CN118133493B - 一种三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的构建方法、电子设备及存储介质 - Google Patents

一种三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的构建方法、电子设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

一种三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的构建方法、电子设备及存储介质，属于混凝土的细观建模技术领域。为提高混凝土细观建模的准确性，本发明设置三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的建模参数；进行球形骨料在三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型空间范围内的随机投放，在球形骨料的球面上构建三维凹凸多面体骨料的顶点，确定三维凹凸多面体骨料的平面连接方式；对三维凹凸多面体骨料的顶点进行随机波动，计算随机波动后的三维凹凸多面体骨料的体积，判断体积是否满足三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的参数，完成三维凹凸多面体混凝土随机骨料的投放；生成骨料部件与砂浆部件，得到三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型。

Description

一种三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的构建方法、电 子设备及存储介质
技术领域
本发明属于混凝土的细观建模技术领域，具体涉及一种三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的构建方法、电子设备及存储介质。
背景技术
随机骨料模型的模拟是混凝土数值模拟研究中的重要内容。其中，骨料的数值形态和级配投放研究是混凝土数值分析的重要环节，因为骨料这两方面的表现直接影响着混凝土的力学性能和耐久性。因此，建立更能反映混凝土真实骨料形态与级配要求的混凝土十分重要。
人们可以借助数字图像技术，提取粗骨料颗粒的形态特征，并借助三维图像重构混凝土的内部结构。然而，数字图像处理技术难度大且繁琐，三维模型的重构技术非常复杂，建模效率低，并且基于图像技术所建立的模型仅能用于分析己有材料，不能模拟材料的随机性。随机骨料模型具有灵活性大，随机性强等特点，得到了广泛性的应用。现有运用随机骨料模型的三维混凝土数值模拟研究，大多将骨料形状简化为球形、椭球型、凸多面体或其他规则的形状，且在投放骨料时对投放位置施加限定条件，如，申请号为202011415681.X、发明名称为“一种基于椭球体随机骨料的再生混凝土三维模型构建方法”的发明专利，生成的是椭球形的骨料，且通过将空间划分为均匀的格子来限定骨料的投放位置，然而目前混凝土中的骨料多为带棱角的碎石，形状更接近表面凹凸的多面体，且其在混凝土中的分布位置是随机的。
发明内容
本发明要解决的问题是提高混凝土细观建模的准确性，提出一种三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的构建方法、电子设备及存储介质。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的构建方法，包括如下步骤：
S1.根据混凝土骨料的筛分析试验，获得混凝土骨料的粒径分布范围数据及分布概率数据，设置三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的建模参数；
S2.基于步骤S1设置的三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的建模参数，在混凝土骨料粒径分布范围内随机生成初始骨料粒径；
S3.基于步骤S2随机生成的初始骨料粒径，随机生成球形骨料的中心点坐标，构建球形骨料相交判断函数并进行球形骨料在三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型空间范围内的随机投放；
S4.基于步骤S3得到的球形骨料在三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的随机投放，在球形骨料的球面上构建三维凹凸多面体骨料的顶点；
S5.基于步骤S4得到的球形骨料的球面上的三维凹凸多面体骨料的顶点，将球形骨料的球面上的三维凹凸多面体骨料的顶点每三个点进行排列组合，然后进行平面凸性判断，确定三维凹凸多面体骨料的平面连接方式；
S6.基于步骤S5得到的三维凹凸多面体骨料的平面连接方式，对三维凹凸多面体骨料的顶点进行随机波动，计算波动后的三维凹凸多面体骨料的平面连接方式，然后计算随机波动后的三维凹凸多面体骨料的体积，判断随机波动后的三维凹凸多面体骨料的体积是否满足三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的参数，完成三维凹凸多面体混凝土随机骨料的投放；
S7.基于步骤S6得到的三维凹凸多面体混凝土随机骨料，生成骨料部件与砂浆部件，对生成的骨料部件与砂浆部件采用布尔操作，得到三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型。
进一步的，步骤S1设置三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的建模参数包括三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的长度、宽度和高度，骨料的体分比，骨料顶点的个数，骨料顶点之间的最小距离、骨料的波动范围。
进一步的，步骤S2基于统计模拟方法，按照步骤S1得到的混凝土骨料的粒径分布范围数据随机生成初始骨料半径r。
进一步的，步骤S3的具体实施方法包括如下步骤：
S3.1.考虑骨料顶点的随机波动范围以及界面过渡区厚度的建立，设置球形骨料中心点的分布范围的表达式为：
其中，x,y,z分别为球形骨料中心点坐标，xM,yM,zM分别为三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的长度、宽度和高度，r0为考虑骨料顶点的随机波动范围以及界面过渡区厚度的名义半径，r0的计算表达式为：
r0＝r+r·fram+t
其中，fram为骨料顶点的随机波动范围，t为界面过渡区厚度；
S3.2.基于步骤S3.1的球形骨料中心点的分布范围，随机生成球形骨料的中心点坐标(x,y,z)；
S3.3.构建球形骨料相交判断函数，计算表达式为：
其中，xi,yi,zi为第i个已生成投放的球形骨料的中心点坐标，r0i为第i个已生成投放的骨料的考虑骨料顶点的随机波动范围以及界面过渡区厚度的名义半径；
S3.4.对随机生成球形骨料利用步骤S3.3的球形骨料相交判断函数进行判断，保留满足球形骨料相交判断函数的球形骨料的中心点坐标及其对应骨料半径，删除不满足球形骨料相交判断函数的球形骨料的中心点坐标并返回步骤S3.2重新生成球形骨料的中心点坐标。
进一步的，步骤S4的具体实施方法包括如下步骤：
S4.1.基于步骤S3得到的随机投放的球形骨料，在球形骨料的球面上随机选取顶点以构建三维凹凸多面体骨料的顶点，顶点的坐标信息的表达式为：
其中，xvj,yvj,zvj为在球形骨料选取的第j个顶点的坐标，ri为第i个已生成投放的骨料的初始骨料半径，θj为球形骨料随机生成的第j个顶点在xOy面上的投影与原点的连线和x轴正方向所成的夹角，为球形骨料随机生成的第j个顶点与原点所成连线和z轴正方向所成的夹角；
S4.2.设置球形骨料的球面上随机选取的顶点与球形骨料已选取的顶点之间的距离判断函数，计算表达式为：
其中，xvn,yvn,zvn为球形骨料已选取的第n个顶点坐标，dis为骨料顶点之间的最小距离；
S4.3.对步骤S4.1球形骨料的球面上随机选取顶点利用步骤S4.2的公式进行判断，保留满足球形骨料的球面上随机选取的顶点与球形骨料已选取的顶点之间的距离判断函数的球形骨料的顶点，删除不满足的顶点并返回步骤S4.1重新生成球形骨料的顶点，直至所选取的顶点个数满足步骤S1设置的骨料顶点的个数。
进一步的，步骤S5的具体实施方法包括如下步骤：
S5.1.基于步骤S4得到的球形骨料的球面上的三维凹凸多面体骨料的顶点，将形骨料的球面上的三维凹凸多面体骨料的顶点每三个点进行排列组合，得到所有的三点平面组合；
S5.2.对步骤S5.1得到的三点平面组合进行平面凸性判断，平面凸性判断的表达式为：
其中，为骨料顶点中除三点平面组合以外的点与三点平面组合链接而成的向量，为三点平面组合形成的面的外法线方向向量；
S5.3.对步骤S5.1得到的所有的三点平面组合利用步骤S5.2的公式进行判断，保留满足公式的三点平面组合，删除不满足的三点平面组合，得到三维凹凸多面体骨料的平面连接方式。
进一步的，步骤S6的具体实施方法包括如下步骤：
S6.1.在波动范围内设置随机数ξi；
S6.2.将步骤S5得到的三维凹凸多面体骨料的顶点坐标按照步骤S6.1设置的随机数进行波动，改变三维凹凸多面体骨料的顶点到骨料中点的距离，变换后的三维凹凸多面体骨料的顶点坐标为：
其中，xj',yj',zj'为变换后的三维凹凸多面体骨料的顶点坐标，ξi1,ξi2,ξi3为顶点坐标的波动系数；
S6.3.储存步骤S6.2得到的变换后的三维凹凸多面体骨料的顶点坐标，作为最终的三维凹凸多面体骨料顶点坐标；
S6.4将步骤S6.3中得到的最终的三维凹凸多面体骨料顶点坐标依次减去步骤S4.3中得到的三维凹凸多面体骨料顶点坐标，得到每个骨料顶点坐标的变化量；将步骤S5.3得到的三点的平面组合中的每个点的坐标与得到的每个骨料顶点坐标的变化量相加，得到波动后骨料的平面连接方式；
S6.5.利用步骤S6.3得到的最终的三维凹凸多面体骨料顶点坐标计算三维凹凸多面体骨料的体积Vi，计算表达式为：
其中，Vf为三维凹凸多面体骨料中心点和三维凹凸多面体骨料第f个外表面构成的四面体的体积，(xfw',yfw',zfw')为三维凹凸多面体骨料第f个外表面三个顶点的坐标，m为由骨料节点数确定的骨料的面数；
S6.6.若已生成的三维凹凸多面体骨料的体积小于混凝土骨料的粒径分布范围设定的骨料的体积，返回步骤S2继续生成三维凹凸多面体骨料，遍历所有混凝土骨料的粒径分布范围，直到满足混凝土骨料的的体分比要求，完成三维凹凸多面体混凝土随机骨料的投放。
进一步的，步骤S7的具体实施方法包括如下步骤：
S7.1.根据步骤S6所得到的三维凹凸多面体混凝土骨料顶点坐标，生成骨料部件；
S7.2.根据步骤S3得到的三维凹凸多面体混凝土骨料中心点坐标，将骨料部件进行装配；
S7.3.根据设置的三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的长度、宽度和高度，生成空间长方体；
S7.4.将步骤S7.3生成的空间长方体中骨料位置的空间扣除，剩余空间即为砂浆区域，得到三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型。
一种电子设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述计算机程序时实现所述的一种三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的构建方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的一种三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的构建方法。
本发明的有益效果：
本发明所述的一种三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的构建方法，从骨料真实形状出发提出凹凸多面体骨料的生成与投放算法，提高了混凝土三维细观模型中骨料形态的真实性。
本发明所述的一种三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的构建方法，提供了更真实的颗粒分布，更精确地表示颗粒之间的接触、间隙和填充状态，有助于更准确地预测混凝土的性能，能够提供更准确的模拟和仿真结果，更好地模拟实际混凝土的行为，使模型更准确地反映实际情况。
本发明所述的一种三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的构建方法，提高了模型的可靠性，通过考虑真实骨料的形态特征，可以减少对理想化假设的依赖，并更好地捕捉混凝土的复杂性，有助于减小模型与实际情况之间的差距，从而使模型的预测结果更可靠。
本发明所述的一种三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的构建方法，提高了混凝土随机骨料模型的准确性、可靠性和逼真度，对于混凝土的研究、设计和工程应用都具有重要意义。
附图说明
图1为本发明所述的一种三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的构建方法的流程图；
图2为本发明所述的一种三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的示意图；
图3为本发明所述的一种三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的单个凹凸骨料示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的具体实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的具体实施方式。通常在此处附图中描述和展示的本发明具体实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计，本发明还可以具有其他实施方式。
因此，以下对在附图中提供的本发明的具体实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定具体实施方式。基于本发明的具体实施方式，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他具体实施方式，都属于本发明保护的范围。
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下具体实施方式，并配合附图1-附图3详细说明如下：
具体实施方式一：
一种三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的构建方法，包括如下步骤：
S1.根据混凝土骨料的筛分析试验，获得混凝土骨料的粒径分布范围数据及分布概率数据，设置三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的建模参数；
进一步的，步骤S1设置三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的建模参数包括三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的长度、宽度和高度，骨料的体分比，骨料顶点的个数，骨料顶点之间的最小距离、骨料的波动范围；
S2.基于步骤S1设置的三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的建模参数，在混凝土骨料粒径分布范围内随机生成初始骨料粒径；
进一步的，步骤S2基于统计模拟方法，按照步骤S1得到的混凝土骨料的粒径分布范围数据随机生成初始骨料半径r；
S3.基于步骤S2随机生成的初始骨料粒径，随机生成球形骨料的中心点坐标，构建球形骨料相交判断函数并进行球形骨料在三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型空间范围内的随机投放；
进一步的，步骤S3的具体实施方法包括如下步骤：
S3.1.考虑骨料顶点的随机波动范围以及界面过渡区厚度的建立，设置球形骨料中心点的分布范围的表达式为：
其中，x,y,z分别为球形骨料中心点坐标，xM,yM,zM分别为三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的长度、宽度和高度，r0为考虑骨料顶点的随机波动范围以及界面过渡区厚度的名义半径，r0的计算表达式为：
r0＝r+r·fram+t
其中，fram为骨料顶点的随机波动范围，t为界面过渡区厚度；
S3.2.基于步骤S3.1的球形骨料中心点的分布范围，随机生成球形骨料的中心点坐标(x,y,z)；
S3.3.构建球形骨料相交判断函数，计算表达式为：
其中，xi,yi,zi为第i个已生成投放的球形骨料的中心点坐标，r0i为第i个已生成投放的骨料的考虑骨料顶点的随机波动范围以及界面过渡区厚度的名义半径；
S3.4.对随机生成球形骨料利用步骤S3.3的球形骨料相交判断函数进行判断，保留满足球形骨料相交判断函数的球形骨料的中心点坐标及其对应骨料半径，删除不满足球形骨料相交判断函数的球形骨料的中心点坐标并返回步骤S3.2重新生成球形骨料的中心点坐标；
S4.基于步骤S3得到的球形骨料在三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的随机投放，在球形骨料的球面上构建三维凹凸多面体骨料的顶点；
进一步的，步骤S4的具体实施方法包括如下步骤：
S4.1.基于步骤S3得到的随机投放的球形骨料，在球形骨料的球面上随机选取顶点以构建三维凹凸多面体骨料的顶点，顶点的坐标信息的表达式为：
其中，xvj,yvj,zvj为在球形骨料选取的第j个顶点的坐标，ri为第i个已生成投放的骨料的初始骨料半径，θj为球形骨料随机生成的第j个顶点在xOy面上的投影与原点的连线和x轴正方向所成的夹角，为球形骨料随机生成的第j个顶点与原点所成连线和z轴正方向所成的夹角；
S4.2.设置球形骨料的球面上随机选取的顶点与球形骨料已选取的顶点之间的距离判断函数，计算表达式为：
其中，xvn,yvn,zvn为球形骨料已选取的第n个顶点坐标，dis为骨料顶点之间的最小距离；
S4.3.对步骤S4.1球形骨料的球面上随机选取顶点利用步骤S4.2的公式进行判断，保留满足球形骨料的球面上随机选取的顶点与球形骨料已选取的顶点之间的距离判断函数的球形骨料的顶点，删除不满足的顶点并返回步骤S4.1重新生成球形骨料的顶点，直至所选取的顶点个数满足步骤S1设置的骨料顶点的个数；
S5.基于步骤S4得到的球形骨料的球面上的三维凹凸多面体骨料的顶点，将球形骨料的球面上的三维凹凸多面体骨料的顶点每三个点进行排列组合，然后进行平面凸性判断，确定三维凹凸多面体骨料的平面连接方式；
进一步的，步骤S5的具体实施方法包括如下步骤：
S5.1.基于步骤S4得到的球形骨料的球面上的三维凹凸多面体骨料的顶点，将形骨料的球面上的三维凹凸多面体骨料的顶点每三个点进行排列组合，得到所有的三点平面组合；
S5.2.对步骤S5.1得到的三点平面组合进行平面凸性判断，平面凸性判断的表达式为：
其中，为骨料顶点中除三点平面组合以外的点与三点平面组合链接而成的向量，为三点平面组合形成的面的外法线方向向量；
S5.3.对步骤S5.1得到的所有的三点平面组合利用步骤S5.2的公式进行判断，保留满足公式的三点平面组合，删除不满足的三点平面组合，得到三维凹凸多面体骨料的平面连接方式；
S6.基于步骤S5得到的三维凹凸多面体骨料的平面连接方式，对三维凹凸多面体骨料的顶点进行随机波动，计算波动后的三维凹凸多面体骨料的平面连接方式，然后计算随机波动后的三维凹凸多面体骨料的体积，判断随机波动后的三维凹凸多面体骨料的体积是否满足三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的参数，完成三维凹凸多面体混凝土随机骨料的投放；
进一步的，步骤S6的具体实施方法包括如下步骤：
S6.1.在波动范围内设置随机数ξi；
S6.2.将步骤S5得到的三维凹凸多面体骨料的顶点坐标按照步骤S6.1设置的随机数进行波动，改变三维凹凸多面体骨料的顶点到骨料中点的距离，变换后的三维凹凸多面体骨料的顶点坐标为：
其中，xj',yj',zj'为变换后的三维凹凸多面体骨料的顶点坐标，ξi1,ξi2,ξi3为顶点坐标的波动系数；
S6.3.储存步骤S6.2得到的变换后的三维凹凸多面体骨料的顶点坐标，作为最终的三维凹凸多面体骨料顶点坐标；
S6.4将步骤S6.3中得到的最终的三维凹凸多面体骨料顶点坐标依次减去步骤S4.3中得到的三维凹凸多面体骨料顶点坐标，得到每个骨料顶点坐标的变化量；将步骤S5.3得到的三点的平面组合中的每个点的坐标与得到的每个骨料顶点坐标的变化量相加，得到波动后骨料的平面连接方式；
S6.5.利用步骤S6.3得到的最终的三维凹凸多面体骨料顶点坐标计算三维凹凸多面体骨料的体积Vi，计算表达式为：
其中，Vf为三维凹凸多面体骨料中心点和三维凹凸多面体骨料第f个外表面构成的四面体的体积，(xfw',yfw',zfw')为三维凹凸多面体骨料第f个外表面三个顶点的坐标，m为由骨料节点数确定的骨料的面数；
S6.6.若已生成的三维凹凸多面体骨料的体积小于混凝土骨料的粒径分布范围设定的骨料的体积，返回步骤S2继续生成三维凹凸多面体骨料，遍历所有混凝土骨料的粒径分布范围，直到满足混凝土骨料的的体分比要求，完成三维凹凸多面体混凝土随机骨料的投放；
S7.基于步骤S6得到的三维凹凸多面体混凝土随机骨料，生成骨料部件与砂浆部件，对生成的骨料部件与砂浆部件采用布尔操作，得到三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型；
进一步的，步骤S7的具体实施方法包括如下步骤：
S7.1.根据步骤S6所得到的三维凹凸多面体混凝土骨料顶点坐标，生成骨料部件；
S7.2.根据步骤S3得到的三维凹凸多面体混凝土骨料中心点坐标，将骨料部件进行装配；
S7.3.根据设置的三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的长度、宽度和高度，生成空间长方体；
S7.4.将步骤S7.3生成的空间长方体中骨料位置的空间扣除，剩余空间即为砂浆区域，得到三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型。
具体实施方式二：
一种电子设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述计算机程序时实现具体实施方式一所述的一种三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的构建方法的步骤。
本发明的计算机装置可以是包括有处理器以及存储器等装置，例如包含中央处理器的单片机等。并且，处理器用于执行存储器中存储的计算机程序时实现上述的一种三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的构建方法的步骤。
所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
具体实施方式三：
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现具体实施方式一所述的一种三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的构建方法。
本发明的计算机可读存储介质可以是被计算机装置的处理器所读取的任何形式的存储介质，包括但不限于非易失性存储器、易失性存储器、铁电存储器等，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，当计算机装置的处理器读取并执行存储器中所存储的计算机程序时，可以实现上述的一种三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的构建方法的步骤。
所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
需要说明的是，术语“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，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
虽然在上文中已经参考具体实施方式对本申请进行了描述，然而在不脱离本申请的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本申请所披露的具体实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本申请并不局限于文中公开的特定具体实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.根据混凝土骨料的筛分析试验，获得混凝土骨料的粒径分布范围数据及分布概率数据，设置三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的建模参数；
S2.基于步骤S1设置的三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的建模参数，在混凝土骨料粒径分布范围内随机生成初始骨料粒径；
S3.基于步骤S2随机生成的初始骨料粒径，随机生成球形骨料的中心点坐标，构建球形骨料相交判断函数并进行球形骨料在三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型空间范围内的随机投放；
S4.基于步骤S3得到的球形骨料在三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的随机投放，在球形骨料的球面上构建三维凹凸多面体骨料的顶点；
S5.基于步骤S4得到的球形骨料的球面上的三维凹凸多面体骨料的顶点，将球形骨料的球面上的三维凹凸多面体骨料的顶点每三个点进行排列组合，然后进行平面凸性判断，确定三维凹凸多面体骨料的平面连接方式；
步骤S5的具体实施方法包括如下步骤：
S5.1.基于步骤S4得到的球形骨料的球面上的三维凹凸多面体骨料的顶点，将形骨料的球面上的三维凹凸多面体骨料的顶点每三个点进行排列组合，得到所有的三点平面组合；
S5.2.对步骤S5.1得到的三点平面组合进行平面凸性判断，平面凸性判断的表达式为：
其中，为骨料顶点中除三点平面组合以外的点与三点平面组合链接而成的向量，为三点平面组合形成的面的外法线方向向量；
S5.3.对步骤S5.1得到的所有的三点平面组合利用步骤S5.2的公式进行判断，保留满足公式的三点平面组合，删除不满足的三点平面组合，得到三维凹凸多面体骨料的平面连接方式；
S6.基于步骤S5得到的三维凹凸多面体骨料的平面连接方式，对三维凹凸多面体骨料的顶点进行随机波动，计算波动后的三维凹凸多面体骨料的平面连接方式，然后计算随机波动后的三维凹凸多面体骨料的体积，判断随机波动后的三维凹凸多面体骨料的体积是否满足三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的参数，完成三维凹凸多面体混凝土随机骨料的投放；
S7.基于步骤S6得到的三维凹凸多面体混凝土随机骨料，生成骨料部件与砂浆部件，对生成的骨料部件与砂浆部件采用布尔操作，得到三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型。
2.根据权利要求1所述的一种三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的构建方法，其特征在于，步骤S1设置三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的建模参数包括三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的长度、宽度和高度，骨料的体分比，骨料顶点的个数，骨料顶点之间的最小距离、骨料的波动范围。
3.根据权利要求2所述的一种三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的构建方法，其特征在于，步骤S2基于统计模拟方法，按照步骤S1得到的混凝土骨料的粒径分布范围数据随机生成初始骨料半径r。
4.根据权利要求3所述的一种三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的构建方法，其特征在于，步骤S3的具体实施方法包括如下步骤：
S3.1.考虑骨料顶点的随机波动范围以及界面过渡区厚度的建立，设置球形骨料中心点的分布范围的表达式为：
其中，x,y,z分别为球形骨料中心点坐标，xM,yM,zM分别为三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的长度、宽度和高度，r0为考虑骨料顶点的随机波动范围以及界面过渡区厚度的名义半径，r0的计算表达式为：
r0＝r+r·fram+t
其中，fram为骨料顶点的随机波动范围，t为界面过渡区厚度；
S3.2.基于步骤S3.1的球形骨料中心点的分布范围，随机生成球形骨料的中心点坐标(x,y,z)；
S3.3.构建球形骨料相交判断函数，计算表达式为：
其中，xi,yi,zi为第i个已生成投放的球形骨料的中心点坐标，r0i为第i个已生成投放的骨料的考虑骨料顶点的随机波动范围以及界面过渡区厚度的名义半径；
S3.4.对随机生成球形骨料利用步骤S3.3的球形骨料相交判断函数进行判断，保留满足球形骨料相交判断函数的球形骨料的中心点坐标及其对应骨料半径，删除不满足球形骨料相交判断函数的球形骨料的中心点坐标并返回步骤S3.2重新生成球形骨料的中心点坐标。
5.根据权利要求4所述的一种三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的构建方法，其特征在于，步骤S4的具体实施方法包括如下步骤：
S4.1.基于步骤S3得到的随机投放的球形骨料，在球形骨料的球面上随机选取顶点以构建三维凹凸多面体骨料的顶点，顶点的坐标信息的表达式为：
其中，xvj,yvj,zvj为在球形骨料选取的第j个顶点的坐标，ri为第i个已生成投放的骨料的初始骨料半径，θj为球形骨料随机生成的第j个顶点在xOy面上的投影与原点的连线和x轴正方向所成的夹角，为球形骨料随机生成的第j个顶点与原点所成连线和z轴正方向所成的夹角；
S4.2.设置球形骨料的球面上随机选取的顶点与球形骨料已选取的顶点之间的距离判断函数，计算表达式为：
其中，xvn,yvn,zvn为球形骨料已选取的第n个顶点坐标，dis为骨料顶点之间的最小距离；
S4.3.对步骤S4.1球形骨料的球面上随机选取顶点利用步骤S4.2的公式进行判断，保留满足球形骨料的球面上随机选取的顶点与球形骨料已选取的顶点之间的距离判断函数的球形骨料的顶点，删除不满足的顶点并返回步骤S4.1重新生成球形骨料的顶点，直至所选取的顶点个数满足步骤S1设置的骨料顶点的个数。
6.根据权利要求5所述的一种三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的构建方法，其特征在于，步骤S6的具体实施方法包括如下步骤：
S6.1.在波动范围内设置随机数ξi；
S6.2.将步骤S5得到的三维凹凸多面体骨料的顶点坐标按照步骤S6.1设置的随机数进行波动，改变三维凹凸多面体骨料的顶点到骨料中点的距离，变换后的三维凹凸多面体骨料的顶点坐标为：
其中，xj',yj',zj'为变换后的三维凹凸多面体骨料的顶点坐标，ξi1,ξi2,ξi3为顶点坐标的波动系数；
S6.3.储存步骤S6.2得到的变换后的三维凹凸多面体骨料的顶点坐标，作为最终的三维凹凸多面体骨料顶点坐标；
S6.4将步骤S6.3中得到的最终的三维凹凸多面体骨料顶点坐标依次减去步骤S4.3中得到的三维凹凸多面体骨料顶点坐标，得到每个骨料顶点坐标的变化量；将步骤S5.3得到的三点的平面组合中的每个点的坐标与得到的每个骨料顶点坐标的变化量相加，得到波动后骨料的平面连接方式；
S6.5.利用步骤S6.3得到的最终的三维凹凸多面体骨料顶点坐标计算三维凹凸多面体骨料的体积Vi，计算表达式为：
其中，Vf为三维凹凸多面体骨料中心点和三维凹凸多面体骨料第f个外表面构成的四面体的体积，(xfw',yfw',zfw')为三维凹凸多面体骨料第f个外表面三个顶点的坐标，m为由骨料节点数确定的骨料的面数；
S6.6.若已生成的三维凹凸多面体骨料的体积小于混凝土骨料的粒径分布范围设定的骨料的体积，返回步骤S2继续生成三维凹凸多面体骨料，遍历所有混凝土骨料的粒径分布范围，直到满足混凝土骨料的的体分比要求，完成三维凹凸多面体混凝土随机骨料的投放。
7.根据权利要求6所述的一种三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的构建方法，其特征在于，步骤S7的具体实施方法包括如下步骤：
S7.1.根据步骤S6所得到的三维凹凸多面体混凝土骨料顶点坐标，生成骨料部件；
S7.2.根据步骤S3得到的三维凹凸多面体混凝土骨料中心点坐标，将骨料部件进行装配；
S7.3.根据设置的三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的长度、宽度和高度，生成空间长方体；
S7.4.将步骤S7.3生成的空间长方体中骨料位置的空间扣除，剩余空间即为砂浆区域，得到三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型。
8.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-7任一项所述的一种三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的构建方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7任一项所述的一种三维凹凸多面体随机骨料的混凝土模型的构建方法。
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