定主生裂隙方向，定义为（1，1，2）的向量方向，权重为60%。
步骤3，确定裂隙种类为椭球体裂隙。
步骤4，确定裂隙尺寸三轴长At、Bt、Ct分别为2、1、1，确定三轴尺寸波动范围为0.5、0.2、0.2。
步骤5，定义裂隙数量为100，或定义孔隙率为5%。
步骤6，使用random函数生成大小与方向在一定范围内波动的随机裂隙。图4a是通过孔隙数量建立的模型二维剖面图，图4b是通过孔隙率建立的模型二维剖面图。
与现有技术相比，本发明提供的裂隙模型建立方法具有方便、高效且成本较低的优点，具有广泛的应用前景。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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)

1.一种三维随机裂隙模型建立方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据所需模型要求，确定模拟区域的形状，并设置模型尺寸数据；
步骤2，根据所需模型要求，确定主生裂隙方向与次生裂隙方向；
步骤3，根据所需模型要求，确定建立裂隙的种类；
步骤4，根据所需模型要求，定义裂隙的尺寸数据；
步骤5，根据所需模型要求，定义裂隙数量或模型整体孔隙率；
步骤6，生成裂隙模型。
2.根据权利要求1所述的三维随机裂隙模型建立方法，其特征在于，所述步骤1中，生成模型包括长方体、椭球体、球体、圆柱体；其中，长方体的尺寸数据包括长Ls、宽Ws、高Hs；椭球体的尺寸数据包括三轴长度As、Bs、Cs；球体的尺寸数据包括半径Rs；圆柱体的尺寸数据包括半径Rs、高Hs。
3.根据权利要求1所述的三维随机裂隙模型建立方法，其特征在于，所述步骤2中，通过定义裂隙的多种方向并进行权重赋值来决定产生的随机裂隙的朝向，并以此模拟模型的主生裂隙方向与次生裂隙方向。
4.根据权利要求1所述的三维随机裂隙模型建立方法，其特征在于，所述步骤3中，所述裂隙的种类包括椭球体裂隙和八面体裂隙。
5.根据权利要求4所述的三维随机裂隙模型建立方法，其特征在于，所述步骤4中，依据需求选择椭球体裂隙或八面体裂隙，并定义裂隙三轴长度At、Bt、Ct与裂隙尺寸波动范围at、bt、ct，使裂隙尺寸在所需范围内随机变化。
6.根据权利要求1所述的三维随机裂隙模型建立方法，其特征在于，所述步骤5中，孔隙率定义为模型中所有裂隙体积之和与模型体积之比；模型生成过程中，孔隙率的判定是指在生成每个裂隙后，计算所有裂隙体积之和与模型体积的比值，根据比值判断是否达到设定的孔隙率。
7.根据权利要求1所述的三维随机裂隙模型建立方法，其特征在于，所述步骤6中，基于定义的裂隙数量或孔隙率，利用随机函数生成裂隙中心位置，根据定义的裂隙类型与尺寸数据生成大小不同的裂隙，并根据定义的主生裂隙方向与次生裂隙方向对生成裂隙的方向进行调整。
8.根据权利要求7所述的三维随机裂隙模型建立方法，其特征在于，所述步骤6中，通过调用不同的随机函数实现裂隙尺寸波动及裂隙方向波动，以满足不同的模型需求。
9.根据权利要求7所述的三维随机裂隙模型建立方法，其特征在于，通过定义的孔隙率生成裂隙模型的过程中，通过break语句控制生成模型的孔隙率在设定的孔隙率附近波动，具体地，生成随机裂隙后实时记录裂隙体积，计算模型当前孔隙率并与设定的孔隙率进行比较来判定循环语句中断。
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