[发明专利]快速生成卵石碎石夹杂的混凝土二维随机骨料模型的方法

说明书

本发明公开了一种快速生成卵石碎石夹杂的混凝土二维随机骨料模型的方法，其中只有卵石或只有碎石的混凝土二维随机骨料模型是该卵石和碎石夹杂的混凝土二维随机骨料模型的特殊情况；该方法将圆形随机骨料模型和带边界的泰森多边形图相结合，以圆形骨料的圆心为控制点生成近似满足骨料级配的泰森多边形图；本发明以每个泰森多边形的顶点为控制点，并行生成封闭的B样条曲线来表征卵石骨料的形状，在封闭的B样条曲线随机均匀取点，从而生成凸多边形来表征碎石骨料的形状。本发明采用并行的方式，同时对每个泰森多边形内的骨料进行面积缩放，快速生成满足给定级配的卵石和碎石任意夹杂的混凝土二维随机骨料模型。

技术领域

本发明属于混凝土细观数值试验前处理技术领域，具体的说是一种快速生成卵石碎石夹杂的混凝土二维随机骨料模型的方法。

背景技术

混凝土是一种由骨料和水泥砂浆组成的非均质复合材料，其中骨料的形状和空间位置的分布对材料的性能有较大影响。随着计算机技术的不断发展和相关数值计算技术的不断成熟，考虑混凝土内骨料形状、级配和砂浆界面等内部细观结构的混凝土随机骨料模型开始被采用，用于研究材料的细观破坏机理。目前，将骨料简化为圆形并采用蒙特卡罗方法随机投放到截面区域中，最终生成混凝土圆形随机骨料模型的方法已有比较成熟和常见，但是相关的研究表明，骨料的形状和类型对计算结果也有一定的影响。

目前也有采用凸多边形或傅里叶子描述等方法来表示骨料形状，即生成骨料，再采用蒙特卡罗的方法将生成的骨料逐个投放入混凝土截面区域中的方法。由于采用骨料逐个投放的方式，需要反复判断骨料之间的重叠问题，骨料为不规则颗粒，骨料投放到设定的位置后，需要判断骨料之间是否重叠，如果重叠需要重新投放，因此导致：①计算耗时长，耗时几分钟到几十分钟不等；②CPU耗费大，电脑运行缓慢，电脑发热噪音大；③且很难实现并行处理，④骨料投放含量（骨料的面积占整个混凝土截面区域的面积的比例）偏低等局限性，可能与实际比例不符。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速生成卵石碎石夹杂的混凝土二维随机骨料模型的方法。本发明操作步骤简单、设计合理、实现方便、使用效果好，并且投入成本不高。且本发明建立的快速生成卵石和碎石夹杂的混凝土二维随机骨料模型计算耗时短，能够较好的应用于数值模拟中。

为了解决上述问题，针对现有技术存在的不足本发明提供的技术方案是：

一种快速生成卵石碎石夹杂的混凝土二维随机骨料模型的方法，包括只有卵石或只有碎石的这两种特殊的混凝土二维随机骨料模型和卵石与碎石任意混搭的混凝土二维随机骨料模型。二维随机骨料生成流程图见图1。

本发明将圆形随机骨料模型和带边界的泰森多边形图相结合，将泰森多边形图中每个多边形腔体作为骨料颗粒的外边界，通过圆形随机骨料的圆心点的位置分布来控制泰森多边形图中多边形腔体的大小分布。该方法和传统的先骨料后投放的过程相反，是先定位骨料的位置区域后生成骨料，从而可以并行计算，达到快速的目的。同时该发明以每个泰森多边形的顶点作为控制点，采用封闭的B样条曲线表征卵石，在封闭的B样条曲线上随机均匀取点来生成凸多边形来表征碎石，通过面积缩放的方式来满足指定的级配要求。同时可以通过设置卵石和碎石个数比例，生成卵石和碎石任意比例的二维混凝土随机骨料模型，只有卵石或碎石为其特殊情况。

本发明依托“国家重点研发计划专项项目资助”，项目编号“2016YFC0701400”，旨在对高温条件下装配式混凝土构件保护层剥落进行细观模拟与分析。

本发明的具体技术方案如下：

一种快速生成卵石碎石夹杂的混凝土二维随机骨料模型的方法，包括以下步骤：

步骤1，根据给定骨料级配和混凝土截面尺寸，采用蒙特卡罗方法生成二维圆形随机骨料模型图，最终获取每个圆形骨料的圆心点坐标和面积；

步骤2，根据圆形随机骨料模型图中所有骨料的圆心坐标生成带边界的泰森多边形图；