[发明专利]一种二维混凝土骨料的分级配随机生成方法

说明书

本发明是一种多级配二维混凝土骨料模型的随机生成方法。步骤如下1、确定骨料投放的二维目标区域及目标区域的面积；步骤2、确定骨料三维级配，依据拉瓦文公式，计算出不同级配骨料在二维投放目标区域上出现的概率，作为骨料的二维级配，结合步骤1确定的投放目标区域总面积，计算出各级配骨料面积的理论值；步骤3、在目标区域内，按照级配从大到小的顺序，逐级配生成满足二维级配要求的随机多边形作为骨料的几何模型。运用本方法生成随机多边形混凝土骨料，可保证骨料粒径处于设计级配范围内，同时，可以根据各级配骨料含量的理论计算值，逐级配生成混凝土骨料的几何模型，使各级配骨料含量与理论计算值相差不超过4％，并可实现对多边形随机骨料的分级配精确生成。

技术领域

本发明涉及一种混凝土多边形骨料的二维随机生成方法,属于细观数值模拟前处理技术及建筑材料技术领域。

技术背景

混凝土具有原料来源广，价格低廉，耐久性好等优点，已经成为一种被广泛应用于工程结构中的建筑材料。硬化后的混凝土在细观层次上，可以被视作一种由骨料、水泥砂浆和两者之间交界面(ITZ)组成的三相复合材料。随着对混凝土力学性能的深入研究，当前对混凝土力学性能的研究主要集中在两个方面，一是混凝土宏观力学性质与细观各相介质性能之间的关系，二是混凝土破坏过程中的裂纹扩展形式。为了研究细观组分对混凝土宏观力学性能的影响，并精确探究混凝土破坏过程中的裂纹扩展方式，非常有必要从细观力学模型着手对混凝土力学性能进行研究。

贴近实际的混凝土细观几何模型是获得精确数值模拟结果的必要前提，模型中不同的骨料形状，分布方式及骨料含量会导致数值结果呈现出一定的差异。当前，对混凝土骨料的模拟多采用圆形，椭圆形或者多边形，圆形与椭圆形无法反映混凝土骨料的复杂特性，因此，生成多边形随机骨料模型对实现混凝土细观数值模拟非常重要，当前使用较多的随机多边形骨料几何模型生成方法包括两种，其一是在三角形或四边形骨料的基础上进行生成，这种方法需要进行凸性判断，生成效率较低，其二是在圆上随机选点，但这种随机选点方法易导致骨料质量不佳，无法保证骨料粒径的真实性。此外，当前多数混凝土骨料生成方法中，只设定粗骨料的总含量，并不对每个级配的骨料含量进行精确控制，这种方法并不能真实反映级配良好的混凝土材料的真实特性，使混凝土细观数值模型中混凝土骨料级配与混凝土实际级配产生差异，进而对数值模拟结果的准确性产生影响，影响对混凝土结构强度的评估及失稳条件的判定。

综上所述，有必要提出一种能够分级配高效生成混凝土骨料几何模型的随机骨料生成方法，为不同级配要求的混凝土的破坏过程及力学机理进行细观数值模拟提供更有效的几何模型。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述已有数值模拟技术不能对混凝土骨料进行逐级配生成问题，提出一种二维混凝土随机骨料几何模型逐级配生成方法。使用该方法，可以保证随机多边形骨料满足级配粒径要求。同时，可以根据各级配骨料含量的理论计算值，逐级配生成混凝土骨料的几何模型，使各级配骨料含量与理论计算值相差不超过4％，使模型能够真实反映级配良好混凝土的真实特性。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种二维混凝土骨料的随机生成方法，包括以下步骤：

步骤一、确定骨料投放的二维目标区域及目标区域的面积；

步骤二、确定骨料三维级配，依据拉瓦文公式，计算出不同级配骨料在二维投放目标区域上出现的概率，作为骨料的二维级配，结合步骤1确定的投放目标区域总面积，计算出各级配骨料面积的理论值；

步骤三、在目标区域内，按照级配从大到小的顺序，逐级配生成满足二维级配要求的随机多边形作为骨料的几何模型；

步骤3.1：生成粒径大小介于第一级配范围内的一系列随机圆形，并记录所有随机圆形的几何信息，包括圆心坐标和半径。圆心坐标及半径运用马特螺旋算法(MersenneTwister)随机生成，且保证每一个圆不与投放区域的边界相交。