土石颗粒集合体中确定表征体元的几何方法技术

本发明专利技术公开了一种土石颗粒集合体中确定表征体元的几何方法；属于岩土工程领域，操作步骤：确定二维区域

【技术实现步骤摘要】
土石颗粒集合体中确定表征体元的几何方法


[0001]本专利技术属于岩土工程领域，具体的是，涉及了一种土石颗粒集合体中确定表征体元的几何方法
。

技术介绍

[0002]尺寸效应
(
体积效应
)
是指材料或试样的体积往往对其表现出来的性质有一定的影响，这主要是由于内部成分不均匀或者微观组织缺陷而造成的
。
近年来，尺寸效应的关注度越来越高，我们在做试验或者数值模拟时，需要一种可以减少尺寸效应影响的方法来确定试样尺寸
。
[0003]在开展砂土的数值模拟时，由于砂土颗粒的粒径很小，模型内往往包含大量的砂土颗粒，计算机在计算每一个颗粒的状态时会耗费巨大的算力和时间
。
通过减小试样体积的方式可以提高效率，但若设定的模拟试样的体积太小，可能会使得模拟结果具有特殊性
。
而当用试验设备去试验研究时，若研究对象包含较大粒径的碎石土，由于试验设备的限制，使得制备试样的体积一定，其内部包含的碎石土数量不够多，因而表现也会出特殊性
。
[0004]当前并没有一个很好的办法来确定试样的体积，在目前的研究实验中，比较常见的有2种方法
。
一是先做几个不同尺寸的试样，通过预实验来分析对比不同尺寸试样的结果，从而确定试样体积
。
二是查阅现有的土工试验规范来确定试样的体积，该方法使用范围广泛，但并不具有针对性，得到的结果可能与实际有一定差别
。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术目的在于从几何的角度出发，提出一种在离散的随机的模拟土石颗粒集合体中，确定最小单元体的方法，使得该单元体所表现出来的性质与整体所表现出来的性质一致
。
[0006]本专利技术的技术方案是：本专利技术所述的一种土石颗粒集合体中确定表征体元的几何方法
(
一种利用编程实现模拟研究的方法
)
，其操作步骤如下：
[0007]步骤1：先确定一个二维区域
S1，作为土石工况的分布面积，用容器来表示，区域一般使用矩形，长度为
X
，宽度为
Y
；
[0008]步骤2：向二维区域
S1内，投放一定数量的二维土石颗粒，在随机投放过程中要保证二维土石颗粒与二维土石颗粒之间不能有接触，且不能有重叠，即颗粒的横坐标分布在
[R
，
X
‑
R]，纵坐标分布在
[R
，
Y
‑
R]；
[0009]步骤3：编写二维土石颗粒与等比缩放的容器的边界相交时，计算相交面积的代码，在计算的方法上，视情况的不同可以采用多种计算方式；
[0010]步骤4：向二维区域
S1内放置大量与其等比缩放的区域，称为视窗，分别求出各个视窗的孔隙率，统计不同大小视窗的孔隙率的最大值与最小值；
[0011]步骤5：通过步骤4统计的孔隙率最大值和孔隙率最小值数据绘制成折线，并对曲线进行拟合，分析拟合折线中的参数，通过计算来确定该工况下的最小代表性单元体，即表
征体元；
[0012]步骤6：用取得的表征体元大小设定为试验试样的大小，参与数值模拟等，小尺寸的试样即可减小试验成本，为试验带来便捷
。
[0013]进一步的，设定二维区域
S1为矩形区域，二维土石颗粒为圆形颗粒
。
[0014]进一步的，在步骤2中，在二维区域
S1投放二维土石颗粒的具体方法为：先在长度范围
[R
，
X
‑
R]，宽度范围
[R
，
Y
‑
R]的区域
S2内随机投放一个圆形颗粒，其中
R
为圆形颗粒半径，以保证投放的圆形颗粒不会与二维区域
S1出现相交的情况，并记录下该圆形颗粒的圆心坐标
。
[0015]进一步的，所述步骤2的方法还包括：生成第一个圆形颗粒后，记录下该圆形颗粒的坐标；
[0016]随后再向区域
S2内投放下一个圆形颗粒，并通过圆心的距离公式来判别是否与原先的圆形颗粒出现相交或重叠；
[0017]若没有出现相交或重叠，则记录下该圆心的坐标，然后继续生成新的圆形颗粒并重复上述步骤，否则重新随机生成一个坐标
。
[0018]进一步的，在步骤3中，相交面积的计算方法有以下几种：方法一：撒点概率法，在圆形颗粒所在的区域内随机投放一定数量的点，判断随机生成的点是否在视窗内，统计在视窗内的点占总共撒点的数量，来确定视窗与圆形颗粒相交的面积，这种方法的好处是较为通用，代码简单，但在通过增多撒点数量来提高计算精度时，用时较长；
[0019]方法二：网格划分法，按照需要的精度要求，将圆形颗粒划分成大量的小正方形，统计在视窗内的小正方形的数量，即可得到圆形颗粒与视窗的相交面积，该方法相对第一种方法复杂一点，但在计算效率上会稍高；
[0020]方法三：理论公式法，讨论二维土石颗粒与视窗相交的情况，按照类别用相应的理论公式求解，这种方法的好处在与计算效率很高，但代码编写较为复杂，且计算的对象具有针对性，不像前两种办法适用性较为广泛
。
[0021]进一步的，所述步骤4方法还包括：所述向二维区域
S1内放置与其等比缩放的视窗时，具体的放置方式有：视窗投放的位置完全随机，即在区域
S1内按均匀分布随机生成；或是按照一定坐标顺序均匀排布的
。
且视窗的大小应有多种，当同种大小的视窗投放够一定数量后，调整视窗大小，再重新投放和计算，并记录各个视窗下的孔隙率数据；
[0022]在投放时，要保证视窗不会超出容器本身，若视窗大小为长度为
L
，宽度为
B
，则视窗投放时，其起始的横纵坐标范围应分别在
[0
，
X
‑
L]，
[0
，
Y
‑
B]内
。
[0023]进一步的，所述步骤5方法还包括：将数据绘制成折线图并进行拟合，得到拟合曲线；
[0024]其中横坐标用视窗的大小，纵坐标用对应视窗大小投放时，所有视窗中孔隙率的最大值和最小值，拟合线方程如下：
[0025]视窗孔隙率最大值：
y
＝
(1
‑
n)*e
‑
x/t
+n+b
[0026]视窗孔隙率最小值：
y
＝
n*(1
‑
e
‑
x/t
)+b
；
[0027]其中，
y
表示孔隙率，
x
表示视窗大小，
n
表示容器整体孔隙率，
t
和
b
为拟合参数
。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
土石颗粒集合体中确定表征体元的几何方法，其特征在于：其操作步骤如下：
(1)
：先确定一个二维区域
S1，即容器；将其作为土石工况的分布面积；
(2)
：向二维区域
S1内随机投放二维土石颗粒，在随机投放过程中确保颗粒与颗粒之间无接触且无重叠；
(3)
：编写土石颗粒与等比缩放的二维区域
S1的边界相交时，计算相交面积的代码，在计算的方法上，视情况的不同采用多种计算方式；
(4)
：向二维区域
S1内放置与其等比缩放的区域，即视窗；分别求出各个视窗的孔隙率，统计不同大小视窗的孔隙率的最大值与最小值；
(5)
：通过步骤
(4)
统计的孔隙率最大值和孔隙率最小值数据绘制成折线，并对折线进行拟合，分析拟合曲线中的参数，通过计算来确定该工况下的最小代表性单元体，即表征体元；
(6)
：用取得的表征体元大小设定为试验试样的大小及参与数值模拟，其中小尺寸的试样即可减小试验成本
。2.
根据权利要求1所述的土石颗粒集合体中确定表征体元的几何方法，其特征在于：在步骤
(1)
中，设定二维区域
S1为矩形区域，其长度为
X
，宽度为
Y。3.
根据权利要求1所述的土石颗粒集合体中确定表征体元的几何方法，其特征在于：在步骤
(2)
中，所述二维土石颗粒为圆形颗粒
。4.
根据权利要求1所述的土石颗粒集合体中确定表征体元的几何方法，其特征在于：在步骤
(2)
中，所述在随机投放过程中确保颗粒与颗粒之间无接触且无重叠即：颗粒的横坐标分布在
[R
，
X
‑
R]
，纵坐标分布在
[R
，
Y
‑
R]。5.
根据权利要求1所述的土石颗粒集合体中确定表征体元的几何方法，其特征在于：在步骤
(2)
中，所述向二维区域
S1内随机投放二维土石颗粒的操作方法如下：先在长度范围
[R
，
X
‑
R]
，宽度范围
[R
，
Y
‑
R]
的区域
S2内随机投放一个圆形颗粒，其中，
R
为圆形颗粒半径，以确保投放的圆形颗粒不会与二维区域
S1出现相交的情况，并记录下该圆形颗粒的圆心坐标
。6.
根据权利要求1所述的土石颗粒集合体中确定表征体元的几何方法，其特征在于：在步骤
(2)
中，所述向二维区域
S1内随机投放二维土石颗粒的操作方法还包括：生成第一个圆形颗粒后，记录下该圆形颗粒的坐标；随后再向区域
S2内投放下一个圆形颗粒，并通过圆心的距离公式来判别是否与原先的圆形颗粒出现相交或重叠；若没有出现相交...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵玉嘉，王炳辉，张雷，王丽艳，竺明星，李小娟，吴涛，李炎，孙长青，周末，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：