【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及可破碎顆粒模型，尤其涉及基于可控制網格劃分數量和規則程度的真實顆粒形狀可破碎顆粒模型的建模方法。
技術介紹
1、顆粒材料廣泛應用于各類土木工程中，如水利工程、礦山開采、隧道建設以及建筑基礎等，由于其優異的抗壓性能和較好的透水性，成為了工程建設中的重要組成部分。然而，在工程建設和使用過程中，顆粒材料經常會遭遇超載或沖擊，導致顆粒破碎。顆粒破碎不僅會改變材料的宏觀力學性能，還會引發材料內部力學特性的變化，進而影響工程結構的穩定性和安全性。傳統的物理試驗由于受限于設備精度和實驗條件，難以在顆粒尺度上對破碎過程進行實時觀察和精確分析。因此，如何在微觀尺度下準確模擬顆粒破碎的機理，成為了顆粒材料研究中的一個重要課題。
2、隨著數值模擬技術的不斷發展，離散元法(dem)逐漸成為研究顆粒破碎的主要工具之一。離散元法通過將顆粒視為獨立的粒子，并在此基礎上模擬顆粒間的相互作用，能夠有效地揭示顆粒破碎過程中的力學行為。為了更好地模擬顆粒破碎現象并提高模擬結果的可靠性，亟需開發一種基于真實顆粒形狀的離散元模型。該模型能夠考慮顆粒的形狀、表面粗糙度以及破碎過程中的微觀力學特征，從而為顆粒破碎的數值研究提供更加真實和有效的工具。這不僅對顆粒材料的性能分析具有重要意義，也為相關工程應用提供了更加科學的理論支持。
3、在進行離散元顆粒破碎的研究中，顆粒的模型建造是首要任務。傳統的建模方法有兩種：一類是替換顆粒法，就是通過一個真實輪廓，用許多小體積球形顆粒粘結在一起填充輪廓內部，構造可破碎的顆粒模型。替換顆粒法的建模方便簡
4、相比于顆粒替換法的建模方法，多面體胞元可以滿足建模時的體積守恒，而且可以將外部荷載分解為作用在多面體上的拉伸力和剪切力。四面體胞元的破碎路徑始終平滑，而多面體胞元則通過微凸體和粗糙的破壞路徑提供了更多的破碎方式，這些路徑導致部分胞元發生拉伸和剪切滑動，從力學角度更準確地反映了顆粒破碎的實際過程，并更真實地再現了破碎路徑。盡管現有的開源軟件(如neper、voro++)和商業工具(如pfc3d、3dec、matlab)提供了多面體剖分功能，它們通常只能處理簡單的凸面幾何體。真實顆粒的形狀復雜且表面具有凹凸不平的特征，現有工具要么無法直接將其分割為適用于離散元分析的多面體胞元，要么劃分的多面體胞元無法控制網格的規則程度。
5、現有的黏結胞元法建模法是運用離散元軟件pfc通過導入顆粒模型的輪廓，轉化為具有約束效應的墻體；隨后在墻體內部生成若干互不接觸的球形小粒徑子顆粒，再以半徑擴大法逐步放大球形子顆粒的半徑進行填充，填充完畢后以子顆粒型心為種子，將顆粒輪廓的外接立方體劃分為voronoi多面體集合體，然后運用pfc命令，通過顆粒輪廓將立方體切割。另外一方法是將顆粒的輪廓導入有限元軟件中，通過有限元軟件的vorono網格劃分生成顆粒模型。盡管這些方法都能實現真實顆粒的建模，但是都沒有辦法控制voronoi網格劃分時的規則程度和控制voronoi網格劃分時的單元數量。
6、現有技術存在以下技術缺陷：
7、(1)通過顆粒替換法生成的模型無法模擬真實顆粒的形狀、表面粗糙度、體積等參數。(2)離散元軟件和有限元軟件都沒有統一的辦法控制網格劃分時網格數量和網格規則程度。(3)現有的建模方法無法做到二維建模和三維建模的統一。因此，針對這一問題，本文提出了一種控制網格規則程度的劃分方法，旨在精確地描述真實顆粒形狀并為顆粒破碎過程的數值模擬提供有效支持。
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于提供基于可控制網格劃分數量和規則程度的真實顆粒形狀可破碎顆粒模型的建模方法，解決
技術介紹
中提到的技術問題。
2、給出的方法包括先拍照提取和掃描真實的顆粒形狀，獲得顆粒輪廓信息，然后通過python編輯器讀取顆粒輪廓信息，在輪廓內使用控制網格規則程度法生成隨機點和外接矩形(三維是立方體)，導出隨機點的外接矩形(三維是立方體)信息，然后將隨機點坐標信息導入neper軟件對外接矩形(三維是立方體)進行voronio劃分，再將劃分的單元集合體信息導出，再一次導入python編輯器使用trimesh、numpy、shapely等庫用顆粒輪廓將矩形(三維是立方體)完成切割和保留，最后將處理后的voronoi單元組裝成可破碎顆粒模型。
3、運用黏結胞元法建模方法，實現基于真實顆粒形狀的建模，保證模型可以更精確的模擬真實顆粒的形狀、表面粗糙度、體積等參數。提出一種可以控制網格規則程度方法，以保證顆粒建模時子顆粒數量和子顆粒體積大小的均勻程度。有利于在離散元軟件里面研究顆粒破碎提供一種可控制子顆粒數量，子顆粒體積大小的均勻程度。該建模方法不僅適用于二維還適用于三維，做到了二維和三維建模的統一。
4、為了實現上述目的，本專利技術采用的技術方案如下：
5、基于可控制網格劃分數量和規則程度的真實顆粒形狀可破碎顆粒模型的建模方法，所述方法包括如下步驟：
6、步驟1：選擇真實顆粒，相機拍照并通過深度學習圖像識別技術獲得二維真實顆粒輪廓邊界，掃描儀掃描并通過3d掃描軟件獲得需要建模的真實三維顆粒輪廓；
7、步驟2：讀取顆粒的二維和三維輪廓信息作為模型邊界，在顆粒模型內部通過控制網格規則程度的方法生成隨機點，然后生成輪廓信息，最后提取隨機點坐標信息和輪廓信息；
8、步驟3：將隨機點坐標信息和輪廓信息導入軟件生成單元集合體，提取單元集合體的所有信息；
9、步驟4：提取單元集合中的各單元頂點坐標，并將各個單元體進行編號，讀取其中一個編號的若干面體單元信息及顆粒輪廓信息，如果單元與輪廓相交，采用凸包分割算法通過數據點替換方法完成若干面體的切割，根據顆粒輪廓判斷切割后分位于輪廓內部和位于輪廓外部的信息，將輪廓內部的頂點信息提取出來，如果單元在輪廓內部，提取該單元所有頂點信息；
10、步驟5：循環步驟4，按照編號對所有若干邊形或者三維是多面體單元進行切割，并將頂點信息以同樣方式保存在同一個文件；
11、步驟6：將上一步的文件數據信息導入離散元軟件，生成所有的若干邊形或者三維是多面體即可破碎真實顆粒模型，使用平行黏結法賦予各單元之間的粘結力，之后便可以模擬顆粒破碎。
12、進一步地，步驟1的具體過程為：真實顆粒來源于實際工程中的爆破料礫石、碎石，或者河道河床的卵石，通過相機拍照利用深度學習圖像識別技術獲得二維真實顆粒輪廓邊界，數據文件保存為json文件，通過掃描儀獲得真實顆粒的三維輪廓信息，通過點云建模和三角形網格拼接生成的與真實顆粒形狀、體積一致的顆粒模型，保存為stl格式文件。
13、進一步地，步驟2中，通過python編譯器讀取顆粒的二維和三維輪廓的信息，在顆粒模型內部生成隨機點，生成隨機點之后，繼續生成本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.基于可控制網格劃分數量和規則程度的真實顆粒形狀可破碎顆粒模型的建模方法，其特征在于：所述方法包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的基于可控制網格劃分數量和規則程度的真實顆粒形狀可破碎顆粒模型的建模方法，其特征在于：步驟1的具體過程為：真實顆粒來源于實際工程中的爆破料礫石、碎石，或者河道河床的卵石，通過相機拍照利用深度學習圖像識別技術獲得二維真實顆粒輪廓邊界，數據文件保存為JSON文件，通過掃描儀獲得真實顆粒的三維輪廓信息，通過點云建模和三角形網格拼接生成的與真實顆粒形狀、體積一致的顆粒模型，保存為STL格式文件。
3.根據權利要求1所述的基于可控制網格劃分數量和規則程度的真實顆粒形狀可破碎顆粒模型的建模方法，其特征在于：步驟2中，通過python編譯器讀取顆粒的二維和三維輪廓的信息，在顆粒模型內部生成隨機點，生成隨機點之后，繼續生成輪廓的外接矩形或者三維是立方體，將隨機點的坐標信息和外接矩形或者三維是立方體的長寬高信息提取出來。
4.根據權利要求1所述的基于可控制網格劃分數量和規則程度的真實顆粒形狀可破碎顆粒模型的建模方法，其特征在于：步
5.根據權利要求1所述的基于可控制網格劃分數量和規則程度的真實顆粒形狀可破碎顆粒模型的建模方法，其特征在于：步驟3中，通過neper軟件的命令，將隨機點信息導入neper軟件里面把輪廓的外接矩形或者三維是立方體劃分為Voronoi若干邊行網格或者三維是多面體單元集合體，提取單元集合體的信息，文件為tess文件，里面包含有各個單元的點，面，邊的信息。
6.根據權利要求1所述的基于可控制網格劃分數量和規則程度的真實顆粒形狀可破碎顆粒模型的建模方法，其特征在于：步驟4中，利用Python編譯器讀取單元集合體的tess文件，提取若干邊形或者三維是多面體單元集合中的各單元頂點坐標，并將各個單元體進行編號，將各單元頂點坐標保存在單元體的編號下，當為二維情況下時，讀取編號為1的若干邊形單元信息及顆粒輪廓信息，如果單元與輪廓相交，提取單元所有頂點信息，直接采用數據點替換方法，使用trimesh、numpy和shapely庫將與輪廓相交的若干邊形將輪廓外面的頂點坐標換為作多邊形內部包含的輪廓點和輪廓點鏈接形成的交點，保留輪廓點內部的頂點，完成多邊形的重構，如果單元在輪廓內部，提取單元所有頂點信息直接保存。
7.根據權利要求1所述的基于可控制網格劃分數量和規則程度的真實顆粒形狀可破碎顆粒模型的建模方法，其特征在于：步驟5中，按照步驟4的方法循環所有若干邊形或者三維是多面體單元，并將所有信息提取出來轉化為離散元軟件可讀的命令語格式，保存為txt格式。
8.根據權利要求1所述的基于可控制網格劃分數量和規則程度的真實顆粒形狀可破碎顆粒模型的建模方法，其特征在于：步驟6中，將步驟5的txt文檔導入離散元軟件中運行，若干邊形或者三維是多面體之間賦予黏結力用以顆粒破碎。
9.根據權利要求1所述的基于可控制網格劃分數量和規則程度的真實顆粒形狀可破碎顆粒模型的建模方法，其特征在于：步驟3中，通過控制Voronio網格劃分可以調整顆粒破碎中子顆粒的數量和體積大小的差異程度，減小模擬誤差。
10.根據權利要求1所述的基于可控制網格劃分數量和規則程度的真實顆粒形狀可破碎顆粒模型的建模方法，其特征在于：步驟2中，控制網格規則程度方法能夠保證顆粒建模時子顆粒的數量和子顆粒的體積大小的均勻程度。
...【技術特征摘要】
1.基于可控制網格劃分數量和規則程度的真實顆粒形狀可破碎顆粒模型的建模方法，其特征在于：所述方法包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的基于可控制網格劃分數量和規則程度的真實顆粒形狀可破碎顆粒模型的建模方法，其特征在于：步驟1的具體過程為：真實顆粒來源于實際工程中的爆破料礫石、碎石，或者河道河床的卵石，通過相機拍照利用深度學習圖像識別技術獲得二維真實顆粒輪廓邊界，數據文件保存為json文件，通過掃描儀獲得真實顆粒的三維輪廓信息，通過點云建模和三角形網格拼接生成的與真實顆粒形狀、體積一致的顆粒模型，保存為stl格式文件。
3.根據權利要求1所述的基于可控制網格劃分數量和規則程度的真實顆粒形狀可破碎顆粒模型的建模方法，其特征在于：步驟2中，通過python編譯器讀取顆粒的二維和三維輪廓的信息，在顆粒模型內部生成隨機點，生成隨機點之后，繼續生成輪廓的外接矩形或者三維是立方體，將隨機點的坐標信息和外接矩形或者三維是立方體的長寬高信息提取出來。
4.根據權利要求1所述的基于可控制網格劃分數量和規則程度的真實顆粒形狀可破碎顆粒模型的建模方法，其特征在于：步驟2中控制網格規則程度的方法具體過程為：
5.根據權利要求1所述的基于可控制網格劃分數量和規則程度的真實顆粒形狀可破碎顆粒模型的建模方法，其特征在于：步驟3中，通過neper軟件的命令，將隨機點信息導入neper軟件里面把輪廓的外接矩形或者三維是立方體劃分為voronoi若干邊行網格或者三維是多面體單元集合體，提取單元集合體的信息，文件為tess文件，里面包含有各個單元的點，面，邊的信息。
6.根據權利要求1所述的基于可控制網格劃分數量和規則程度的真實顆粒形狀可破碎顆粒模...
【專利技術屬性】
技術研發人員：龔健，朱文舉，張詩婷，邢雨星，鄧亮斌，吳澤宏，彭高澤，
申請(專利權)人：廣西大學，
類型：發明
國別省市：
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