采用重叠接触切割算法的二维超高体积分数混杂岩数值模拟模型的生成方法技术

本发明专利技术公布一种采用重叠接触切割算法的二维超高体积分数混杂岩数值模拟模型的生成方法，包括根据给定的颗粒级配曲线等前提条件随机生成多边形的骨料框架；记录下多边形骨料框架的坐标信息，导入离散元软件，将骨料框架放置到边界区域墙内，并实现骨料颗粒向刚性簇的转化；进行DEM模拟，使得骨料间能够自由碰撞，直至平衡，记录簇碰撞后分布的位置信息在几何文件；然后通过调用Python语言开发的骨料接触判定算法对几何文件中骨料实体的接触性进行判断，对存在接触和重叠量的骨料进行切割，最终得到高体积分数混杂岩数值模拟模型。本发明专利技术可以生成极超高体积分数的混杂岩数值模拟模型，同时避免骨料间的重叠，更好模拟骨料颗粒间的接触面。料颗粒间的接触面。料颗粒间的接触面。

【技术实现步骤摘要】
采用重叠接触切割算法的二维超高体积分数混杂岩数值模拟模型的生成方法


[0001]本专利技术属于不均匀岩土材料混杂岩数值模拟参数研究
，具体涉及一种采用重叠接触切割算法的二维超高体积分数混杂岩数值模拟模型的生成方法。

技术介绍

[0002]由于实验方法的限制以及数值模拟方法的迅速兴起与发展，通过数值模拟的方法来研究混杂岩材料的力学参数和力学性能，能够较好地克服原位实验以及室内实验过程中试样完整度、试样的扰动、试样尺寸以及实验操作引起的误差等问题。
[0003]数值模拟研究存在一个重要的问题——实验模型的建立，即生成符合数值模拟要求的骨料级配与高骨料体积分数的数值模型试样。目前，基本没有研究者生成骨料体积分数大于90％的混杂岩模型；然而，在室内试验中，混杂岩试样的骨料体积分数已经达到 90％，如Afifipour等人在Mechanical behavior of bimrocks having high rockblock proportion一文中就将混杂岩的骨料体积分数提高到90％。因此需要研究超高体积混杂岩数值模拟模型，来克服原位实验以及室内实验过程中存在误差等问题。
[0004]在模型建立问题上，现有细观数值模拟模型生成方法主要有两种，一是图像处理法；二是随机块体投放法。图像处理法即对混杂岩试样的截面进行扫描和图象识别，以此来区分骨料和基质，并建立模型；但此方法没有办法研究混杂岩材料内部材质分布的随机性，具有一定局限性。随机块体投放法通过算法生成随机块体，运用投放算法在指定的模型边界区域内投放块体，但投放时要考虑接触，因此生成的混杂岩模型骨料体积分数很难达到需求，更难生成很超高体积分数的混杂岩模型。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种采用重叠接触切割算法的二维超高体积分数混杂岩数值模拟模型的生成方法，解决现有技术中无法真正生成超高体积分数混杂岩模型和模拟骨料间面与面接触的技术问题。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案实现：
[0007]一种采用重叠接触切割算法的二维超高体积分数混杂岩数值模拟模型的生成方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1：根据颗粒级配曲线和骨料体积分数等信息生成所有的多边形骨料框架几何模型。
[0009]步骤2：利用离散元软件，根据多边形骨料框架生成相同大小、形状的刚性簇clump，并将模型边界设定为墙边界；保证骨料颗粒能在模型边界内，同时可模拟骨料在边界上的分布；
[0010]步骤3：生成骨料刚性簇和设置边界后，运用离散元模拟刚性簇的碰撞，使骨料位置重新分布；待骨料颗粒碰撞达到平衡后获取重分布后骨料刚性簇轮廓的坐标信息，得到
骨料颗粒随机分布的混杂岩几何模型，并保存为几何文件；该步骤可以模拟自然界中混杂岩中骨料颗粒的随机分布，允许骨料颗粒在任意位置以任意角度分布，贴近真实情况；
[0011]步骤4：调用接触重叠判断算法，处理混杂岩模型几何文件；获得整个模型的所有骨料颗粒的多边形实体，通过上述算法，循环遍历所有骨料实体，寻找到与周围多边形骨料颗粒存在接触重叠量的骨料，并判别接触重叠类型。
[0012]步骤5：根据骨料接触重叠类型，采用不同的接触重叠切割算法对接触重叠的骨料进行切割，每次切割后将对应骨料信息更新到多边形骨料实体的列表中。
[0013]步骤6：对更新后的骨料实体列表重复步骤5，直至边界内所有产生接触重叠量的多边形骨料均被切割、更新。对于接触重叠的骨料颗粒切割后，如果不对骨料实体进行更新，一旦某一骨料与多个骨料接触重叠，在后期重新导出几何文件时，导致先切割重叠部分被重复绘制，导致切割失败；所以，每次进行步骤5后，需对骨料实体列表进行更新，直至任何两个骨料间无接触重叠量。
[0014]步骤7：运用相应的几何图形导出算法，将进行切割后的多边形骨料重新写成几何文件并导出；并对导出的几何文件中骨料颗粒实体的面积进行累加，获得最终的二维混杂岩模型中骨料颗粒的总面积S
a
，并与模型边界区域面积S
b
进行比值计算，得出切割后骨料的体积分数。
[0015]进一步优化，所述步骤1中，生成所有的多边形骨料框架的过程如下：
[0016]步骤1.1：在极坐标系中，以原点为基点，通过随机函数获得一系列随机半径和角度值，根据随机半径和角度得到一系列随机点，将这些点顺序连接得到多边形骨料；
[0017]步骤1.2：通过累加得到模型边界内所有骨料的总面积；根据颗粒级配曲线的骨料粒径区间进行划分，按照对应粒径区间内骨料的面积与所有骨料的总面积的比值来控制相应的粒径区间内骨料在模型中的占比；
[0018]步骤1.3：通过累加得到所有骨料的总面积，通过骨料的总面积与模型边界区域面积比值来控制混杂岩模型的体积分数。
[0019]进一步优化，所述步骤2中还包括如下步骤：采用明可夫斯基算法，以多边形骨料模型每个边的法向向外扩展，使所有骨料的轮廓向外延伸扩展；运用离散元模拟簇的碰撞，待骨料颗粒碰撞达到平衡后，再把骨料的外部轮廓恢复到扩展之前的状态。通过将骨料框架边界向外延展，相当于给骨料外包裹一个外壳，则部分骨料碰撞过程中产生的重叠量处于外壳部分，当把骨料的外部轮廓恢复到扩展之前的状态后，部分骨料之间的接触重叠会消失，即减少了骨料之间的重叠，通过控制扩展的距离可以初步控制骨料颗粒的接触和重叠。
[0020]进一步优化，所述步骤2中，生成刚性簇的方法具体如下：以各个骨料颗粒的多边形框架生成刚性簇的模板，以此模板作为生成与多边形骨料具有相同形状刚性簇的基础，然后通过使用Bubble Pack算法，用Pebble颗粒自动填充刚性簇模板，得到刚性簇。刚性簇(clump)内部的Pebble颗粒间没有相对变形，因此不会破坏，这就保证骨料颗粒在碰撞中不发生变形和破环，保证原有骨料形状。
[0021]进一步优化，所述步骤3中，刚性簇碰撞特性如下：在离散元软件中通过离散单元法模拟刚性簇之间的碰撞，将模型的边界设置成刚性的墙，并赋予刚度，同时给骨料刚性簇也赋予接触模型和刚度，由于墙和骨料都存在刚度，产生重叠时就会碰撞、弹开；通过骨料
刚性簇之间的相互碰撞、弹开和骨料刚性簇与墙边界之间的碰撞，从而实现骨料颗粒的重分布，并允许边界上存在骨料颗粒。
[0022]进一步优化，为保证骨料颗粒在碰撞中不飞出边界，设置墙的刚度远大于骨料刚性簇的刚度；骨料与墙之间的接触会难于骨料刚性簇之间的接触；当体积分数设定较大时，由于离散元方法允许存在重叠量的特性，骨料刚性簇之间会产生一定的重叠量，与现实情况不符。
[0023]为保证模型要求的体积分数，针对位于一侧边界墙上的骨料颗粒，超出该侧边界的部分通过周期性边界被放置到与之对称的另一侧边界上；位于模型边界角点上的骨料颗粒被分为四部分，通过周期性边界分别放置到模型边界对应的四个角点内部。
[0024]进一步优化，所述步骤4中，采用接触重叠判断算法判断骨料触重叠类型，具体如下：采用接触重本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.采用重叠接触切割算法的二维超高体积分数混杂岩数值模拟模型的生成方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据颗粒级配曲线和骨料体积分数信息生成所有的多边形骨料的二维框架几何模型；步骤2：利用离散元软件，根据多边形骨料框架生成相同大小、形状的刚性簇，并将模型边界设定为墙边界，保证骨料颗粒能在模型边界内，同时可模拟骨料在边界上的分布；步骤3：运用离散元模拟刚性簇的碰撞，使骨料位置重新分布；待骨料颗粒碰撞达到平衡后获取重分布后骨料刚性簇轮廓的坐标信息，得到骨料颗粒随机分布的混杂岩几何模型，并保存为几何文件；步骤4：采用接触重叠判断算法，处理混杂岩模型几何文件，获得整个模型的所有骨料颗粒的多边形实体，循环遍历所有骨料实体，寻找与周围多边形骨料颗粒存在接触重叠量的骨料，并判别接触重叠类型；步骤5：根据骨料接触重叠类型，采用不同的接触重叠切割算法对接触重叠的骨料进行切割，每次切割后将对应骨料信息更新到多边形骨料实体的列表中；步骤6：对更新后的骨料实体列表重复步骤5，直至边界内所有产生接触重叠量的多边形骨料均被切割、更新；步骤7：将进行切割后的多边形骨料重新写成几何文件并导出；并对导出的几何文件中骨料颗粒实体的面积进行累加，获得最终的二维混杂岩模型中骨料颗粒的总面积S
a
，并与模型边界区域面积S
b
进行比值计算，得出切割后骨料的体积分数。2.根据权利要求1所述的采用重叠接触切割算法的二维超高体积分数混杂岩数值模拟模型的生成方法，其特征在于，所述步骤1中，生成所有的多边形骨料框架的过程如下：步骤1.1：在极坐标系中，以原点为基点，通过随机函数获得一系列随机半径和角度值，根据随机半径和角度得到一系列随机点，将这些点顺序连接得到多边形骨料；步骤1.2：通过累加得到模型边界内所有骨料的总面积；根据颗粒级配曲线的骨料粒径区间进行划分，按照对应粒径区间内骨料的面积与所有骨料的总面积的比值来控制相应的粒径区间内骨料在模型中的占比；步骤1.3：通过累加得到所有骨料的总面积，通过骨料的总面积与模型边界区域面积比值来控制混杂岩模型的体积分数。3.根据权利要求2所述的采用重叠接触切割算法的二维超高体积分数混杂岩数值模拟模型的生成方法，其特征在于，所述步骤2中还包括如下步骤：采用明可夫斯基算法，以多边形骨料模型每个边的法向向外扩展，使所有骨料的轮廓向外延伸扩展；运用离散元模拟簇的碰撞，待骨料颗粒碰撞达到平衡后，再把骨料的外部轮廓恢复到扩展之前的状态。4.根据权利要求3所述的采用重叠接触切割算法的二维超高体积分数混杂岩数值模拟模型的生成方法，其特征在于，所述步骤2中，生成刚性簇的方法具体如下：以各个骨料颗粒的多边形框架生成刚性簇的模板，以此模板作为生成与多边形骨料具有相同形状刚性簇的基础，然后采用Bubble Pack算法，用Pebble颗粒自动填充刚性簇模板，得到刚性簇。5.根据权利要求4所述的采用重叠接触切割算法的二维超高体积分数混杂岩数值模拟模型的生成方法，其特征在于，所述步骤3中，刚性簇碰撞特性如下：在离散元软件中通过离散单元法模拟刚性簇之间的碰撞，所述模型的边界为矩形，将
模型的边界设置成刚性的墙，并赋予刚度，同时给骨料刚性簇也赋予接触模型和刚度，由于墙和骨料都存在刚度，产生重叠时就会碰撞、弹开；通过骨料刚性簇之间的相互碰撞、弹开和骨料刚性簇与墙边界之间的碰撞，实现骨料颗粒的重分布，并允许模型的边界上存在骨料颗粒。6.根据权利要求5所述的采用重叠接触切割算法的二维超高体积分数混杂岩数值模拟模型的生成方法，其特征在于，设置模型边界墙的刚度远大于骨料刚性簇的刚度；针对位于一侧边界墙上的骨料颗粒，超出该侧边界的部分通过周期性边界被放置到与之对称的另一侧边界上；位于模型边界角点上的骨料颗粒被分为四部分，通过周期性边界分别放置到模型边界对应的四个角点内部。7.根据权利要求6所述的采用重叠接触切割算法的二维超高体积分数混杂岩数值模拟模型的生成方法，其特征在于，所述步骤4中，采用接触重叠判断算法判断骨料触重叠类型，具体如下：读取几何文件，获得每个骨料多边形的坐标点信息；然后调用多边形接触重叠判断算法对骨料多边形的接触重叠量进行判断；骨料的接触重叠包括以下七种类型：1)相邻多边形骨料之间存在点与点接触；2)相邻多边形骨料之间存在点与线接触；3)相邻多边形骨料之间存在线与线接触；4)相邻多边形骨料之间存在重叠量，且重叠部分为一个多边形，重叠部分在模型边界内部，与边界没有接触；5)相邻多边形骨料之间存在重叠量，且重叠部分为多个多边形，重叠部分在模型边界内部，与边界没有接触；6)相邻多边形骨料之间存在重叠量，且重叠部分为一个多边形，同时重叠部分与模型边界接触，两个多边形骨料只有一个交点。7)相邻多边形骨料之间存在重叠量，且重叠部分为多个多边形，同时重叠部分与模型边界接触，两个多边形骨料有多个交点。8.根据权利要求7所述的采用重...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟庆祥，杨为民，丁喻，宋杭天，薛浩宇，陈佳敏，朱淳，胡南翔，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：