[发明专利]一种堆石混凝土三相细观模型的建立方法

说明书

本发明公开了一种堆石混凝土三相细观模型的建立方法，具体按照如下步骤进行：步骤1、根据待投放区域大小建立元素值均为“0”的背景矩阵；步骤2、从堆石库中随机选取一枚堆石并将其转换为0‑1的堆石矩阵；步骤3、随机生成三维的(x，y，z)坐标，提取与堆石矩阵大小相同的子矩阵；步骤4、确定堆石的最终投放位置；步骤5、计算当前堆石率，并根据计算精度与计算能力对背景矩阵进行粗化；步骤6：使用膨胀算法对粗化后的矩阵进行操作得到0‑1‑2矩阵，根据该矩阵在有限元软件中生成堆石混凝土的三相细观模型。本发明的冲突判断原理简单，计算效率和精度较高，并能考虑堆石与堆石之间的接触，更符合工程实际。

技术领域

本发明属于混凝土建模技术领域，具体涉及一种堆石混凝土三相细观模型的建立方法。

背景技术

在针对堆石混凝土材料细观层面的建模中，生成足够数量的随机骨料之后，下一步就是将生成的骨料逐个随机投放至目标区域。在投放的过程中，至少应该满足两个条件：保证不同的骨料之间不能有交叠，这就要求在投放之后需要判断新投入的骨料与已投入的骨料之间是否有冲突；投放区域内有足够的骨料含量，这就要求骨料之间的空隙不能过大。除此之外，在满足上述两个条件的前提下，还应尽可能地保证投放的效率、加快投放速度，因此，人们针对骨料的投放方法进行了研究，也逐渐形成了各种投放算法；

作为一种改进，使用空间多面体侵入准则，根据计算结果的正负来判断骨料上某点是否嵌入了其他骨料内部，当骨料上任意一个顶点在另一个骨料内部时，便可以认为这两个骨料相冲突。另外，为避免两个骨料之间出现贯穿相交的情况，还应进行骨料上任意边与另一骨料任意面是否存在交点的判断，这种方法的问题在于这种方法效率极低，尤其是在投放后期，这是由于在投放第n个骨料时，需要与前n-1个骨料分别进行一次冲突判断，只要与任意一个骨料冲突就需要再生成新的投放位置并重新进行判断，在投放后期，不仅需要判断的次数多，而且随着可投放空间的减少投放的成功率也越来越低，从而导致了这种投放方法效率较低；

作为一种改进，为了提高投放效率，采用被占区域剔除法进行骨料的投放，现用一个简单的例子来介绍这种方法的基本思想：假设将圆形骨料向目标区域进行投放时，待投放骨料中最小的粒径为r，某已投放骨料的粒径为R，则将距该骨料圆心距离小于R+r的范围剔除，不再作为待投放区。这种方法剔除了部分可投放区域，增加了投放的成功率，从而提高了投放的效率。

作为一种改进，还有些学者借助有限元软件的内置方法进行冲突判断。比如通过ANSYS软件内置的布尔切割运算，这种运算可视为是两个骨料相互切割的过程，如果在进行运算之后几何体的个数增加了，则说明两个骨料冲突，投放失败。这种方法简化了冲突判断的过程，提高了投放效率，但是投放点的设置会对填充率产生较大影响。

作为一种改进，提出了一种“分层摆放法”，这种方法是将不规则的骨料使用“集装箱”封装起来，再将各“集装箱”从低到高逐层摆放，通过调整骨料与“集装箱”之间的间距可控制填充率。该方法能够保证骨料与骨料之间不接触，避免了传统方法中骨料冲突的判断，大幅降低了计算量，从而拥有较高的投放效率。但这种方法会使骨料占用的面积增大，一定程度上降低了骨料的填充能力。

因此，整体来看，目前模型的建立方法存在的堆石投放的效率较低，且建模的准确度不高问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种堆石混凝土三相细观模型的建立方法，解决了目前模型的建立方法存在的堆石的投放不够简便高效，且建模的准确度不高问题。

本发明所采用的技术方案是，

一种堆石混凝土三相细观模型的建立方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、根据待投放区域大小建立元素值均为“0”的背景矩阵；

步骤2、从堆石库中随机选取一枚堆石并将其转换为0-1的堆石矩阵，其中，“0”表示在堆石外部，“1”表示在堆石内部；