一种高效的混凝土三维骨料生成与投放方法——三维剩余空间法技术

本发明专利技术公开了一种高效的混凝土三维骨料生成与投放方法——三维剩余空间法，将三维矩阵运算和灰度图像处理技术结合，通过三维矩阵元素值判断骨料重叠或超出边界，给出适用于各种三维骨料模型的生成算法。提出一种由真实的宏观实验通过切片扫描重构三维骨料，并对其中的骨料进行分离、拟合成理想形状并提取其参数，基于提取到的三维参数建立了不同尺寸、不同取代率下的三维混凝土细观模型。提出一种用聚类算法改进剩余空间法的三维剩余空间法，将三维像素模型切片，通过形态学细化操作获取三个方向所有切片的骨架分支点，使用聚类算法优化分支点取点流程，进而提高整个模型生成的效率。

【技术实现步骤摘要】
一种高效的混凝土三维骨料生成与投放方法——三维剩余空间法
本专利技术涉及混凝土细观数值建模领域，尤其涉及一种高效的混凝土三维骨料生成与投放方法——三维剩余空间法。
技术介绍
混凝土为非均质统一的实体，仅通过宏观研究常受到人力、财力、物力的限制，且难以分析混凝土成分中的各部分，骨料，砂浆，及二者之间的界面过渡区(ITZ)是以什么样的方式参与到混凝土整体的力学行为。因此，需要从细观层次对混凝土开展研究，例如，在如何建立更接近真实情况的混凝土细观模型，从而使各类混凝土细观模拟拥有更高的可靠度；如何探索更高效、适用面更广的混凝土细观模型建模方法，使得对普通混凝土、再生混凝土、大坝混凝土等乃至于由不同相组成的复合材料均适用。目前，随着细观技术的成熟，考虑骨料各种形态的生成和投放方法都是基于随机骨料方法，并通过外加手段来改进后期投放效率瓶颈问题，但这些方法对于二维、三维模型、各种骨料类型的通用性上还有待进一步研究。通过二维像素来生成再利用骨架理论获取分支点投放骨料，虽然能提供各类二维骨料通用的生成算法和加快投放效率，但是二维骨料较三维骨料在力学性能上仍有差异；将骨架理论直接用于三维空间，获取的三维骨架分支点数量常在10^4的数量级，若对每个分支点都进行投放，则骨料投放效率较低，且骨架中间部分的分支点密集度相对于模型外侧的分支点密度要高。
技术实现思路
本专利技术提出一种高效的混凝土三维骨料生成与投放方法——三维剩余空间法，将三维矩阵运算和灰度图像处理技术结合，具体是利用三维像素采样点进行矩阵运算定位骨料，利用像素点生成三维像素模型，通过三维矩阵元素值判断骨料重叠或超出边界，给出适用于各种三维骨料模型的生成算法。提出一种根据真实试件的实际情况选取合适的骨料形状的算法。由真实的宏观实验通过切片扫描重构三维骨料，并对其中的骨料进行分离、拟合成理想形状并提取其长度代表值、凹凸度等参数，基于提取到的三维参数建立了不同尺寸、不同取代率下的三维混凝土细观模型。在模型生成过程中，仅需读取骨料库内某颗骨料的坐标数据，将投放所用的矩阵中对应位置的元素进行赋值，即可生成该颗真实骨料。提出一种用聚类算法改进剩余空间法的三维剩余空间法，将三维像素模型切片，通过形态学细化操作获取三个方向所有切片的骨架分支点，使用凸包算法和欧几里得点云聚类算法优化分支点取点流程，提高骨料投放的成功率，进而提高整个模型生成的效率；三维剩余空间法流程如附图1。步骤1、建立三维像素模型和三维像素采样点根据模型的尺寸确定骨料投放区域大小xmax×ymax×zmax，选定比例尺B建立元素值全为0.5的三维矩阵Xmax×Ymax×Zmax＝(B×xmax)×(B×ymax)×(B×zmax)，作为投放骨料的三维像素模型并记录矩阵的元素位置和元素中心点坐标，三维矩阵中的元素即为三维像素模型中的正方体单元，不同的元素值对应不同的像素颜色；若不允许骨料超出边界，则将三维矩阵扩展到Xmax×Ymax×Zmax＝(B×xmax+2)×(B×ymax+2)×(B×zmax+2)，扩展区域元素设为1；并记录矩阵的元素位置和元素中心点坐标；建立控制x、y、z方向的三维像素采样点o、p、q；o用于定位x轴，它沿x轴方向的元素为i，(i＝1，2，3……Xmax)，共有Xmax层切片，当x＝i，YZ切片大小为Ymax×Zmax，元素值全为i；p用于定位y轴，它沿y轴方向的元素为j，(j＝1，2，3……Ymax)，共有Ymax层切片，当y＝i，ZX切片大小为Zmax×Xmax，元素值全为j；q用于定位z轴，它沿z轴方向的元素为k，(k＝1，2，3……Zmax)，共有Zmax层切片，当z＝k，XY切片大小为Xmax×Ymax，元素值全为k；步骤2、确定骨料总体积占比p、最大粒径dmax、各级配骨料粒径范围和累计体积占比百分数；步骤3、建立基于形状建模的骨料库(3.1)建立球骨料：球半径取各级配骨料的半径；将即将投放骨料的中心点、半径和三维像素采样点代入球公式，得到一个逻辑矩阵，该逻辑矩阵与三维矩阵具有相同的规模，记录满足条件的元素位置并映射到三维矩阵，将三维矩阵内对应位置的元素值加0.5变为1，即在三维像素模型内对应像素的所属材料从砂浆改变成骨料；所述三维像素采样点之间的乘除运算为矩阵点乘和点除，即矩阵各个相同位置的元素相乘和相除；(3.2)建立椭球或卵球骨料：确定长细比，等效半径取各级配骨料的半径，计算长半径、短半径、对称半径和极半径；以即将投放骨料的中心点为旋转点将椭球或卵球随机旋转三个欧拉角α、β、γ，其中，β的范围是[0,π]均布函数，α和γ是范围为[0,2π]的均布函数；将即将投放骨料的中心点、各类半径和三维像素采样点代入旋转后的形状公式，得到一个逻辑矩阵，该逻辑矩阵与三维矩阵具有相同的规模，记录满足条件的元素位置并映射到三维矩阵，将三维矩阵内对应位置的元素值加0.5变为1，即在三维像素模型内对应像素的所属材料从砂浆改变成骨料；所述等效半径为将骨料通过等体积法等效为球的半径；球的等效半径即为球半径；(3.3)建立凸多面体骨料：确定长细比，等效半径取各级配骨料的半径，计算外接卵球的长半径、短半径、对称半径和极半径；在原点生成卵球，作为多面体骨料中心，为保证生成的凸多面体骨料与卵球拥有相同的长细比，以卵球的6个端点作为凸多面体的固定顶点，将卵球在x、y、z三轴平分，将平面方程代入卵球方程求解得到在卵球上的补充点，作为多面体骨料的补充顶点；采用Convexhull包围体构造凸包围体的外包面并获取各面信息，通过元素中心点坐标判断各元素中心点是否在该多面体内，三维像素模型中若元素中心点在多面体内，不包括中心点在面和边上的元素，则对应位置的矩阵元素值加0.5变为1，该位置像素所属材料从砂浆变为骨料；再以原点为旋转点按步骤(3.2)的方法旋转骨料并三维平移到投放中心点生成骨料；(3.4)建立凹多面体骨料：运行步骤(3.3)生成进行未旋转和三维平移的凸多面体，采用Convexhull包围体构造凸包围体的外包面并获取各面信息，选取任意面的三个角点，计算出该面中点(Xc,Yc,Zc)并与原点相连记为线段lc，在lc上取点(Xao,Yao,Zao)作为多面体的凹点；新生成凹点的坐标以下式表示：Xao＝δXc,Yao＝δYc,Zao＝δZc,δ∈(0,1)(2)式中，δ＝该凹点到原点的距离/lc的长度，在(0,1)上随机取值，表示这条边新生成的凹点向内凹的程度，δ越接近1，该边凹陷高度较小，μ越接近0，该边凹陷高度较高；选取该面的三个角点和新生成的凹点，用步骤(3.3)的Convexhull包围体构造凸三面体，用原凸多面体减去该三面体得到凹多面体骨料，即在三面体对应位置的元素值减0.5变为0.5，像素所属材料从骨料改为砂浆；再以原点为旋转点按步骤(3.2)的方法旋转骨料并三维平移到投放中心点生成骨料；(3.5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效的混凝土三维骨料生成与投放方法——三维剩余空间法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、建立三维像素模型和三维像素采样点/n根据模型的尺寸确定骨料投放区域大小x

【技术特征摘要】
1.一种高效的混凝土三维骨料生成与投放方法——三维剩余空间法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、建立三维像素模型和三维像素采样点
根据模型的尺寸确定骨料投放区域大小xmax×ymax×zmax，选定比例尺B建立元素值全为0.5的三维矩阵Xmax×Ymax×Zmax＝(B×xmax)×(B×ymax)×(B×zmax)，作为投放骨料的三维像素模型并记录矩阵的元素位置和元素中心点坐标，三维矩阵中的元素即为三维像素模型中的正方体单元，不同的元素值对应不同的像素颜色；
若不允许骨料超出边界，则将三维矩阵扩展到Xmax×Ymax×Zmax＝(B×xmax+2)×(B×ymax+2)×(B×zmax+2)，扩展区域元素设为1；并记录矩阵的元素位置和元素中心点坐标；
建立控制x、y、z方向的三维像素采样点o、p、q；
o用于定位x轴，它沿x轴方向的元素为i，(i＝1，2，3……Xmax)，共有Xmax层切片，当x＝i，YZ切片大小为Ymax×Zmax，元素值全为i；
p用于定位y轴，它沿y轴方向的元素为j，(j＝1，2，3……Ymax)，共有Ymax层切片，当y＝i，ZX切片大小为Zmax×Xmax，元素值全为j；
q用于定位z轴，它沿z轴方向的元素为k，(k＝1，2，3……Zmax)，共有Zmax层切片，当z＝k，XY切片大小为Xmax×Ymax，元素值全为k；
步骤2、确定骨料总体积占比p、最大粒径dmax、各级配骨料粒径范围和累计体积占比百分数；
步骤3、建立基于形状建模的骨料库
(3.1)建立球骨料：
球半径取各级配骨料的半径；将即将投放骨料的中心点、半径和三维像素采样点代入球公式，得到一个逻辑矩阵，记录满足条件的元素位置并映射到三维矩阵，将三维矩阵内对应位置的元素值加0.5变为1，即在三维像素模型内对应像素的所属材料从砂浆改变成骨料；
所述三维像素采样点之间的乘除运算为矩阵点乘和点除，即矩阵各个相同位置的元素相乘和相除；
(3.2)建立椭球或卵球骨料：
确定长细比，等效半径取各级配骨料的半径，计算长半径、短半径、对称半径和极半径；
以即将投放骨料的中心点为旋转点将椭球或卵球随机旋转三个欧拉角α、β、γ，其中，β的范围是[0，π]均布函数，α和y是范围为[0，2π]的均布函数；
将即将投放骨料的中心点、各类半径和三维像素采样点代入旋转后的形状公式，得到一个逻辑矩阵，记录满足条件的元素位置并映射到三维矩阵，将三维矩阵内对应位置的元素值加0.5变为1，即在三维像素模型内对应像素的所属材料从砂浆改变成骨料；
(3.3)建立凸多面体骨料：
确定长细比，等效半径取各级配骨料的半径，计算外接卵球的长半径、短半径、对称半径和极半径；在原点生成卵球，作为多面体骨料中心，以卵球的6个端点作为凸多面体的固定顶点，将卵球在x、y、z三轴平分，将平面方程代入卵球方程求解得到在卵球上的补充点，作为多面体骨料的补充顶点；
采用Convexhull包围体构造凸包围体的外包面并获取各面信息，通过元素中心点坐标判断各元素中心点是否在该多面体内，三维像素模型中若元素中心点在多面体内，不包括中心点在面和边上的元素，则对应位置的矩阵元素值加0.5变为1，该位置像素所属材料从砂浆变为骨料；再以原点为旋转点按步骤(3.2)的方法旋转骨料并三维平移到投放中心点生成骨料；
(3.4)建立凹多面体骨料：
运行步骤(3.3)生成进行未旋转和三维平移的凸多面体，采用Convexhull包围体构造凸包围体的外包面并获取各面信息，选取任意面的三个角点，计算出该面中点(Xc，Yc，Zc)并与原点相连记为线段lc，在lc上取点(Xao，Yao，Zao)作为多面体的凹点；新生成凹点的坐标以下式表示：
Xao＝δXc，Yao＝δYc，Zao＝δZc，δ∈(0，1)(1)
式中，δ＝该凹点到原点的距离/lc的长度，在(0，1)上随机取值，表示这条边新生成的凹点向内凹的程度，δ越接近1，该边凹陷高度较小，μ越接近0，该边凹陷高度较高；
选取该面的三个角点和新生成的凹点，用步骤(3.3)的Convexhull包围体构造凸三面体，用原凸多面体减去该三面体得到凹多面体骨料，即在三面体对应位置的元素值减0.5变为0.5，像素所属材料从骨料改为砂浆；再以原点为旋转点按步骤(3.2)的方法旋转骨料并三维平移到投放中心点生成骨料；
(3.5)再生骨料：
确定取代率v，在步骤(3.1)、(3.2)、(3.3)或(3.4)经过步骤5成功生成骨料，或在步骤8中每成功生成一次骨料，将骨料元素由1改为0.8，对应像素的所属材料变为老砂浆；
一侧为老砂浆另一侧为老骨料的生成方式，过骨料投放中心生成一个平面或曲面，随机旋转三个欧拉角α’、β’、y’，其中，β’的范围是[0，π]均布函数，α’和y’是范围为[0，2π]的均布函数；在三维像素模型中选定中心点同时满足“在骨料内”和“在生成面一侧”的像素，将三维矩阵中对应位置的元素值改为1，即像素所属材料变为老骨料；
老砂浆完全包围或部分包围老骨料的生成方式，在老砂浆的骨料投放中心，在步骤(3.1)、(3.2)、(3.3)或(3.4)中选取一种建立等效半径小于老砂浆等效半径的骨料；将矩阵中将同时满足“在老砂浆内”和“在骨料内”的元素值改为1，即像素所属材料变为老骨料；
步骤4、建立基于真实骨料的骨料库
(4.1)提取前处理
使用铁绿色S5605型氧化铁(Fe2O3)和铁红色S190型氧化铁(Fe2O3)对试块中的组分进行染色；经浇筑养护后，使用水磨机对彩色混凝土试块进行逐层打磨，并将打磨平整后的试件使用扫描仪进行扫描，扫描完成后再进行下一次打磨；每次打磨深度为1mm；不局限于以上几种颜料，只要能够形成明显的红色和绿色的颜料都可以用于混凝土的染色；
(4.2)重构真实三维模型：
将扫描并识别出组分的切片图重构为三维模型，并以实际中1mm的尺寸对应1个像素的矩阵规模，生成与实际尺寸一致的矩阵；
(4.3)重构真实三维粗骨料：
从三维模型中提取所有的真实骨料作为三维骨料库，用于参数的提取和骨料的投放；在三维空间中，若某体素与其他体素在邻域中相连，则这两个体素为同一连通域；通过提取不同连通域的方法提取出不同骨料，并将该属于骨料的体素单独提取到一个新的矩阵中；
在矩阵中以坐标的形式存储骨料，各新矩阵和实际尺寸一致；
(4.4)单个粗骨料拟合前处理：
计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：应敬伟，简榆峻，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：广西;45