CN114528730B - 一种真实珊瑚砂颗粒离散元模型的构建方法 - Google Patents

一种真实珊瑚砂颗粒离散元模型的构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明介绍了一种真实珊瑚砂颗粒离散元模型的构建方法，其包括；S1、对砂颗粒的堆积体进行扫描；S2、获取单个砂颗粒的三维表面形貌，形成砂颗粒的三角网格；S3、建立三维背景网格节点集，并将砂颗粒的三角网格放置在三维背景网格节点集中；S4、建立扫描平面；S5、使用扫描平面进行扫描，获取砂颗粒的坐标集合；S6、根据砂颗粒的坐标集合构建真实珊瑚砂颗粒离散元模型。本申请对颗粒模型进行剖分，采用边界搜索算法和射线算法对边界点位进行确定，不限制颗粒的形状，对于凹多边形也有较好的效果，能够还原构建真实模型，同时通过调节扫描步长实现模型的精度控制，提升计算速度，除建立砂颗粒离散元模型外，还可实现结构体模型的建立。

Description

一种真实珊瑚砂颗粒离散元模型的构建方法
技术领域
本发明属于模型构建领域，具体涉及一种真实珊瑚砂颗粒离散元模型的构建方法。
背景技术
目前离散元数值模拟分析中多采用球形颗粒构建模型，这显然与真实的砂土有所区别。大量的试验研究已经表明，砂土的强度、变形和运动特性均受到砂土强度的影响，然而目前的颗粒建模过程中并没有考虑到其外在因素，大量的模型与实际存在着很大的差别。
中国专利CN111080795A提供了一种基于Delaunay三角网的重力场三维模型构建方法，获得重力场采样数据，将重力场采样数据中的经纬度坐标转换为投影坐标X、Y，将重力场采样数据中的重力异常值G进行因子变换，获得重力转化值Z；X、Y、Z共同构成重力场三维数据；然后，利用Delaunay三角剖分算法对重力场三维数据进行剖分，获得重力场三角网，即获得所述重力场三维模型，用于进行重力场的三维空间分析。其能够提高重力场数据的表达准确性；利用该重力场三维模型可以进行重力场的三维空间分析，可以提高重力场数据分析的灵活性和准确度。
中国专利CN106484956B提供了一种基于图像像素点阵坐标的数值模型构建方法，其发明基于图像像素点阵坐标构建的数值模型，每个像素点对应一个特定的像素值；数值模型由一系列单元构成，每个单元都对应一个特定的材质；根据像素值差别区分出不同的材质，设定每个像素点与每一个单元一一对应，同时定义数值模型中顶点序号和顶点坐标以及单元与顶点之间的关系，从而建立一种将图像模型直接转换为数值模型的方法。
虽然上述技术方案提供了模型构建的技术方案，但是其提供的构建方法普遍复杂，需要对大量的像素点进行处理，处理的数据量大，计算时间长，而且仅能实现凸多边形模型的构建，并不能实现内凹模型构建，导致实际构建出来的模型与真实的砂颗粒形状还有一定的差距。
发明内容
为解决上述问题，以求减少模型处理时的数据处理量和计算时长，实现精准颗粒边界重构，进而实现普通模型以及凹多边形的模型的真实还原构建。
为达到上述效果，本发明设计一种真实珊瑚砂颗粒离散元模型的构建方法。
一种真实珊瑚砂颗粒离散元模型的构建方法，其包括；
S1、对砂颗粒的堆积体进行扫描；
S2、获取单个砂颗粒的三维表面形貌，形成砂颗粒的三角网格；
S3、建立三维背景网格节点集，并将砂颗粒的三角网格放置在三维背景网格节点集中；
S4、建立扫描平面；
S5、使用扫描平面进行扫描，获取砂颗粒的坐标集合；
S6、根据砂颗粒的坐标集合构建真实珊瑚砂颗粒离散元模型。
优选地，所述S1步骤对砂颗粒的堆积体进行扫描采用的方式包括高精度CT扫描和激光扫描。
优选地，所述S2步骤具体为采用图像处理软件对S1步骤扫描结果进行三维重构、调整图像的阈值、消除图像的噪点和图像分割，获得单个颗粒的三角网格。
优选地，所述S3步骤中，所述三维背景网格节点集包括多个三维背景网格节点。
优选地，所述S4步骤中，所述扫描平面垂直于三维背景网格节点集的X轴。
优选地，所述S5步骤中，所述扫描平面以固定步长或变步长沿三维背景网格节点集的X轴进行扫描。
优选地，所述扫描平面每前进一步都进行一次三维背景网格节点集中的坐标点位置分析与切割，只保留扫描平面、三角网格和三维背景网格节点集三者重合的重合平面坐标。
优选地，所述S5步骤中，所述重合平面坐标确定方法包括；
S81、使用边界搜索算法确定重构颗粒结构外边界；
S82、使用射线算法判断背景网格坐标点的位置。
优选地，所述S81步骤具体为，对于给定的重合平面上的颗粒边界离散点S，采用一个半径α的圆绕离散点S滚动，当α足够小时，该圆会在离散点之间滚动；若适当增大α的长度，则存在一个圆只在其外边界点上滚动，所述圆滚动的路径为砂颗粒外边界。
优选地，所述S82步骤具体为对三维背景网格节点在边界内外进行判断，所述判断依据为：如果一点在砂颗粒平面内，则从该点出发至无线远处的一条射线与该颗粒边界的交点个数为奇数；如果一点在砂颗粒平面外部，则从该点出发的射线与颗粒边界的交点为偶数。
本申请的优点和效果如下：
1、本发明提出了一种全新的离散元模型构建方法，采用有限差分思想对颗粒的模型进行剖分，采用边界搜索算法对颗粒边界进行重构，采用射线算法实现点位置的判断；而且本方法不限制颗粒的形状，对于凹多边形也有较好的效果，能够真实还原构建模型。
2、本方法通过调节扫描步长实现模型的精度控制，同时采用了全新的建模方法，建模思路明确，采用的方法具有广泛的适用性，创造性的实现了离散元模型的快速建模，大幅度的提升了计算速度。
3、本发明提供的方法能够实现数倍于现有技术提供的重叠颗粒数量，除建立砂颗粒离散元模型外，还可实现结构体模型的建立。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
根据下文结合附图对本申请具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述及其他目的、优点和特征。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，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。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明提供的一种真实珊瑚砂颗粒离散元模型的构建方法提供的扫描平面图；
图2为本发明提供的一种真实珊瑚砂颗粒离散元模型的构建方法提供的边界搜索算法图；
图3为本发明提供的一种真实珊瑚砂颗粒离散元模型的构建方法提供的射线算法图；
图4为本发明提供的一种真实珊瑚砂颗粒离散元模型的构建方法提供的砂颗粒离散元模型；
图5为本发明提供的一种真实珊瑚砂颗粒离散元模型的构建方法提供的模型与三维设计的对比。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本申请的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本申请的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，实施例中省略了对已知功能和构造的描述。
应该理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“本实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“一个实施例”或“本实施例”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。
此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身并不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
本文中术语“至少一种”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和B的至少一种，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含。
实施例1
本实施例主要介绍一种真实珊瑚砂颗粒离散元模型的构建方法的具体实施方案。
一种真实珊瑚砂颗粒离散元模型的构建方法，其包括；
S1、对砂颗粒的堆积体进行扫描；
S2、获取单个砂颗粒的三维表面形貌，形成砂颗粒的三角网格；
S3、建立三维背景网格节点集，并将砂颗粒的三角网格放置在三维背景网格节点集中；
S4、建立扫描平面；
S5、使用扫描平面进行扫描，获取砂颗粒的坐标集合；
S6、根据砂颗粒的坐标集合构建真实珊瑚砂颗粒离散元模型。
进一步的，所述S1步骤对砂颗粒的堆积体进行扫描采用的方式包括高精度CT扫描和激光扫描。
进一步的，所述S2步骤具体为采用图像处理软件对S1步骤扫描结果进行三维重构、调整图像的阈值、消除图像的噪点和图像分割，获得单个颗粒的三角网格。
进一步的，所述S3步骤中，所述三维背景网格节点集包括多个三维背景网格节点。
所述三维背景网格节点集建立方法为根据砂颗粒的长、宽、高，建立一个三维背景网格节点集R，该节点集的大小能够覆盖砂颗粒的三角网格。
进一步的，所述S4步骤中，所述扫描平面垂直于三维背景网格节点集的X轴。
进一步的，所述S5步骤中，具体扫描结构请参考图1，图1为本发明提供的一种真实珊瑚砂颗粒离散元模型的构建方法提供的扫描平面图；所述扫描平面以固定步长或变步长沿三维背景网格节点集的X轴进行扫描。
进一步的，所述扫描平面每前进一步都进行一次三维背景网格节点集中的坐标点位置分析与切割，只保留扫描平面、三角网格和三维背景网格节点集三者重合的重合平面坐标。
任意选取一个扫描面，该扫描面上同时存在背景网格点和砂颗粒的边界点，根据前述建模思路，边界点内的背景网格点保留，而边界外的网格点进行删除。
本方法提出了一种全新的离散元模型构建方法，采用有限差分思想对颗粒的模型进行剖分，采用边界搜索算法对颗粒边界进行重构，采用射线算法实现点位置的判断；而且本方法不限制颗粒的形状，对于凹多边形也有较好的效果，能够真实还原构建模型。
本方法通过调节扫描步长实现模型的精度控制，同时采用了全新的建模方法，建模思路明确，采用的方法具有广泛的适用性，创造性的实现了离散元模型的快速建模，大幅度的提升了计算速度。
本发明提供的方法能够实现数倍于现有技术提供的重叠颗粒数量，除建立砂颗粒离散元模型外，还可实现结构体模型的建立。
实施例2
基于上述实施例１，本实施例主要介绍了一种真实珊瑚砂颗粒离散元模型的构建方法中S5步骤的重合平面坐标确定方法和效果验证。
所述S5步骤中，所述重合平面坐标确定方法包括；
S81、使用边界搜索算法确定重合平面结构外边界；
S82、使用射线算法判断坐标。
进一步的，所述S81步骤可以参考图2，图2为本发明提供的一种真实珊瑚砂颗粒离散元模型的构建方法提供的边界搜索算法图；具体为，对于给定的重合平面上的离散点S，采用一个半径α的圆绕离散点S滚动，当α足够小时，该圆会在离散点之间滚动；若适当增大α的长度，则存在一个圆只在其外边界点上滚动，所述圆滚动的路径为砂颗粒结构外边界。
进一步的，所述S82步骤可以参考图3，图3为本发明提供的一种真实珊瑚砂颗粒离散元模型的构建方法提供的射线算法图；具体为对三维背景网格节点在边界内外进行判断，所述判断依据为：如果一点在结构边界内，则从该点出发至无线远处的一条射线与该重合平面的交点个数为奇数，如R5交点为1或3个，在平面内；如果一点在结构边界外部，则从该点出发的射线与结构边界的交点为偶数，如JP2交点为2个，在平面外。
其效果验证请参考图4，图4为本发明提供的一种真实珊瑚砂颗粒离散元模型的构建方法提供的砂颗粒离散元模型；从图4中可以看出，随着颗粒数量的增加，砂颗粒的形状逐渐接近于真实的颗粒形貌。在堆积颗粒为1118粒时，颗粒的形貌与真实砂颗粒已经较为接近；当堆积颗粒达到3117粒时，重构的砂颗粒表面已经能对真实砂颗粒表面的凸起和凹陷部分进行较为准确的描述；当堆积颗粒为12120时，重构的砂颗粒与天然颗粒已经非常接近，砂颗粒表面的尖锐部分和凸起部分较精确的表现出来，整体的颗粒形状与真实的颗粒形状已经非常接近。因此本申请提高的技术方案可以完美的实现模型的凹凸不同形状的构建。
实施例３
基于上述实施例2，本实施例主要介绍一种真实珊瑚砂颗粒离散元模型的构建方法的其他用途。
在进行离散元数值模拟建模时，常需要采用球形颗粒构造不同的结构物，尤其是一些较复杂的模型的建立，如搅拌器、桩、管道等模型，但是对于不善于编程的使用者来说是比较困难的。而采用三维建模软件可以很快速的构建复杂的三维结构物，因此基于可视化的三维图形交互建模软件往往被很多研究者所掌握。目前，主流的三维建模软件均可实现将三维模型保存为STL文件格式，因此，本方法除了可以用作构建真实的颗粒形状，还可将三维建模软件生成的模型转化为离散元模型，降低了离散元软件使用者的学习难度。如图5所示，图5为本发明提供的一种真实珊瑚砂颗粒离散元模型的构建方法提供的模型与三维设计的对比。
左边是采用三维建模软件所生成的离散元模型，右边为本方法生成的离散元模型。通过比较，可以直观的发现本方法生成的结构物效果较好。因此本申请还可以将三维建模软件生成的模型转化为离散元模型，提高模拟的精准性，
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，其并非因此限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，通过常规的替代或者能够实现相同的功能在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和参数变更均落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种真实珊瑚砂颗粒离散元模型的构建方法，其特征在于，其包括；
S1、对砂颗粒的堆积体进行扫描；
S2、获取单个砂颗粒的三维表面形貌，形成砂颗粒的三角网格；
S3、建立三维背景网格节点集，并将砂颗粒的三角网格放置在三维背景网格节点集中；
S4、建立扫描平面；
S5、使用扫描平面进行扫描，获取砂颗粒的坐标集合；所述扫描平面每前进一步都进行一次三维背景网格节点集中的坐标点位置分析与切割，只保留扫描平面、三角网格和三维背景网格节点集三者重合的重合平面坐标；
S6、根据砂颗粒的坐标集合构建真实珊瑚砂颗粒离散元模型。
2.根据权利要求1所述的一种真实珊瑚砂颗粒离散元模型的构建方法，其特征在于，所述S1步骤对砂颗粒的堆积体进行扫描采用的方式包括高精度CT扫描和激光扫描。
3.根据权利要求1所述的一种真实珊瑚砂颗粒离散元模型的构建方法，其特征在于，所述S2步骤具体为采用图像处理软件对S1步骤扫描结果进行三维重构、调整图像的阈值、消除图像的噪点和图像分割，获得单个颗粒的三角网格。
4.根据权利要求1所述的一种真实珊瑚砂颗粒离散元模型的构建方法，其特征在于，所述S3步骤中，所述三维背景网格节点集包括多个三维背景网格节点。
5.根据权利要求1所述的一种真实珊瑚砂颗粒离散元模型的构建方法，其特征在于，所述S4步骤中，所述扫描平面垂直于三维背景网格节点集的X轴。
6.根据权利要求1所述的一种真实珊瑚砂颗粒离散元模型的构建方法，其特征在于，所述S5步骤中，所述扫描平面以固定步长或变步长沿三维背景网格节点集的X轴进行扫描。
7.根据权利要求1所述的一种真实珊瑚砂颗粒离散元模型的构建方法，其特征在于，所述S5步骤中，所述重合平面坐标确定方法包括；
S81、使用边界搜索算法确定重合平面结构外边界；
S82、使用射线算法判断坐标。
8.根据权利要求7所述的一种真实珊瑚砂颗粒离散元模型的构建方法，其特征在于，所述S81步骤具体为，对于给定的重合平面上的离散点S，采用一个半径α的圆绕离散点S滚动，当α足够小时，该圆会在离散点之间滚动；若适当增大α的长度，则存在一个圆只在其外边界点上滚动，所述圆滚动的路径为重合平面结构外边界。
9.根据权利要求7所述的一种真实珊瑚砂颗粒离散元模型的构建方法，其特征在于，所述S82步骤具体为对三维背景网格节点在边界内外进行判断，所述判断方法为：如果一点在重合平面内，则从该点出发至无限远处的一条射线与该重合平面的交点个数为奇数；如果一点在重合平面外部，则从该点出发的射线与重合平面的交点为偶数。
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基于CT扫描的不规则外形颗粒三维离散元建模;杜 欣 等;《上海交通大学学报》;20110531;第711-715页 *

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