[发明专利]一种基于凸包算法的凹体生成方法和装置

说明书

本发明公开一种基于凸包算法的凹体生成方法，包括：获取待模拟的骨料颗粒形态数据；在预选择的基本形状的表面取多个点，记为初始点；利用凸包算法基于初始点构成凸包，确定所形成的凸包中三角面的连接关系；基于待模拟的骨料颗粒形态数据，对各初始点进行径向拉伸或者缩短以及旋转操作，将操作后的点记为位置点，并记录各初始点与位置点之间的对应关系；用各位置点替换相应初始点，基于所述凸包中三角面的连接关系生成凹体三角面，得到由相应凹体三角面组成的凹体，即为待模拟骨料颗粒的数值模型。本发明可根据实体颗粒形态生成相应的凹体，用于颗粒的力学参数模拟试验分析，提高试验分析结果的可靠性。

技术领域

本发明涉及不均匀岩土材料力学参数研究技术领域，特别是一种用于生成材料数值模型试块的基于凸包算法的凹体生成方法和装置。

背景技术

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。

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。在三维方面，目前最主要的方法是选择一个椭球或者圆球作为基本形状，选择表面上一系列的点，然后采用凸包算法来形成颗粒几何形状，该方法生成的颗粒为凸体，而实际上颗粒形状多为较复杂的凹体，因此该方法存在一定的问题，其无法体现颗粒之间的咬合作用，进而也无法采用数值模拟方法准确预测出混凝土等材料的物理力学性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于凸包算法的凹体生成方法和装置，所生成的凹体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。

本发明采取的技术方案为：一种基于凸包算法的凹体生成方法，包括：

获取待模拟的骨料颗粒形态数据；

在预选择的基本形状的表面取多个点，记为初始点；

利用凸包算法基于初始点构成凸包，确定所形成的凸包中三角面的连接关系；

基于待模拟的骨料颗粒形态数据，对各初始点进行径向拉伸或者缩短以及旋转操作，将操作后的点记为位置点，并记录各初始点与位置点之间的对应关系；

用各位置点替换相应初始点，基于所述凸包中三角面的连接关系生成凹体三角面，得到由相应凹体三角面组成的凹体，即为待模拟骨料颗粒的数值模型。

本发明利用凸包算法基于已知点生成凸包为现有技术。在应用时，凹体生成过程可适用于简单或复杂颗粒形态的表征，由于能够提供更贴近实体颗粒的三维凹体数值模型，因此在进行颗粒数值试验时，能够提高试验结果的可靠性，克服真实试验参数研究过程存在的种种缺陷。

进一步的，本发明还包括，将生成的凹体输出为相应骨料颗粒的几何格式文件，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凹体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实体颗粒的凹体数值模型。

优选的，所述几何格式文件为STL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。

更进一步的，本发明还包括，将生成的凹体作为骨料颗粒，投放到预先设定的区域内，建立颗粒增强型复合材料的数值模型。可用于颗粒增强型复合材料的数值试验，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，提高试验分析结果的可靠性，同时材料模拟的真实度更高。