一种二维高体积分数土石混合材料几何模型的生成方法

1.本发明属于不均匀岩土材料力学参数研究技术领域，特别涉及一种用于生成材料数值模型试块的基于离散单元法(dem)的二维高体积分数土石混合材料几何模型的生成方法。


背景技术：

2.通过数值方法研究不均匀岩土材料(如混凝土、堆积体)的力学参数，在近年来发展比较迅速，该类方法能很好的克服真实试验参数研究中取样困难、试样扰动、结果离散性大、试验尺度相较于内部结构尺度偏小等问题。但数值方法研究非均质材料参数存在一个很大问题：模型建立问题，即根据堆积体各项内部结构参数(如：混凝土中骨料级配、骨料形状等)生成符合数值试验要求的数值模型试块。
3.当前在模型建立问题上，很多学者做过各方面的尝试。有通过元胞自动机模型来进行研究，也有运用二维随机骨料模型构建混凝土的几何模型。现在一些学者也尝试建立了一种三维颗粒模型的生成方法。但该方面的研究主要还是集中在二维方面，已经取得了较大的进展，可以生成较为复杂的颗粒几何模型。但是目前生成二维高体积分数颗粒体积模型的方法存在有一些弊端，在生成高体积分数骨料模型时，效率不高耗时较长，颗粒不允许被放置在边界上，这样会影响建模结果的准确性。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的目的是一种二维高体积分数土石混合材料几何模型的生成方法，所生成的颗粒可更加真实地模拟骨料颗粒形状，为采用数值模拟方法预测颗粒增强型复合材料力学性能提供基础。
5.技术方案：本发明提供一种二维高体积分数土石混合材料几何模型的生成方法，具体包括以下步骤：
6.(1)根据级配信息生成所有的粒子；
7.(2)基于闵可夫斯基和理论对粒子进行向外延伸处理，把处理后的颗粒坐标数据导入离散元软件中，用簇代替粒子并设置指定的域和边界条件；
8.(3)在线性接触模型中进行dem模拟，根据dem结果获取粒子的位移旋转；
9.(4)基于粒子的初始位置坐标以及旋转位移情况定位出粒子的最终分布，利用边界定位算法筛选出位于边界的粒子，并在其所在边界所不相交的边界上复制产生同样的粒子，生成最终的土石混合材料几何模型。
10.进一步地，所述步骤(1)实现过程如下：
11.在预设坐标区域内随机产生自定义颗粒级配和体积分数的颗粒；所述随机产生自定义颗粒采用蒙特卡洛模拟，颗粒形状为多边形，生成方法是以(0,0)为圆心，指定角度和半径在圆周上选取自定义个数个顶点，按照次序进行连接；所述随机产生自定义颗粒方法是在放置一个粒子之前，根据指定的间隔距离dt计算所有可能的位置；当一个粒子被放置
时，集合中的点将被移除，位置将被更新。
12.进一步地，步骤(2)所述基于闵可夫斯基和理论对粒子进行向外延伸处理实现过程如下：
13.基于闵可夫斯基和理论实现了粒子生成后的厚度偏移操作，点集a和b的闵可夫斯基和确定为：
[0014][0015]
厚度偏移操作是基于投放后颗粒的顶点位置坐标，通过设置不同圆盘半径控制，向外偏移后增加多个顶点，使颗粒增加一个外壳，通过设置不同的圆盘半径，灵活控制骨料之间的最小间隙。
[0016]
进一步地，步骤(2)所述的边界条件包括周期边界和刚性边界；周期性建模应用周期边界条件，当簇质心落在模型域之外时，簇被转换回模型的另一边。
[0017]
进一步地，所述步骤(3)实现过程如下：
[0018]
在dem打包之前记录束的质心；在完成dem模拟后，获得每个束的位移和旋转；根据平移和旋转变换计算骨料的几何结构；对于束的接触，采用具有法向刚度和切向刚度的线性模型；法向和剪切方向的接触力为：
[0019][0020]
式中，为法向接触力，kn为法向割线接触刚度，un为总法向位移，ni为单位法向量，为剪应力增量，ks为剪切刚度，为剪切位移增量；
[0021]
摩擦参数会影响簇的旋转，在模拟中设置为0；如果簇沿一定方向分布，则簇的旋转是固定的。
[0022]
进一步地，步骤(4)所述的粒子的最终分布包括多边形各顶点相对于(0,0) 的x,y坐标和顶点顺序。
[0023]
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明大大提高了可生成模型的体积分数的上限以及生成的效率，同时解决了颗粒的边界分布问题和颗粒之间的接触问题，使生成的模型更符合实际情况，可提高后续数值方法试验研究结果的可靠性，具有较强的应用意义。
附图说明
[0024]
图1是本发明的流程图；
[0025]
图2为闵可夫斯基和理论应用示意图；
[0026]
图3为周期边界条件示范图；
[0027]
图4为粒子位置变换示意图；
[0028]
图5为本发明方法生成模型的过程示意图，其中，(a)为初始粒子分布图； (b)为粒子转化为簇分布图；(c)为dem模拟结果分布图；(d)为最终粒子分布图。
具体实施方式
[0029]
下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0030]
本发明提供一种二维高体积分数土石混合材料几何模型的生成方法，如图1 所示，具体包括以下步骤：
[0031]
步骤1：根据级配信息生成所有的粒子。
[0032]
在预设坐标区域内随机产生自定义颗粒级配和体积分数的颗粒。用matlab 在预设好的50*100笛卡尔坐标系区域中采用蒙特卡洛模拟随机产生指定级配和体积分数的颗粒。随机产生自定义颗粒采用蒙特卡洛模拟，颗粒形状为多边形，生成方法是以(0,0)为圆心，指定角度和半径在圆周上选取自定义个数个顶点，按照次序进行连接。随机产生自定义颗粒方法是，在放置一个粒子之前，根据指定的间隔距离dt计算所有可能的位置。当一个粒子被放置时，集合中的点将被移除，可能的位置将被更新。这样就减少了新骨料与已有骨料的碰撞面积，提高了后续dem模拟的性能。
[0033]
区域一般为50*100的坐标区域，随机从区域内选取一个点，用该坐标加上权利要求4所述多边形坐标，完成颗粒投放，投放完成后，删除颗粒内部点的信息，不再参与区域随机选点，提升效率。
[0034]
步骤2：基于闵可夫斯基和理论对粒子进行向外延伸处理，如图2所示，把处理后的颗粒坐标数据导入离散元软件中，用簇代替粒子并设置指定的域和边界条件。
[0035]
基于闵可夫斯基和理论实现了粒子生成后的厚度偏移操作，在其外表面加上一个有一定厚度的外壳；点集a和b的闵可夫斯基和确定为：
[0036][0037]
可通过设置不同的圆盘半径，灵活控制骨料之间的最小间隙。厚度偏移操作是基于投放后颗粒的顶点位置坐标，通过设置不同圆盘半径控制，向外偏移后增加多个顶点，使颗粒增加一个外壳，防止后续计算结果出现颗粒接触情况。
[0038]
将处理后的骨料颗粒形态分布坐标数据导入flac2d中；将颗粒用离散元簇来替代，在预设好的周期性边界结构中，利用碰撞检测算法，计算一定时间后，模型呈现出颗粒的重分布结果。
[0039]
边界条件包括周期边界和刚性边界；周期性建模的区域边界条件，当簇质心落在模型域之外时，簇被转换回模型的另一边，如图3所示。
[0040]
步骤3：在线性接触模型中进行dem模拟，根据dem结果获取粒子的位移旋转；如图4所示。
[0041]
在dem打包之前记录束的质心；在完成dem模拟后，获得每个束的位移和旋转；根据平移和旋转变换计算骨料的几何结构；对于簇的接触，采用具有法向刚度和切向刚度的线性模型。法向和剪切方向的接触力为：
[0042][0043]
式中，为法向接触力，kn为法向割线接触刚度，un为总法向位移，ni为单位法向量，为剪应力增量，ks为剪切刚度，为剪切位移增量。
[0044]
摩擦参数会影响簇的旋转，在模拟中可设置为0。此外，如果簇沿一定方向分布，则簇的旋转是固定的。这些参数设置正确后，就可以很容易地进行模拟。
[0045]
对于骨料无法位于边界的情况，使用pfc中的墙实现刚性边界；域大小应略大于样本，以确保骨料无法到达域边界；否则，刚性壁的尺寸应略小于试样，使聚集的束将约束在指定区域中。
[0046]
步骤4：基于粒子的初始位置坐标以及旋转位移情况定位出粒子的最终分布，利用边界定位算法筛选出位于边界的粒子，并在其所在边界所不相交的边界上复制产生同样的粒子，生成最终的土石混合材料模型，如图5所示。
[0047]
记录重分布后颗粒的分布坐标以及旋转情况，并将数据导入matlab中；通过导入数据在坐标区域内调整颗粒分布的位置和方向。利用边界定位算法筛选出位于边界的颗粒，并在其所在边界所不相交的边界上复制产生同样的颗粒，生成最终的土石混合材料模型。
[0048]
将生成的模型输出为相应骨料颗粒的几何格式文件，几何格式文件为dxf 文件，可适用为多种数值试验应用的模板库文件，当然也可以是其它几何格式文件；用于其它对相应骨料颗粒进行的数值试验。即通过本发明生成的数值模型具有可移植性，只需在实验时导入相应几何格式文件即可得到相应数值模型。
[0049]
粒子的最终分布位置信息包括，多边形各顶点相对于(0,0)的x,y坐标和顶点顺序。生成模型输出的数据应包括，多球的重心坐标，顶点相对于重心的旋转角。最终颗粒坐标计算方法，用颗粒随机生成相对于原点坐标与计算后导出的相应重心坐标相加，然后各顶点通过旋转角度进行旋转后坐标的计算。通过颗粒位置边界检测算法，判断颗粒是否位于边界上，如果在，将颗粒平移克隆到其所在边界相对边界上，实现边界颗粒的布置。模型输出数据的格式有多种选择，优选输出为dxf格式文件，生成方式为生成dxf的自编代码。
[0050]
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。