快速生成卵石碎石夹杂的混凝土二维随机骨料模型的方法技术

本发明专利技术公开了一种快速生成卵石碎石夹杂的混凝土二维随机骨料模型的方法，其中只有卵石或只有碎石的混凝土二维随机骨料模型是该卵石和碎石夹杂的混凝土二维随机骨料模型的特殊情况；该方法将圆形随机骨料模型和带边界的泰森多边形图相结合，以圆形骨料的圆心为控制点生成近似满足骨料级配的泰森多边形图；本发明专利技术以每个泰森多边形的顶点为控制点，并行生成封闭的B样条曲线来表征卵石骨料的形状，在封闭的B样条曲线随机均匀取点，从而生成凸多边形来表征碎石骨料的形状。本发明专利技术采用并行的方式，同时对每个泰森多边形内的骨料进行面积缩放，快速生成满足给定级配的卵石和碎石任意夹杂的混凝土二维随机骨料模型。

Method for rapidly producing a two-dimensional random aggregate model of pebbles and crushed stone inclusions

The invention discloses a method for the rapid generation of cobble concrete with two-dimensional random aggregate model, which only pebbles or gravel concrete only two-dimensional random aggregate model is a special case of the pebble and gravel mixed concrete two-dimensional random aggregate model; the method of the circular random aggregate model and boundary of the Tyson polygon graph combined in the center, circular aggregate control points to generate approximate aggregate gradation Tyson polygon; the Tyson polygon for each control point, parallel generation closed B spline curve to characterize the gravel aggregate shape, in a closed B spline curve to generate uniform random points to characterize the convex polygon the shape of aggregates. The present invention uses parallel method to simultaneously scale the aggregate in each Tyson polygon, and quickly generates a two-dimensional random aggregate model of concrete for grading grading pebbles and crushed stones and any inclusion.

【技术实现步骤摘要】
快速生成卵石碎石夹杂的混凝土二维随机骨料模型的方法
本专利技术属于混凝土细观数值试验前处理
，具体的说是一种快速生成卵石碎石夹杂的混凝土二维随机骨料模型的方法。
技术介绍
混凝土是一种由骨料和水泥砂浆组成的非均质复合材料，其中骨料的形状和空间位置的分布对材料的性能有较大影响。随着计算机技术的不断发展和相关数值计算技术的不断成熟，考虑混凝土内骨料形状、级配和砂浆界面等内部细观结构的混凝土随机骨料模型开始被采用，用于研究材料的细观破坏机理。目前，将骨料简化为圆形并采用蒙特卡罗方法随机投放到截面区域中，最终生成混凝土圆形随机骨料模型的方法已有比较成熟和常见，但是相关的研究表明，骨料的形状和类型对计算结果也有一定的影响。目前也有采用凸多边形或傅里叶子描述等方法来表示骨料形状，即生成骨料，再采用蒙特卡罗的方法将生成的骨料逐个投放入混凝土截面区域中的方法。由于采用骨料逐个投放的方式，需要反复判断骨料之间的重叠问题，骨料为不规则颗粒，骨料投放到设定的位置后，需要判断骨料之间是否重叠，如果重叠需要重新投放，因此导致：①计算耗时长，耗时几分钟到几十分钟不等；②CPU耗费大，电脑运行缓慢，电脑发热噪音大；③且很难实现并行处理，④骨料投放含量（骨料的面积占整个混凝土截面区域的面积的比例）偏低等局限性，可能与实际比例不符。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种快速生成卵石碎石夹杂的混凝土二维随机骨料模型的方法。本专利技术操作步骤简单、设计合理、实现方便、使用效果好，并且投入成本不高。且本专利技术建立的快速生成卵石和碎石夹杂的混凝土二维随机骨料模型计算耗时短，能够较好的应用于数值模拟中。为了解决上述问题，针对现有技术存在的不足本专利技术提供的技术方案是：一种快速生成卵石碎石夹杂的混凝土二维随机骨料模型的方法，包括只有卵石或只有碎石的这两种特殊的混凝土二维随机骨料模型和卵石与碎石任意混搭的混凝土二维随机骨料模型。二维随机骨料生成流程图见图1。本专利技术将圆形随机骨料模型和带边界的泰森多边形图相结合，将泰森多边形图中每个多边形腔体作为骨料颗粒的外边界，通过圆形随机骨料的圆心点的位置分布来控制泰森多边形图中多边形腔体的大小分布。该方法和传统的先骨料后投放的过程相反，是先定位骨料的位置区域后生成骨料，从而可以并行计算，达到快速的目的。同时该专利技术以每个泰森多边形的顶点作为控制点，采用封闭的B样条曲线表征卵石，在封闭的B样条曲线上随机均匀取点来生成凸多边形来表征碎石，通过面积缩放的方式来满足指定的级配要求。同时可以通过设置卵石和碎石个数比例，生成卵石和碎石任意比例的二维混凝土随机骨料模型，只有卵石或碎石为其特殊情况。本专利技术依托“国家重点研发计划专项项目资助”，项目编号“2016YFC0701400”，旨在对高温条件下装配式混凝土构件保护层剥落进行细观模拟与分析。本专利技术的具体技术方案如下：一种快速生成卵石碎石夹杂的混凝土二维随机骨料模型的方法，包括以下步骤：步骤1，根据给定骨料级配和混凝土截面尺寸，采用蒙特卡罗方法生成二维圆形随机骨料模型图，最终获取每个圆形骨料的圆心点坐标和面积；步骤2，根据圆形随机骨料模型图中所有骨料的圆心坐标生成带边界的泰森多边形图；步骤3，以每个泰森多边形的顶点为控制点，并行生成封闭B样条曲线，最终得到封闭B样条曲线图，并计算图中各封闭B样条曲线的面积；步骤4，建立骨料模型，实现如下：设定卵石个数m和碎石个数n，m，n为任意自然数（0,1,2,3…），并在全体骨料颗粒中进行随机抽样，从而确定每个骨料的卵石或碎石类型：4.1，当设定碎石个数n＝0时，此时全部骨料都为卵石，缩放各圆心点坐标对应的封闭B样条曲线的面积，使该面积等于二维圆形随机骨料模型图中同一坐标处的圆形骨料的面积，得到采用封闭B样条曲线描述的卵石骨料模型；4.2，当设定卵石个数m＝0时，此时全部骨料都为碎石，在各圆心点坐标对应的封闭B样条曲线上随机均匀取点，从而生成凸多边形，然后以该凸多边形的形心为中心，缩放对应的封闭B样条曲线的面积，使该面积等于二维圆形随机骨料模型图中同一坐标处的圆形骨料的面积，得到采用凸多边形描述的碎石骨料模型；4.3，当设定卵石个数m≠0且碎石个数n≠0时，此时卵石和碎石夹杂，首先根据预建立的混凝土二维卵石和碎石夹杂随机骨料模型中卵石和碎石个数所占比例；然后在全体骨料颗粒中随机选取对应比例的卵石和碎石；最后根据步骤4.1中的方法对代表卵石的封闭B样条曲线进行处理，并根据步骤4.2中的方法对代表碎石的封闭B样条曲线进行处理，最终得到二维卵石碎石夹杂随机骨料模型。步骤4.1中，缩放各圆心点坐标对应的封闭B样条曲线的面积具体实施如下：计算各圆心点坐标对应的圆形骨料的面积与对应封闭B样条曲线的面积的比例，以封闭B样条曲线形心为中心，按此比例缩放封闭B样条曲线的大小。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1.通过本专利技术方法，可以建立只有卵石或只有碎石的这两种特殊的混凝土二维随机骨料模型和卵石与碎石任意混搭的混凝土二维随机骨料模型；2.本专利技术方法，能调整设定的碎石和卵石的个数比例，生成不同碎石和卵石含量的混凝土二维随机骨料模型；3.本专利技术方法，采用先向混凝土截面区域投放圆球骨料，再在骨料内部生成不规则形状的骨料，由于圆形骨料不重叠，在内部生成的不规则骨料也就不会重叠，骨料之间不会出现重叠问题，因此计算耗时短，耗时仅为几秒钟，并且CPU耗费小，计算步骤简单，设计合理，实现方便；本专利技术方法能表征规定级配的骨料形状，骨料的形状更加真实；本方法采用先投放圆形骨料再在内部生成不规则骨料，可以避免骨料相互重叠所需的判断，因此投入成本低；本专利技术方法能实现并行计算，具体见图1。4.本专利技术建立的混凝土二维随机骨料模型能够很好的应用于数值计算中，可以应用于有限元模拟和多物理场耦合模型中，是混凝土材料和结构细观分析的基础。附图说明图1是本专利技术的二维随机骨料生成流程图；图2是本专利技术实施例一、二、三的采用蒙特卡罗方法生成二维圆形随机骨料模型图；图3是本专利技术实施例一、二、三的泰森多边形图；图4是本专利技术实施例一、二、三的封闭B样条曲线图；图5是本专利技术实施例一的二维卵石随机骨料模型图；图6是本专利技术实施例二的二维碎石随机骨料模型图；图7是本专利技术实施例三的卵石和碎石任意搭配的二维随机骨料模型图。具体实施方式为了更进一步解释本专利技术的技术方案，下面通过具体实施例来对专利技术进行详细的阐述：实施例一本实施例的目的是生成只有卵石的混凝土二维随机骨料模型，属于本专利技术方法的一种特殊情形。1.根据给定骨料级配和混凝土截面尺寸，其中，骨料级配为二级配，骨料粒径范围为5~20mm和20~40mm，混凝土截面尺寸500mm×250mm，采用蒙特卡罗方法生成二维圆形随机骨料模型图，最终获取每个圆形骨料的圆心点坐标和面积，见图2，圆形骨料个数为253个；2.根据圆形随机骨料模型图中所有骨料的圆心坐标生成带边界的泰森多边形图，见图3；3.以每个泰森多边形的顶点为控制点，并行生成封闭的B样条曲线并计算其面积，见图4；4.建立骨料模型，实现如下：设定卵石个数m和碎石个数n，m，n为任意自然数（0,1,2,3…），并在全体骨料颗粒中进行随机抽样，从而确定每个骨料的类型，即确定每个骨料是卵石或是碎石；当设定卵石个数m=2本文档来自技高网...

【技术保护点】
快速生成卵石碎石夹杂的混凝土二维随机骨料模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据给定骨料级配和混凝土截面尺寸，采用蒙特卡罗方法生成二维圆形随机骨料模型图，最终获取每个圆形骨料的圆心点坐标和面积；步骤2，根据圆形随机骨料模型图中所有骨料的圆心坐标生成带边界的泰森多边形图；步骤3，以每个泰森多边形的顶点为控制点，并行生成封闭B样条曲线，最终得到封闭B样条曲线图，并计算图中各封闭B样条曲线的面积；步骤4，建立骨料模型，实现如下：设定卵石个数m和碎石个数n，m，n为任意自然数，并在全体骨料颗粒中进行随机抽样，从而确定每个骨料的卵石或碎石类型：4.1，当设定碎石个数n＝0时，此时全部骨料都为卵石，缩放各圆心点坐标对应的封闭B样条曲线的面积，使该面积等于二维圆形随机骨料模型图中同一坐标处的圆形骨料的面积，得到采用封闭B样条曲线描述的卵石骨料模型；4.2，当设定卵石个数m＝0时，此时全部骨料都为碎石，在各圆心点坐标对应的封闭B样条曲线上随机均匀取点，从而生成凸多边形，然后以该凸多边形的形心为中心，缩放对应的封闭B样条曲线的面积，使该面积等于二维圆形随机骨料模型图中同一坐标处的圆形骨料的面积，得到采用凸多边形描述的碎石骨料模型；4.3，当设定卵石个数m≠0且碎石个数n≠0时，此时卵石和碎石夹杂，首先根据预建立的混凝土二维卵石和碎石夹杂随机骨料模型中卵石和碎石个数所占比例；然后在全体骨料颗粒中随机选取对应比例的卵石和碎石；最后根据步骤4.1中的方法对代表卵石的封闭B样条曲线进行处理，并根据步骤4.2中的方法对代表碎石的封闭B样条曲线进行处理，最终得到二维卵石碎石夹杂随机骨料模型。...

【技术特征摘要】
1.快速生成卵石碎石夹杂的混凝土二维随机骨料模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据给定骨料级配和混凝土截面尺寸，采用蒙特卡罗方法生成二维圆形随机骨料模型图，最终获取每个圆形骨料的圆心点坐标和面积；步骤2，根据圆形随机骨料模型图中所有骨料的圆心坐标生成带边界的泰森多边形图；步骤3，以每个泰森多边形的顶点为控制点，并行生成封闭B样条曲线，最终得到封闭B样条曲线图，并计算图中各封闭B样条曲线的面积；步骤4，建立骨料模型，实现如下：设定卵石个数m和碎石个数n，m，n为任意自然数，并在全体骨料颗粒中进行随机抽样，从而确定每个骨料的卵石或碎石类型：4.1，当设定碎石个数n＝0时，此时全部骨料都为卵石，缩放各圆心点坐标对应的封闭B样条曲线的面积，使该面积等于二维圆形随机骨料模型图中同一坐标处的圆形骨料的面积，得到采用封闭B样条曲线描述的卵石骨料模型；4.2，当设定卵石个数m＝0时，此时全部骨料都为碎石，在各圆心点坐标对应的封闭B样条曲...

【专利技术属性】
技术研发人员：余敏，池寅，鲍浩，叶建乔，徐礼华，黄俊杰，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42