[发明专利]一种超高性能混凝土中钢纤维几何体空间随机分布模拟方法

说明书

本发明公开了一种超高性能混凝土中钢纤维几何体空间随机分布模拟方法，包括如下步骤：确定钢纤维的长度、数量和截面尺寸；基于matlab仿真软件，基于共同基点生成n个与钢纤维的不同长度等长的纤维控制线，且每个长度所对应的若干纤维控制线均呈空间随机方向分布；构建基本纤维体和基本控制线，并计算获得基本控制线与所述纤维控制线之间两次旋转变化角度；根据两次旋转变化角度，将基本纤维体进行欧拉旋转变化，并在欧拉旋转变化后，在三维坐标系中三个坐标轴方向上分别随机平移，反复操作，以生成若干个不同长度的钢纤维空间随机分布；判断并删去重叠钢纤维，重新生成钢纤维，进而实现钢纤维空间随机乱向分布模型。

技术领域

本发明属于混凝土仿真模拟技术领域，具体涉及一种超高性能混凝土中钢纤维几何体空间随机分布模拟方法。

背景技术

超高性能混凝土(UHPC)指的是在混凝土中掺入钢纤维，实现材料性能的飞跃，然而目前对超高性能混凝土的仿真模型并不能将钢纤维单独建模，致使模型无法观测钢纤维的应力应变情况，此外类似于钢纤维的空间随机分布几何体也有相似情况，例如岩土颗粒和混凝土粗骨料分布。现有技术通常将这种多组分的复合材料当做均质材料，通过实验的方法获得材料整体性能，在建模时直接设置相应参数，而不采取不同组分分离建模的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种超高性能混凝土中钢纤维几何体空间随机分布模拟方法。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种超高性能混凝土中钢纤维几何体空间随机分布模拟方法，包括如下步骤：

确定钢纤维的长度、数量和截面尺寸，当钢纤维的长度不一时，分别确定不同长度钢纤维的数量；

基于matlab仿真软件，基于共同基点生成n个与所述钢纤维的不同长度等长的纤维控制线，且每个长度所对应的若干所述纤维控制线均呈空间随机方向分布；

基于共同基点构建用于仿真模拟不同长度的所述钢纤维的基本纤维体和所述基本纤维体所对应的基本控制线，并计算获得所述基本控制线与所述纤维控制线之间在三维坐标系中两次旋转变化角度；

根据两次旋转变化角度，将所述基本纤维体进行欧拉旋转变化，并在欧拉旋转变化后，在三维坐标系中三个坐标轴方向上分别随机平移，反复操作，以生成若干个不同长度的所述钢纤维空间随机分布；判断所述钢纤维之间是否存在空间重叠，并删去重叠钢纤维，重新生成钢纤维，进而实现钢纤维空间随机乱向分布模型。

进一步的，所述钢纤维为长方体纤维、不规则多边形、球体或椭圆体。

进一步的，所述纤维控制线投影在三维坐标系的一个坐标面上之后，进行两次绕某一坐标轴旋转，并计算两次旋转角，利用欧拉角旋转公式编写旋转矩阵进行坐标旋转变化，如下式：

式中，R_y(θ)、R_z(θ)分别代表绕一个坐标轴进行旋转，θ代表旋转角度。

进一步的，判断所述钢纤维之间是否存在空间重叠，两空间异面直线的最短距离为：

式中，d_min代表最短距离，n₁代表异面向量1，n₂代表异面向量2，m代表向量1和向量2上的点连接形成的向量。

第二方面，本发明提供了一种钢纤维几何体空间随机分布模拟系统，包括如下模块：

模拟参数确定模块，用于确定钢纤维的长度、数量和截面尺寸，当钢纤维的长度不一时，分别确定不同长度钢纤维的数量；