一種混凝土骨料單元的二維隨機(jī)生成方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)為一種混凝土骨料單元的二維隨機(jī)生成方法，屬于混凝土細(xì)觀數(shù)值模擬前處理技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明專利技術(shù)通過(guò)不斷生成多邊形骨料單元，計(jì)算其形狀參數(shù)并與所需形狀參數(shù)相比較，直到生成符合要求的多邊形骨料單元的方式，最終得到具有特定形狀參數(shù)的多邊形骨料單元，為混凝土骨料形狀的作用機(jī)理研究提供重要使用工具。另外，本發(fā)明專利技術(shù)提出的凸包加凹點(diǎn)的骨料形狀生成方式，由此得到的骨料形狀與傳統(tǒng)方式更復(fù)雜多樣，與實(shí)際骨料形狀更貼近。

Two dimensional random generation method of concrete aggregate unit

The invention relates to a two-dimensional random generation method of concrete aggregate units, which belongs to the technical field of concrete meso numerical simulation pretreatment. The present invention by constantly generating polygon aggregate unit, calculate the shape parameters and compared with the desired shape parameters, comply with the requirements of the polygonal aggregate unit generated until final polygon aggregate units with specific shape parameters, provide an important tool to study the mechanism for the use of concrete aggregate shape. In addition, the shape of the convex hull and the concave point of the aggregate form are generated by the present invention, and the resultant aggregate shape is more complex and diverse than the traditional method, and is closer to the shape of the actual aggregate.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種混凝土骨料單元的二維隨機(jī)生成方法
本專利技術(shù)涉及混凝土細(xì)觀數(shù)值模擬前處理
，尤其涉及一種混凝土骨料單元的二維隨機(jī)生成方法。
技術(shù)介紹
混凝土是一種廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)的建筑材料，一般由粗骨料、細(xì)骨料、水和膠凝材料按照一定比例配制而成，其中粗、細(xì)骨料一般占混凝土體積70％以上，是混凝土的主要組成部分。骨料顆粒形狀是骨料的一項(xiàng)重要的物理特性，直接影響骨料的堆積密實(shí)度與空隙率，從而影響混凝土的宏觀物理性能。例如，對(duì)于粗糙多棱角的骨料顆粒，一方面高比表面積需要更多的水泥漿體包裹，導(dǎo)致混凝土需水量增加，另一方面粗糙表面與水泥漿體間的機(jī)械咬合作用更佳，可提高混凝土強(qiáng)度。混凝土細(xì)觀數(shù)值模擬是研究混凝土中骨料作用機(jī)理的重要方式，在細(xì)觀尺度上，混凝土由粗、細(xì)骨料和水泥漿體三相組成，利用不同幾何形狀指標(biāo)表征不同材料并構(gòu)建混凝土細(xì)觀模型，再賦予不同相材料的物理和化學(xué)等相關(guān)材料特征參數(shù)，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力通過(guò)有限元分析，最終可實(shí)現(xiàn)細(xì)觀尺度上的混凝土材料多種性能的仿真模擬。真實(shí)的混凝土細(xì)觀幾何模型是獲得精確數(shù)值模擬結(jié)果的必要前提，模型中不同的骨料形狀、分布方式及填充率會(huì)導(dǎo)致數(shù)值模擬結(jié)果存在顯著差異。因此，如何構(gòu)建基于真實(shí)骨料顆粒形狀特征的混凝土細(xì)觀幾何模型一直是混凝土細(xì)觀數(shù)值模擬領(lǐng)域的一大難點(diǎn)。因此，研究者們推導(dǎo)了多種形狀參數(shù)以體現(xiàn)骨料顆粒形狀的幾何特性，如利用顆粒寬度與長(zhǎng)度的比值表示顆粒的細(xì)長(zhǎng)性，利用顆粒面積與周長(zhǎng)平方的比值表示料顆粒邊緣的圓潤(rùn)程度等，這些形狀參數(shù)的出現(xiàn)使定量研究骨料顆粒形狀成為可能。通過(guò)形狀參數(shù)可將復(fù)雜的骨料幾何形狀簡(jiǎn)化為多種量化參數(shù)，從而為混凝土骨料形狀的測(cè)量及研究提供理論工具。然而，由于骨料顆粒的復(fù)雜性，目前混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型中大多采用生成隨機(jī)圓形、橢圓形、三角形或多邊形等作為骨料顆粒的生成方式，這些方式局限于定性地反映骨料顆粒形狀的類型，無(wú)法與形狀參數(shù)相結(jié)合反映真實(shí)的骨料顆粒形狀對(duì)材料物理性能的影響。綜上所述，由于缺乏有效的混凝土骨料顆粒形狀量化方法，目前針對(duì)計(jì)算機(jī)模擬骨料顆粒形狀的研究大多停留在定性階段，無(wú)法量化骨料形狀參數(shù)對(duì)混凝土宏觀材料特性的影響機(jī)理。因此，有必要提出一種基于骨料形狀特征參數(shù)的隨機(jī)骨料生成方法，為混凝土材料與結(jié)構(gòu)的細(xì)觀數(shù)值模擬提供有效幾何模型。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對(duì)上述不足，本專利技術(shù)提出一種混凝土骨料單元的二維隨機(jī)生成方法，該方法是在混凝土細(xì)觀模型中隨機(jī)生成多邊形骨料顆粒基礎(chǔ)上引入了形狀參數(shù)概念，即根據(jù)特定形狀參數(shù)隨機(jī)生成多邊形骨料顆粒單元。該方法概念清晰，使用簡(jiǎn)潔，為混凝土細(xì)觀分析骨料形狀提供了有效的工具。本專利技術(shù)通過(guò)以下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)上述目的：一種混凝土骨料單元的二維隨機(jī)生成方法，包括以下步驟：步驟1、確定待生成骨料單元的形狀參數(shù)輸入待生成混凝土骨料單元的延性參數(shù)、圓度參數(shù)和棱角度參數(shù)的具體數(shù)值，這些具體值在0到1之間，并指定誤差(1％-20％)從而確定待生成骨料單元各形狀參數(shù)范圍；步驟2、隨機(jī)生成多邊形骨料單元(2.1)做單位圓，在圓上任取關(guān)于圓心對(duì)稱的兩個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，用來(lái)標(biāo)定骨料模型的大小；(2.2)在圓內(nèi)任取n個(gè)點(diǎn)(10≤n<30)，加上兩個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，做這些點(diǎn)的凸包；(2.3)將凸包頂點(diǎn)與圓心相連，從而將凸包劃分為成三角形集合；(2.4)任意取一個(gè)步驟2.3生成的三角形，在此三角形內(nèi)任取一點(diǎn)，計(jì)算由新生成點(diǎn)與其所在三角形除圓心外頂點(diǎn)形成的凹角大小，如果凹角小于120度，則舍棄該點(diǎn)；重復(fù)取點(diǎn)，直到凹角大于等于120度，將該點(diǎn)與凸包各頂合并為骨料頂點(diǎn)集，順次連接各點(diǎn)從而獲得多邊形骨料單元；步驟3、計(jì)算生成的多邊形骨料單元的形狀參數(shù)(3.1)延性參數(shù)計(jì)算方法為：先計(jì)算多邊形上任意兩頂點(diǎn)在某一方向上的垂直距離，其中最大值則為此方向的費(fèi)雷特徑；再分別求出所有方向的費(fèi)雷特徑，其中最大值為最大費(fèi)雷特徑，最小值為最小費(fèi)雷特徑，最后將最小費(fèi)雷特徑除以最大費(fèi)雷特徑即為此多邊形延性參數(shù)；(3.2)圓度參數(shù)計(jì)算方法為：計(jì)算多邊形的面積和周長(zhǎng)，再按照?qǐng)A度參數(shù)的計(jì)算式即可以得到骨料單元的圓度參數(shù)；(3.3)棱角度參數(shù)計(jì)算方法為：計(jì)算多邊形的面積和外接凸多邊形面積，再按照棱角度參數(shù)的計(jì)算式即可以得到骨料單元的棱角度參數(shù)；步驟4、獲得多邊形骨料單元形狀將步驟3計(jì)算生成的多邊形骨料單元的形狀參數(shù)與步驟1中得到的形狀參數(shù)范圍進(jìn)行比較，如果形狀參數(shù)落在對(duì)應(yīng)的形狀參數(shù)范圍內(nèi)，則保留該多邊形骨料單元；否則舍棄，重復(fù)步驟2-步驟3，直到獲得滿足要求的多邊形骨料單元形狀。步驟5、生成混凝土骨料單元將步驟4獲得的多邊形骨料單元形狀縮放至指定粒徑大小，最終生成混凝土骨料單元。進(jìn)一步的，所述步驟(2.2)中凸包的獲取方法如下：將所需形成凸包的各點(diǎn)坐標(biāo)輸入Matlab自帶函數(shù)convexhull中，該函數(shù)通過(guò)運(yùn)算即可順次輸出包含這些點(diǎn)的最小凸多邊形頂點(diǎn)集，順次連接最小凸多邊形頂點(diǎn)集上的所有點(diǎn)，并獲得凸包。本專利技術(shù)的有益效果如下：1)本專利技術(shù)在混凝土細(xì)觀模型中隨機(jī)生成多邊形骨料顆粒基礎(chǔ)上引入了形狀參數(shù)概念，通過(guò)不斷生成多邊形骨料單元，計(jì)算其形狀參數(shù)并與所需形狀參數(shù)相比較，直到生成符合要求的多邊形骨料單元的方式，最終得到具有特定形狀參數(shù)的多邊形骨料單元；2)本專利技術(shù)提供了描述骨料形狀不同性質(zhì)的三種形狀參數(shù)，使用者可以根據(jù)需求自由組合選擇所需形狀參數(shù)；3)本專利技術(shù)首次提出了凸包加凹點(diǎn)的骨料單元生成方式，由此生成的骨料形狀單元相比傳統(tǒng)圓形、橢圓形、多邊形骨料單元形式更加復(fù)雜，與實(shí)際骨料更加貼近，且概念清晰、方法明確，具有很強(qiáng)的使用價(jià)值；4)本專利技術(shù)所述骨料單元生成方法基于Matlab平臺(tái)，可以很方便地與傳統(tǒng)投放方式相結(jié)合，生成混凝土細(xì)觀模型用于有限元數(shù)值模擬研究，為研究者進(jìn)一步研究骨料形狀的作用機(jī)理提供有力支持。附圖說(shuō)明圖1為本專利技術(shù)的混凝土骨料單元的二維隨機(jī)生成方法的流程圖；圖2為本專利技術(shù)的隨機(jī)多邊形骨料生成過(guò)程圖，(a)為在單位圓上生成標(biāo)定點(diǎn)的示意圖；(b)為在單位圓內(nèi)隨機(jī)生成若干隨機(jī)點(diǎn)的示意圖；(c)為通過(guò)(b)中隨機(jī)點(diǎn)生成的凸包示意圖；(d)為(c)凸包劃分三角形示意圖；(e)為凹點(diǎn)形成凹角過(guò)大的示意圖；(f)為凹點(diǎn)形成合適凹角的示意圖；(g)為最終形成骨料單元示意圖。圖3為骨料單元某一方向費(fèi)雷特徑的計(jì)算過(guò)程圖，(a)為骨料單元兩頂點(diǎn)計(jì)算某一方向垂直距離的示意圖；(b)為骨料單元某一方向費(fèi)雷特徑的示意圖。圖4為最終輸出骨料單元圖像及分析實(shí)例圖，(a)為實(shí)施例1最終輸出骨料單元圖像及分析結(jié)果圖；(b)為實(shí)施例2最終輸出骨料單元圖像及分析結(jié)果圖。圖5為本專利技術(shù)混凝土骨料單元生成方式與傳統(tǒng)投放方式結(jié)合生成的細(xì)觀模型實(shí)例圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本專利技術(shù)的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本專利技術(shù)為一種混凝土骨料單元的二維隨機(jī)生成方法，該方法生成可用于混凝土細(xì)觀模型的具有特定形狀參數(shù)的混凝土骨料單元，其流程如附圖1所示，具體包括以下步驟：步驟1、確定待生成骨料單元的形狀參數(shù)輸入待生成混凝土骨料單元的延性參數(shù)和圓度參數(shù)的具體數(shù)值，這些具體值在0到1之間，并指定誤差從而確定待生成骨料單元各形狀參數(shù)范圍.例如，可以輸入延性參數(shù)為0.7851，圓度參數(shù)為0.9207，棱角度參數(shù)為0.9344，指定誤差為5％，即待生成骨料單元延性參數(shù)范圍為0.7本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種混凝土骨料單元的二維隨機(jī)生成方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1、確定待生成骨料單元的形狀參數(shù)輸入待生成混凝土骨料單元的延性參數(shù)、圓度參數(shù)和棱角度參數(shù)的具體數(shù)值，這些具體值在0到1之間，并指定誤差(1％?20％)從而確定待生成骨料單元各形狀參數(shù)范圍。步驟2、隨機(jī)生成多邊形骨料單元(2.1)做單位圓，在圓上任取關(guān)于圓心對(duì)稱的兩個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，用來(lái)標(biāo)定骨料模型的大小；(2.2)在圓內(nèi)任取n個(gè)點(diǎn)(10≤n<30)，加上兩個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，做這些點(diǎn)的凸包；(2.3)將凸包頂點(diǎn)與圓心相連，從而將凸包劃分為成三角形集合；(2.4)任意取一個(gè)步驟2.3生成的三角形，在此三角形內(nèi)任取一點(diǎn)，計(jì)算由新生成點(diǎn)與其所在三角形除圓心外頂點(diǎn)形成的凹角大小，如果凹角小于120度，則舍棄該點(diǎn)；重復(fù)取點(diǎn)，直到凹角大于等于120度，將該點(diǎn)與凸包各頂合并為骨料頂點(diǎn)集，順次連接各點(diǎn)從而獲得多邊形骨料單元。步驟3、計(jì)算生成的多邊形骨料單元的形狀參數(shù)(3.1)延性參數(shù)計(jì)算方法為：先計(jì)算多邊形上任意兩頂點(diǎn)在某一方向上的垂直距離，其中最大值則為此方向的費(fèi)雷特徑；再分別求出所有方向的費(fèi)雷特徑，其中最大值為最大費(fèi)雷特徑，最小值為最小費(fèi)雷特徑，最后將最小費(fèi)雷特徑除以最大費(fèi)雷特徑即為此多邊形延性參數(shù)；(3.2)圓度參數(shù)計(jì)算方法為：計(jì)算多邊形的面積和周長(zhǎng)，再按照?qǐng)A度參數(shù)的計(jì)算式即可以得到骨料單元的圓度參數(shù)；(3.3)棱角度參數(shù)計(jì)算方法為：計(jì)算多邊形的面積和外接凸多邊形面積，再按照棱角度參數(shù)的計(jì)算式即可以得到骨料單元的棱角度參數(shù)。步驟4、獲得多邊形骨料單元形狀將步驟3計(jì)算生成的多邊形骨料單元的形狀參數(shù)與步驟1中得到的形狀參數(shù)范圍進(jìn)行比較，如果形狀參數(shù)落在對(duì)應(yīng)的形狀參數(shù)范圍內(nèi)，則保留該多邊形骨料單元；否則舍棄，重復(fù)步驟2?步驟3，直到獲得滿足要求的多邊形骨料單元形狀。步驟5、生成混凝土骨料單元將步驟4獲得的多邊形骨料單元形狀縮放至指定粒徑大小，最終生成混凝土骨料單元。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種混凝土骨料單元的二維隨機(jī)生成方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1、確定待生成骨料單元的形狀參數(shù)輸入待生成混凝土骨料單元的延性參數(shù)、圓度參數(shù)和棱角度參數(shù)的具體數(shù)值，這些具體值在0到1之間，并指定誤差(1％-20％)從而確定待生成骨料單元各形狀參數(shù)范圍。步驟2、隨機(jī)生成多邊形骨料單元(2.1)做單位圓，在圓上任取關(guān)于圓心對(duì)稱的兩個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，用來(lái)標(biāo)定骨料模型的大小；(2.2)在圓內(nèi)任取n個(gè)點(diǎn)(10≤n<30)，加上兩個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，做這些點(diǎn)的凸包；(2.3)將凸包頂點(diǎn)與圓心相連，從而將凸包劃分為成三角形集合；(2.4)任意取一個(gè)步驟2.3生成的三角形，在此三角形內(nèi)任取一點(diǎn)，計(jì)算由新生成點(diǎn)與其所在三角形除圓心外頂點(diǎn)形成的凹角大小，如果凹角小于120度，則舍棄該點(diǎn)；重復(fù)取點(diǎn)，直到凹角大于等于120度，將該點(diǎn)與凸包各頂合并為骨料頂點(diǎn)集，順次連接各點(diǎn)從而獲得多邊形骨料單元。步驟3、計(jì)算生成的多邊形骨料單元的形狀參數(shù)(3.1)延性參數(shù)計(jì)算方法為：先計(jì)算多邊形上任意兩頂點(diǎn)在某一方向上的垂直距離，其中最大值則為此方向的費(fèi)雷特徑；再分別求出所有方向的費(fèi)雷特徑，其...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：夏晉，徐彥帆，趙羽習(xí)，金偉良，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：浙江大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：浙江,33