CN115050431A - 一种水泥稳定再生集料的三维细观结构的建模分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水泥稳定再生集料的三维细观结构的建模分析方法，包括步骤：拟定模型的形状和尺寸；拟定所述模型中各粒径范围内颗粒相的体积之和与颗粒数目；生成所有粒径范围内的颗粒模型；将颗粒模型压缩至实际尺寸；将模型空间离散为物质点；赋予各物质点以材料属性；随机删除基体相粒子。该方法适用于构建考虑水泥稳定再生集料三维细观结构特征的物质点类的数值模型，尤其是在高骨料掺量的情况下，克服了一般随机骨料模型投放成功率低的缺点，可保证粒间接触紧密，该方法可方便地生成指定级配和颗粒形状的水泥稳定再生集料，量化评价其颗粒骨架结构和空隙特征。

Description

一种水泥稳定再生集料的三维细观结构的建模分析方法
技术领域
本发明属于计算材料学领域，尤其涉及一种水泥稳定再生集料的三维细观结构的建模分析方法。
背景技术
在细观尺度上，水稳建筑垃圾再生集料由天然碎石与砖粉碎料等多种骨料、砂浆、界面过渡区和孔隙组成。具有材料类型多样、骨料含量高、颗粒形状复杂、级配宽等细观结构特征，其宏观层次上的复杂变形及力学响应是其细观乃至微观组成与结构的体现。另外，水泥砂浆是一种多相材料混合物，在微观层次上，硬化浆体包含有水化产物、毛细孔隙、未水化颗粒等物相，其材料属性在空间上的分布存在随机性。水稳建筑垃圾再生集料强度主要来源于骨料颗粒间的嵌挤锁结，同时有足够的灰浆体积来填充骨料之间的空隙。
当前水稳建筑垃圾再生集料的细观非均质数值模型主要通过随机投放法和Voronoi法来实现，然而这两种方法难以生成同时满足致密度要求与颗粒形态不规则的颗粒堆积结构，其也往往忽略砂浆粘结材料的细观非均质特性，而简单地将其看作是一种均质体。
因此，建立充分考虑骨料细观结构特征和水泥砂浆材料内部非均质特性的精细化三维细观结构模型是研究水稳建筑垃圾再生集料力学性能的重要基础。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种水泥稳定再生集料的三维细观结构的建模分析方法，借助颗粒离散元数值模拟，可以得到与真实材料一致的粒度分布与全局孔隙率，并能准确地表征水稳建筑垃圾再生集料内部孔隙空间分布特征与颗粒接触关系，具有原理简单、适用性广、计算效率高等特点。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：本发明提供一种水泥稳定再生集料的三维细观结构的建模分析方法，包括步骤：
S1，确定欲构建的不规则形态颗粒集合体的实际尺寸与膨胀系数；
S2，采用配点法将步骤S1中拟定的所述实际尺寸模型离散成配置点位于中心且网格均匀的立方体子域，并将所述立方体子域中所有物质点的材料分组编号初始化为第一预设值；
S3，根据预定的级配，确定i~j尺寸范围内颗粒的个数N(i-j)以及N(i-j)个所述颗粒相的体积之和V(i-j)，其中，
Figure 1553DEST_PATH_IMAGE001
；
S4，根据所述实际尺寸以及所述膨胀系数，在膨胀后的模型空间内，利用PFC3D软件随机生成等效直径在i~j尺寸范围内均匀分布的N(i-j)个球形或非球形颗粒模型，且各个颗粒均不与周围的颗粒产生重叠；
S5，在
Figure 574485DEST_PATH_IMAGE002
范围内，重复所述步骤S3和S4，生成所有粒径范围内的所述颗粒模型；
S6，利用所述PFC3D软件对加载板以预设的竖直向下的速度，使所述膨胀后的模型空间压缩至符合步骤S1中的所述实际尺寸，得到第一压缩模型；
S7，在所述PFC3D软件中对所述加载板以预设的的竖直向下的荷载，对所述第一压缩模型进行模拟压缩，利用PFC3D软件中的solve命令迭代求解至平衡状态，获得压缩后的第二压缩模型，并在所述第二压缩模型内确定每个所述颗粒模型的颗粒信息，所述颗粒信息包括颗粒ID、质心坐标、半径和分组编号信息；
S8，针对每个所述颗粒模型，查找距离指定的所述颗粒模型的质心坐标指定半径范围内的物质点，通过递归操作完成每个所述物质点的材料分组编号的指派；
S9，采用蒙特卡洛方法随机删除所述物质点中材料分组编号为所述初始化的第一预设值的代表基体相的物质点，且基体相粒子的最小接触数不小于3，以获得最终的所述不规则形态颗粒集合体模型。
可选的，步骤S2中，将所述实际尺寸模型离散成配置点位于中心且网格均匀的立方体子域的方法，包括步骤：
S21，按照比例设定所述实际尺寸模型沿X方向、Y方向和Z方向上的所述物质点的个数，所述物质点的大小等于所述实际尺寸模型的高度除以所述实际尺寸模型沿Z方向上的物质点的个数；
S22，通过递归实现所述物质点空间坐标的分配，保证相邻的所述物质点之间的距离等于所述物质点的大小；
S23，使用代数表达式制作过滤器，通过布尔运算过滤出特定空间范围内的物质点；
S24，定义一个元素个数等于步骤S23在所述实际尺寸模型的所述物质点个数且数值均为“0”的一维数组作为所述材料属性的标识；其中，“0”为所述第一预设值，代表基体相粒子。
可选的，步骤S4中，所述随机生成等效直径在i~j尺寸范围内均匀分布的N(i-j)个球形或非球形颗粒模型的获得方法，包括步骤：
S31，根据所述预定的级配，获得i~j尺寸范围内颗粒相的体积之和V(i-j)，将所述V(i-j)除以直径为(i+j)/2的球体的体积，进行四舍五入运算得到该i~j尺寸范围内颗粒的个数N(i-j)；
S32，在所述膨胀后的模型空间内，随机选取一个点，并以该点为质心生成一个等效直径在所述i~j尺寸范围内均匀分布的候选颗粒；
S33，判断步骤S32中得到的候选颗粒是否与先前生成的颗粒产生重叠，若是，则删除该候选颗粒并返回和重复所述步骤S32，若否，则进入步骤S34,；
S34，判断步骤S33中的所述候选颗粒是否与所述膨胀后的模型空间边界产生重叠，若是，则删除该候选颗粒并返回和重复所述步骤S32；
S35，判断当前i~j尺寸范围内颗粒的个数是否达到N(i-j)，若否，则返回和重复所述步骤S32。
4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤S33中，在所述候选颗粒的小球的球心与其他已经存在的小球的球心的空间距离小于两小球的半径之和时，确定所述候选颗粒与先前生成的颗粒产生重叠。
5、根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤S34中，在所述候选颗粒的小球的球心到组成所述膨胀后的模型空间的墙体的空间距离小于小球的半径时，确定所述候选颗粒与所述膨胀后的模型空间边界产生重叠。
6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S6包括步骤：在所述PFC3D软件中对所述加载板施加预设的竖直向下的速度来模拟压缩作用，根据所述实际尺寸和膨胀系数确定所述加载板的压缩距离；
再根据所述加载板的运动速度进一步确定计算所需的时间步；
当计算达到所述时间步后，清除所述加载板的运动速度。
7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S7中包括步骤：
将作用在顶部边界约束上的合力除以相应的作用面积作为约束应力来确定所述第一压缩模型的的应力状态，通过调整顶部边界约束的速度控制约束应力保持不变，实现对所述第一压缩模型所施加的以预设的竖直向下的荷载的应力加载；
当平均不平衡力与合力之比小于1.0×10-5时，确认所述第一压缩模型求解至收敛，达到平衡状态，获得压缩后的所述第二压缩模型。
8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S9包括：将所述物质点中材料分组编号为所述初始化的第一预设值的代表所述基体相粒子的质心坐标作为查询点，所述基体相粒子的直径作为查询半径，采用Kd树算法确定每个所述基体相粒子的接触状态，输出邻居列表的长度的最小值作为最小接触数；
根据基体相含量计算得到所述基体相粒子的个数，采用蒙特卡洛算法随机删除代表所述基体相粒子的物质点，并更新邻居列表，并保证最小接触数不小于3。
9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设的的竖直向下的速度为0.5~2 mm/s，所述预设的的竖直向下的荷载为8-12 kN。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
（1）通过组合逻辑运算符与代数表达式可以快速、方便地修整、组装得到特定形状的模型空间，表达方法简洁，灵活性强。
（2）由于各颗粒模型是在随机点生成的，因此能够保证颗粒空间分布的均匀性。
（3）由于各颗粒模型是在膨胀后的模型空间内生成，因此容易找到足够数量的符合条件的随机点来生成颗粒模型，克服了随机投放法计算时间长、颗粒投放成功率低的缺陷。
（4）由于第一压缩模型是在加载板的压缩作用下达到实际尺寸的，因此能够保证颗粒集合体的压实度（全局孔隙率）与真实材料一致。通过改变加载板的伺服应力，可以方便地调节颗粒材料的密实程度，解决了随机投放法不能获得致密颗粒堆积结构的问题。
（5）能够按预定的级配生成各种不规则形态颗粒集合体模型，解决了Voronoi法不能用于凹形颗粒和较难控制颗粒级配等问题。
（6）通过Kd树算法完成物质点材料分组编号的指派与基体相粒子邻居列表的构建，相较于传统的穷尽搜索法（也称为线性扫描法，即将数据集中的点与查询点逐一进行距离比较），该方法通过建立有效的索引结构可以大大加快检索的速度。
（7）通过随机删除基体相粒子（即材料标识为“0”的物质点）生成骨料颗粒之间的空隙，并且通过设定最小接触数保证空间中的基体相粒子不处于悬浮状态，因此本发明所建立的数值模型可以准确表征真实材料内部的孔隙空间分布特征。
（8）本发明所建立的数值模型无需定义内聚区单元（cohesive zone element）或着引入额外的节点自由度和局部强化函数（enrichment function），可以方便地模拟材料内部微缺陷（损伤）演化与宏观裂纹的萌生和扩展，后续可以采用分子动力学或近场动力学理论进行力学计算，并可推广应用于物质点法、光滑粒子流体动力学等无网格方法。
附图说明
图1是本发明一实施例中的将实际尺寸模型均匀离散成物质点后的结构示意图；
图2是本发明一实施例中的在膨胀后的模型空间内随机生成颗粒示意图；
图3是本发明一实施例中的颗粒模型压缩至实际尺寸后不同粒径范围内颗粒的空间分布示意图；
图4是本发明一实施例中的包含所有颗粒信息的文本文件截图；
图5是本发明一实施例中的将颗粒和基体划分为物质点并随机生成空隙后的等轴测视图；
图6是本发明一实施例中的具有不同细观结构特征的模型切面；
图7是本发明一实施例中的水泥稳定再生集料的三维细观结构的建模分析方法的流程示意图。
其中，1-实际尺寸的模型空间，2-膨胀后的模型空间，3-颗粒模型，4-加载板。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
请一并结合图1-6，本发明提供一种水泥稳定再生集料的三维细观结构的建模分析方法，包括步骤：
S1，确定欲构建的不规则形态颗粒集合体的实际尺寸与膨胀系数。
具体的，所述欲构建的不规则形态颗粒集合体的模型的实际尺寸和膨胀系数的拟定，即为确定欲生成的颗粒模型的空间范围。
S2，采用配点法将步骤S1中拟定的所述实际尺寸模型离散成配置点位于中心且网格均匀的立方体子域，并将所述立方体子域中所有物质点的材料分组编号初始化为第一预设值。
具体的，采用配点法将步骤S1中拟定的所述实际尺寸模型离散成配置点位于中心且网格均匀的立方体子域，并将所述立方体子域中所有物质点的材料编号初始化为第一预设值“0”。
S3，根据预定的级配，确定在所述预定的级配范围内的i~j尺寸范围内颗粒的个数N(i-j)，其中，
Figure 885381DEST_PATH_IMAGE003
，I为所述预定的级配范围内的最大粒径。
可以理解的是，级配定义了不同筛孔的过筛率，即可获得不同粒径区间的颗粒的百分比例，即体积之和；不同粒径区间内颗粒的个数N(i-j)则可以通过平均尺寸与体积总和进行估算。
S4，根据所述实际尺寸模型以及所述膨胀系数，在膨胀后的模型空间内，利用PFC3D软件随机生成等效直径在i~j尺寸范围内均匀分布的N(i-j)个球形或非球形的颗粒模型，且各个颗粒均不与周围的颗粒产生重叠。
具体的，根据所述实际尺寸以及所述膨胀系数，在膨胀后的模型空间内，利用PFC3D软件中的ball generate或clump generate命令随机生成等效直径（即体积相同球体的直径）在i~j尺寸范围内均匀分布的N(i-j)个球形或非球形颗粒模型，各个颗粒均不与周围的颗粒产生重叠。
S5，在
Figure 687115DEST_PATH_IMAGE004
范围内，重复所述步骤S3和S4，生成所有粒径范围内的所述颗粒模型。
S6，利用所述PFC3D软件对加载板以预设的竖直向下的速度，使所述膨胀后的模型空间压缩至符合步骤S1中的所述实际尺寸，得到第一压缩模型。
S7，在所述PFC3D软件中对所述加载板以预设的的竖直向下的荷载，对所述第一压缩模型进行模拟压缩，并经系统求解至平衡状态，获得压缩后的第二压缩模型，，并在所述第二压缩模型内确定每个所述颗粒模型的颗粒信息，所述颗粒信息包括颗粒ID、质心坐标、半径和分组编号信息。
具体的，在所述PFC3D软件中对所述加载板以预设的的竖直向下的荷载，对所述第一压缩模型进行模拟压缩后，利用PFC3D软件中的solve命令迭代求解至平衡状态，获得压缩后的第二压缩模型。
压缩后的第二压缩模型中所述颗粒信息包括颗粒ID、质心坐标、半径和材料分组编号的信息。具体来说，每个颗粒模型均根据预定的级配预设有代表的的材料成分（材料分组编号）以及尺寸（即半径），根据在压缩后的第二模型空间内的生成位置对应有质心坐标，并且为每个颗粒模型对应设置一个唯一的ID。其中，例如，所述材料分组编号可以是“1”-碎石颗粒，“2”-砂浆颗粒，“3”-红砖颗粒等。
S8，针对压缩后的第二压缩模型的每个所述颗粒模型，查找距离一个所述颗粒模型的质心坐标指定半径范围内的物质点，通过对每个所述颗粒模型进行递归操作完成每个所述物质点的材料分组编号的指派；
S9，采用蒙特卡洛方法随机删除所述物质点中材料分组编号为所述初始化的第一预设值的代表基体相的物质点，且基体相粒子的最小接触数不小于3，以获得最终的所述不规则形态颗粒集合体模型。
可选的，步骤S2中，将所述实际尺寸模型离散成配置点位于中心且网格均匀的立方体子域的方法，包括步骤：
S21，按照比例设定所述实际尺寸模型沿X方向、Y方向和Z方向上的所述物质点的个数，所述物质点的大小等于所述实际尺寸模型的高度除以所述实际尺寸模型沿Z方向上的物质点的个数；
S22，通过递归实现所述物质点空间坐标的分配，保证相邻的所述物质点之间的距离等于所述物质点的大小；
S23，使用代数表达式制作过滤器，通过布尔运算过滤出特定空间范围内的物质点即切割模型；
S24，定义一个元素个数等于步骤S23在所述实际尺寸模型的所述物质点个数且数值均为“0”的一维数组作为所述材料属性的标识；其中，“0”为所述第一预设值，代表基体相粒子。
可选的，步骤S4中，所述随机生成等效直径在i~j尺寸范围内均匀分布的N(i-j)个球形或非球形颗粒模型的获得方法，包括步骤：
S31，根据所述预定的级配，获得i~j尺寸范围内颗粒相的体积之和V(i-j)，将所述V(i-j)除以直径为(i+j)/2的球体的体积，进行四舍五入运算得到该i~j尺寸范围内颗粒的个数N(i-j)；
S32，在所述膨胀后的模型空间内，随机选取一个点，并以该点为质心生成一个等效直径在所述i~j尺寸范围内均匀分布的候选颗粒；
S33，判断步骤S32中得到的候选颗粒是否与先前生成的颗粒产生重叠，若是，则删除该候选颗粒并返回和重复所述步骤S32，若否，则进入步骤S34,；
S34，判断步骤S33中的所述候选颗粒是否与所述膨胀后的模型空间边界产生重叠，若是，则删除该候选颗粒并返回和重复所述步骤S32；
S35，判断当前i~j尺寸范围内颗粒的个数是否达到N(i-j)，若否，则返回和重复所述步骤S32。
可选的，所述步骤S33中，在所述候选颗粒的小球的球心与其他已经存在的小球的球心的空间距离小于两小球的半径之和时，确定所述候选颗粒与先前生成的颗粒产生重叠。
可选的，所述步骤S34中，在所述候选颗粒的小球的球心到组成所述膨胀后的模型空间的墙体的空间距离小于小球的半径时，确定所述候选颗粒与所述膨胀后的模型空间边界产生重叠。
可选的，所述步骤包括步骤：在所述PFC3D软件中对所述加载板施加预设的竖直向下的速度来模拟压缩作用，根据所述实际尺寸和膨胀系数确定所述加载板的压缩距离；
再根据所述加载板的运动速度进一步确定计算所需的时间步；
当计算达到所述时间步后，清除所述加载板的运动速度。
可选的，所述步骤S7中包括步骤：
将作用在顶部边界约束上的合力除以相应的作用面积作为约束应力来确定所述第一压缩模型的的应力状态，通过调整顶部边界约束的速度控制约束应力保持不变，实现对所述第一压缩模型所施加的以预设的竖直向下的荷载的应力加载；
当平均不平衡力与合力之比小于
Figure 32646DEST_PATH_IMAGE005
时，确认所述第一压缩模型求解至收敛，达到平衡状态，获得压缩后的所述第二压缩模型。
可选的，所述步骤S8包括：针对每个所述颗粒模型，将组成所述颗粒模型的小球的球心的质心坐标作为查询点，小球的半径作为所述指定半径范围的领域半径，采用Kd树算法查找所述查询点周围领域半径内的所有邻居物质点，根据所述物质点对应的颗粒模型的材料分组编号，为该物质点指派对应的材料分组编号。
具体的，将组成所述颗粒模型的小球的球心作为查询点，小球的半径作为领域半径，采用Kd树算法查找查询点周围指定领域半径内的所有邻居物质点，输出邻居物质点的索引和分组编号，并根据上述信息更新材料标识；其中，基体相的材料标识为“0（即第一预设值）”，颗粒相的材料标识为“1, 2, 3, ..., n”，n为正整数。
可选的，所述步骤9包括：将所述物质点中材料分组编号为所述初始化的第一预设值的代表所述基体相粒子的质心坐标作为查询点，所述基体相粒子的直径作为查询半径，采用Kd树算法确定每个所述基体相粒子的接触状态，输出邻居列表的长度的最小值作为最小接触数；
根据基体相含量计算得到所述基体相粒子的个数，采用蒙特卡洛算法随机删除代表所述基体相粒子的物质点，并更新邻居列表，并保证最小接触数不小于3。
可选的，所述预设的的竖直向下的速度为0.5~2 mm/s，所述预设的的竖直向下的荷载为8-12 kN。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
通过组合逻辑运算符与代数表达式可以快速、方便地修整、组装得到特定形状的模型空间，表达方法简洁，灵活性强。
由于各颗粒模型是在随机点生成的，因此能够保证颗粒空间分布的均匀性。
由于各颗粒模型是在膨胀后的模型空间内生成，因此容易找到足够数量的符合条件的随机点来生成颗粒模型，克服了随机投放法计算时间长、颗粒投放成功率低的缺陷。
由于第一压缩模型是在加载板的压缩作用下达到实际尺寸的，因此能够保证颗粒集合体的压实度（全局孔隙率）与真实材料一致。通过改变加载板的伺服应力，可以方便地调节颗粒材料的密实程度，解决了随机投放法不能获得致密颗粒堆积结构的问题。
能够按预定的级配生成各种不规则形态颗粒集合体的模型，解决了Voronoi法不能用于凹形颗粒和较难控制颗粒级配等问题。
通过Kd树算法完成物质点材料分组编号属性的指派与基体相粒子邻居列表的构建，相较于传统的穷尽搜索法（也称为线性扫描法，即将数据集中的点与查询点逐一进行距离比较），该方法通过建立有效的索引结构可以大大加快检索的速度。
通过随机删除基体相粒子（即材料标识为“0”的物质点）生成骨料颗粒之间的空隙，并且通过设定最小接触数保证空间中的基体相粒子不处于悬浮状态，因此本发明所建立的数值模型可以准确表征真实材料内部的孔隙空间分布特征。
本发明所建立的数值模型无需定义内聚区单元（cohesive zone element）或着引入额外的节点自由度和局部强化函数（enrichment function），可以方便地模拟材料内部微缺陷（损伤）演化与宏观裂纹的萌生和扩展，后续可以采用分子动力学或近场动力学理论进行力学计算，并可推广应用于物质点法、光滑粒子流体动力学等无网格方法。
以下以一个具体的实例和参数来说明本发明的一种水泥稳定再生集料三维细观结构的建模方法。包括以下步骤：
（1）拟定模型的实际尺寸为Ф150 mm ×150 mm，膨胀系数为3，即确定生成颗粒的空间范围2是一个直径为150 mm，高度为450 mm的圆柱形区域；
（2）采用配点法将（1）中拟定的计算域（实际尺寸模型）离散成配置点位于中心且网格均匀的立方体子域，并将所述立方体子域中所有物质点初始化为“0”，如图1所示；
其中，将实际尺寸模型离散成均匀分布的物质点（即配置点位于中心且网格均匀的立方体子域）的方法，包括如下步骤：
a、按照比例设定实际尺寸模型沿X方向、Y方向和Z方向上的物质点的个数均为75，使得物质点的大小等于实际尺寸模型的高度除以模型沿Z方向上的物质点的个数；
b、通过递归实现物质点空间坐标的分配，保证相邻物质点之间的距离等于物质点的大小，即Δx = 2 mm；
c、使用代数表达式“coord(:,1).^2 + coord(:,2).^2 <= Radius^2”制作过滤器，通过布尔运算（逻辑运算）过滤出特定空间范围1内的物质点，即切割模型；
d、定义一个元素个数等于步骤c所述模型的物质点个数且数值均为“0”的一维数组作为材料标识，其中“0”代表基体相粒子。
（3）根据如表1和表2所示的级配，确定各粒径范围内颗粒相的体积之和V(i-j)，以及设定i~j尺寸范围内颗粒的个数N(i-j)；
表1 某水泥稳定再生集料试件的骨料级配
Figure 510900DEST_PATH_IMAGE007
表2 各档粒径范围内颗粒相的体积之和与个数
Figure 309092DEST_PATH_IMAGE009
（4）在膨胀后的模型空间2内，利用PFC3D软件中的ball generate命令随机生成直径在i~j尺寸范围内均匀分布的N(i-j)个球形颗粒模型3，各个颗粒均不与周围的颗粒产生重叠；根据所述预定的级配确定所述颗粒模型的颗粒ID、质心坐标、半径和分组编号等信息；
其中，i~j尺寸范围内的若干个球形颗粒模型3的生成方法，包括如下步骤：
a、将i~j尺寸范围内颗粒相的体积之和V(i-j)除以直径为(i+j)/2的球体的体积，进行四舍五入运算得到该尺寸范围内颗粒的个数N(i-j)如表2所示；
b、在膨胀后的模型空间2内，随机选取一个点，并以该点为质心生成一个直径在i~j尺寸范围内均匀分布的候选颗粒；
c、判断步骤b中得到的候选颗粒是否与先前生成的颗粒产生重叠，若是，则删除该候选颗粒并重复步骤b-c；
d、判断步骤c所述候选颗粒是否与模型边界产生重叠，若是，则删除该候选颗粒并重复步骤b-d；
e、判断当前i~j尺寸范围内颗粒的个数是否达到N(i-j)，若不是，则重复步骤b-e。
（5）重复步骤（3）和（4），按照粒径从大到小的顺序依次生成所有粒径范围内的颗粒模型，如图2所示；
（6）对加载板4（即顶部墙体）施加大小为1 mm/s的竖直向下的速度，使膨胀后的模型空间2压缩至符合步骤（1）中预定的实际尺寸；
（7）根据伺服控制原理对加载板4施加10 kN的竖直向下的荷载，经一定时间压缩后（即系统求解至平衡状态）使材料达到充分密实的状态。图3为PFC3D模型最终生成的不同粒径范围内的球形颗粒；
（8）将步骤（7）所述颗粒模型的颗粒ID、质心坐标、半径和分组编号等信息导出至文本文件中，其中的一行表示一个颗粒的信息，如图4所示；
（9）读取步骤（8）所述颗粒信息，采用Kd树（K-dimensional tree）针对每个所述颗粒模型，将组成所述颗粒模型的小球的球心的质心坐标作为查询点，小球的半径作为所述指定半径范围的领域半径，查找所述查询点周围领域半径内的所有邻居物质点，通过递归操作完成所述颗粒模型材料编号的指派，即赋予物质点相对应的材料属性；
（10）如图5所示，采用蒙特卡洛方法随机删除代表基体相的物质点，使得基体相体积为
Figure 914517DEST_PATH_IMAGE010
，与真实材料一致，且基体相粒子的最小接触数不小于3。图6为具有不同细观结构特征的水泥稳定再生集料模型的横切面、矢状面、冠状面（过模型中心且平行于XY、YZ、XZ平面的切面）。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种水泥稳定再生集料的三维细观结构的建模分析方法，其特征在于：包括步骤：
S1，确定欲构建的不规则形态颗粒集合体的实际尺寸与膨胀系数；
S2，采用配点法将步骤S1中拟定的所述实际尺寸模型离散成配置点位于中心且网格均匀的立方体子域，并将所述立方体子域中所有物质点的材料分组编号初始化为第一预设值；
S3，根据预定的级配，确定在所述预定的级配范围内的i~j尺寸范围内颗粒的个数N(i-j)，其中，
Figure 285927DEST_PATH_IMAGE001
，I为所述预定的级配范围内的最大粒径；
S4，根据所述实际尺寸模型以及所述膨胀系数，在膨胀后的模型空间内，利用PFC3D软件随机生成等效直径在i~j尺寸范围内均匀分布的N(i-j)个球形或非球形的颗粒模型，且各个颗粒均不与周围的颗粒产生重叠；
S5，在
Figure 195301DEST_PATH_IMAGE002
范围内，重复所述步骤S3和S4，生成所有粒径范围内的所述颗粒模型；
S6，利用所述PFC3D软件对加载板以预设的竖直向下的速度，使所述膨胀后的模型空间压缩至符合步骤S1中的所述实际尺寸，得到第一压缩模型；
S7，在所述PFC3D软件中对所述加载板以预设的的竖直向下的荷载，对所述第一压缩模型进行模拟压缩，利用PFC3D软件中的solve命令迭代求解至平衡状态，获得压缩后的第二压缩模型，并在所述第二压缩模型内确定每个所述颗粒模型的颗粒信息，所述颗粒信息包括颗粒ID、质心坐标、半径和分组编号信息；
S8，针对压缩后的第二压缩模型的每个所述颗粒模型，查找距离一个所述颗粒模型的质心坐标指定半径范围内的物质点，通过对每个所述颗粒模型进行递归操作完成每个所述物质点的材料分组编号的指派；
S9，采用蒙特卡洛方法随机删除所述物质点中材料分组编号为所述初始化的第一预设值的代表基体相的物质点，且基体相粒子的最小接触数不小于3，以获得最终的所述不规则形态颗粒集合体模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S2中，将所述实际尺寸模型离散成配置点位于中心且网格均匀的立方体子域的方法，包括步骤：
S21，按照比例设定所述实际尺寸模型沿X方向、Y方向和Z方向上的所述物质点的个数，所述物质点的大小等于所述实际尺寸模型的高度除以所述实际尺寸模型沿Z方向上的物质点的个数；
S22，通过递归实现所述物质点空间坐标的分配，保证相邻的所述物质点之间的距离等于所述物质点的大小；
S23，使用代数表达式制作过滤器，通过布尔运算过滤出特定空间范围内的物质点；
S24，定义一个元素个数等于步骤S23在所述实际尺寸模型的所述物质点个数且数值均为“0”的一维数组作为所述材料属性的标识；其中，“0”为所述第一预设值，代表基体相粒子。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S4中，所述随机生成等效直径在i~j尺寸范围内均匀分布的N(i-j)个球形或非球形的颗粒模型的获得方法，包括步骤：
S31，根据所述预定的级配，获得i~j尺寸范围内颗粒相的体积之和V(i-j)，将所述V(i-j)除以直径为(i+j)/2的球体的体积，进行四舍五入运算得到该i~j尺寸范围内颗粒的个数N(i-j)；
S32，在所述膨胀后的模型空间内，随机选取一个点，并以该点为质心生成一个等效直径在所述i~j尺寸范围内均匀分布的候选颗粒；
S33，判断步骤S32中得到的候选颗粒是否与先前生成的颗粒产生重叠，若是，则删除该候选颗粒并返回和重复所述步骤S32，若否，则进入步骤S34,；
S34，判断步骤S33中的所述候选颗粒是否与所述膨胀后的模型空间边界产生重叠，若是，则删除该候选颗粒并返回和重复所述步骤S32；
S35，判断当前i~j尺寸范围内颗粒的个数是否达到N(i-j)，若否，则返回和重复所述步骤S32。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤S33中，在所述候选颗粒的小球的球心与其他已经存在的小球的球心的空间距离小于两小球的半径之和时，确定所述候选颗粒与先前生成的颗粒产生重叠。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤S34中，在所述候选颗粒的小球的球心到组成所述膨胀后的模型空间的墙体的空间距离小于小球的半径时，确定所述候选颗粒与所述膨胀后的模型空间边界产生重叠。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S6包括步骤：在所述PFC3D软件中对所述加载板施加预设的竖直向下的速度来模拟压缩作用，根据所述实际尺寸和膨胀系数确定所述加载板的压缩距离；
再根据所述加载板的运动速度进一步确定计算所需的时间步；
当计算达到所述时间步后，清除所述加载板的运动速度。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S7中包括步骤：
将作用在顶部边界约束上的合力除以相应的作用面积作为约束应力来确定所述第一压缩模型的的应力状态，通过调整顶部边界约束的速度控制约束应力保持不变，实现对所述第一压缩模型所施加的以预设的竖直向下的荷载的应力加载；
当平均不平衡力与合力之比小于
Figure 260209DEST_PATH_IMAGE003
时，确认所述第一压缩模型求解至收敛，达到平衡状态，获得压缩后的所述第二压缩模型。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S9包括：将所述物质点中材料分组编号为所述初始化的第一预设值的代表所述基体相粒子的质心坐标作为查询点，所述基体相粒子的直径作为查询半径，采用Kd树算法确定每个所述基体相粒子的接触状态，输出邻居列表的长度的最小值作为最小接触数；
根据基体相含量计算得到所述基体相粒子的个数，采用蒙特卡洛算法随机删除代表所述基体相粒子的物质点，并更新邻居列表，并保证最小接触数不小于3。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设的的竖直向下的速度为0.5~2mm/s，所述预设的的竖直向下的荷载为8-12 kN。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中具体包括，根据所述预定的级配，确定在所述预定的级配范围内的i~j尺寸范围内颗粒的体积之和V(i-j)，然后根据i~j尺寸范围内颗粒的体积之和V(i-j)估算确定i~j尺寸范围内颗粒的个数N(i-j)。
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