一种基于离散元对堆形为Weibull分布的爆堆体三维模拟方法与流程

本发明属于爆破效果评价技术领域，具体涉及一种基于离散元对堆形为weibull分布的爆堆体三维模拟方法。

背景技术：

露天台阶爆破在矿山、水利、公路等工程中用途极为广泛,随着各种土石方工程难度的增大和爆破成本的增加,爆堆形态预测越来越成为爆破工作者所关心的问题，爆堆形态是衡量爆破效果的重要指标之一,它不仅反映了爆破参数、装药结构的合理性,而且直接影响铲装、运输效率和经济效益；爆堆体研究的技术包括爆堆形状研究、堆形关键参数获取方法和爆堆体三维模拟技术研究；爆堆形状研究是采集到爆堆整体图像，对图像划分剖面，分析剖面的表面曲线，采用数学模型来对爆堆剖面进行二维模拟。其中，研究最多的表面数学模型为weibull分布模型；堆形关键参数获取方法主要研究对采集到爆堆图像，根据爆堆形状研究和爆堆体三维模拟技术的要求，研究堆形关键参数勘测、统计和数据处理方法；爆堆体三维模拟技术主要采用国外开发的大型商业软件通过力学分析对爆堆形状进行三维或二维模拟。

但是，在现有技术中，应用上述技术实现“基于离散元对堆形为weibull分布的爆堆体三维模拟”，存在以下方面的问题：(1)为实现爆堆体三维模拟，需建立weibull分布的堆形的几何模型关键参数获取方法，而目前还没有这方面的成果；(2)目前爆堆体三维模拟均采用离散元商业软件及其相关技术，均受国外专利保护，国内无自主知识产权。

为此，我们提出一种基于离散元对堆形为weibull分布的爆堆体三维模拟方法来解决现有技术中存在的问题，使其可将爆堆堆形为weibull分布的爆堆体三维可视化，可借助堆体三维模型优化爆破参数，提高铲装效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于离散元对堆形为weibull分布的爆堆体三维模拟方法，通过可将爆堆堆形为weibull分布的爆堆体三维可视化，并借助堆体三维模型优化爆破参数，提高铲装效率，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于离散元对堆形为weibull分布的爆堆体三维模拟方法，包括如下步骤：

s1、分别随机生成10个球体记录半径，并把它随机赋予15条边，即球心位于边的端点，注意在相接边端点的球相同；

s2、对15条边分别按照各自箭头的方向进行处理，使之除去端点球半径之后的剩余部分被球体填充，即球心位于边上；

s3、根据weibull分布的堆形几何模型分别提取相关边组成7个面，并使每个面均形成封闭链，统计7个面上的球体直径分布，并把面1作为当前面；

s4、随机寻找当前面中的一点作为终点，如面的中心点，并对当前面上的球体直径进行统计形成已有球体尺寸数据；

s5、计算构成初始封闭链的球体中距终点最远的球作为球1，并按照序列号寻找两个相邻球体，把两个相邻球体中距终点最远的球作为球2；

s6、依据块度分布曲线和已有球体尺寸数据生成新的球体的直径；

s7、根据球1和球2和已有的新球体的半径计算新球体的位置；

s8、判断新球体与当前面上已有的球的关系，如果存在重合，则利用原先球体的直径减去某个较小的随机数形成新的直径，并返回s7；直至新球体与当前面上已有的球体不重合，进行s9；

s9、根据新球体与球1、球2相邻的球的关系更新封闭链，并把新球体直径加入已有球体尺寸数据；如果在更新封闭链时某个球体被剔除，则统计剔除的球体形成总的球体数据，则返回s5；

s10、当前面被填满时，即s8生成的球体半径小于某个较小的随机数，并不成功次数超过允许的尝试次数后，当前面填充流程停止；

s11、判断7个面是否都被填满，如果否，则把下个面设置成当前面，返回s4，如果是，则进行s12；

s12、对7个面根据所在相应位置进行旋转构成三维爆堆表面，即第二步的封闭面；

s13、依据爆堆近似的梯形柱体计算爆堆的中心坐标作为中心点，并对爆堆表面的所有球体直径进行统计形成已有球体尺寸数据；

s14、计算构成初始封闭面的球体中距中心点最远的球体作为球1，以与球1相邻的球体中距中心点最远的球体作为球2，以与球1和球2均相邻的球体中距中心点最远的球体作为球3；

s15、依据块度分布曲线和已有球体尺寸数据生成新的球体的直径；

s16、根据球1、球2、球3和已有的新球体的半径计算新球体的位置；

s17、判断新球体与爆堆上已有的球的关系，如果存在重合，则利用原先球体的直径减去某个较小的随机数形成新的直径，并返回s16，直至新球体与当前面上已有的球体不重合，进行s18；

s18、在新球体、球1、球2、球3之间会有较小的空隙，可以在中间空隙处填充一个较小的球体，使之与四球体互相切；

s19、根据新球体与球1、球2、球3相邻的球的关系更新封闭面，并把新球体直径加入已有球体尺寸数据；如果在更新封闭面时某个球体被剔除，则统计剔除的球体形成总的球体数据则返回s14；

s20、当爆堆内部被填满，即s17生成的球体半径小于某个较小的随机数，并不成功次数超过允许的尝试次数后，则爆堆内部填充流程停止。

优选的，步骤1-步骤12是为生成整个爆堆表面的岩块，步骤13-步骤20是把整个爆堆表面作为封闭的初始面，以此为基础对整个爆堆内部进行填充，为了使三维模拟更符合工程适用性，爆堆岩块用球体代替。

优选的，步骤3中形成封闭链时需依据信息对相关边进行方向处理，使之整个面上边缘的球体按照顺时针或者逆时针排列，并在此基础上对面上所有球体按照顺序赋值，即每个球体都有相应的序列号。

优选的，步骤3中所述堆形几何模型的每条边与两个面相关，每个顶点和三个面相关，因此，需按照点、边、面、体的顺序进行模拟。

优选的，所述堆形几何模型将爆堆的坡面简化为斜面，把剖面的抛物线简化为v字形状，爆堆的侧面简化为垂直面，整个爆堆的weibull分布的堆形几何模型简化为五棱柱体，由15条边和10个顶点组成。

优选的，步骤3中符合weibull分布的爆堆堆形是露天台阶深孔爆破的主要堆形，堆形weibull分布指炮孔至台阶自由面方向上的爆堆剖面二维曲线类似于weibull分布曲线。

优选的，步骤5中在寻找两个相邻球体时，当在寻找球1和球2时，如果出现多个最远球体，则在多个最远球体中随机抽取一个球作为最远球体。

优选的，步骤16中计算新球体的位置时，球1、球2和球3的球心均位于爆堆内部。

优选的，步骤18中爆堆会有许多不能识别的细小颗粒，可以对细小颗粒作为一个补充。

本发明提出的一种基于离散元对堆形为weibull分布的爆堆体三维模拟方法，与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明通过生成爆堆表面的岩块，再把整个爆堆表面作为封闭的初始面，以此为基础对整个爆堆内部进行填充，且在生成爆堆表面的岩块时，堆形几何模型需按照点、边、面、体的顺序进行模拟，从而将爆堆堆形为weibull分布的爆堆体三维可视化；

2、本发明在生成爆堆表面的岩块时，根据weibull分布的堆形几何模型分别提取相关参数信息，通过借助堆体三维模型优化爆破参数，提高铲装效率。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的爆堆规定图；

图3为本发明的爆堆剖面图；

图4为本发明的爆堆剖面图与weibull分布主要部分示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种基于离散元对堆形为weibull分布的爆堆体三维模拟方法，包括如下步骤：

s1、分别随机生成10个球体记录半径，并把它随机赋予15条边，即球心位于边的端点，注意在相接边端点的球相同；

s2、对15条边分别按照各自箭头的方向进行处理，使之除去端点球半径之后的剩余部分被球体填充，即球心位于边上；

s3、根据weibull分布的堆形几何模型分别提取相关边组成7个面，并使每个面均形成封闭链，统计7个面上的球体直径分布，并把面1作为当前面；

s4、随机寻找当前面中的一点作为终点，如面的中心点，并对当前面上的球体直径进行统计形成已有球体尺寸数据；

s5、计算构成初始封闭链的球体中距终点最远的球作为球1，并按照序列号寻找两个相邻球体，把两个相邻球体中距终点最远的球作为球2；

s6、依据块度分布曲线和已有球体尺寸数据生成新的球体的直径；

s7、根据球1和球2和已有的新球体的半径计算新球体的位置；

s8、判断新球体与当前面上已有的球的关系，如果存在重合，则利用原先球体的直径减去某个较小的随机数形成新的直径，并返回s7；直至新球体与当前面上已有的球体不重合，进行s9；

s9、根据新球体与球1、球2相邻的球的关系更新封闭链，并把新球体直径加入已有球体尺寸数据；如果在更新封闭链时某个球体被剔除，则统计剔除的球体形成总的球体数据，则返回s5；

s10、当前面被填满时，即s8生成的球体半径小于某个较小的随机数，并不成功次数超过允许的尝试次数后，当前面填充流程停止；

s11、判断7个面是否都被填满，如果否，则把下个面设置成当前面，返回s4，如果是，则进行s12；

s12、对7个面根据所在相应位置进行旋转构成三维爆堆表面，即第二步的封闭面；

s13、依据爆堆近似的梯形柱体计算爆堆的中心坐标作为中心点，并对爆堆表面的所有球体直径进行统计形成已有球体尺寸数据；

s14、计算构成初始封闭面的球体中距中心点最远的球体作为球1，以与球1相邻的球体中距中心点最远的球体作为球2，以与球1和球2均相邻的球体中距中心点最远的球体作为球3；

s15、依据块度分布曲线和已有球体尺寸数据生成新的球体的直径；

s16、根据球1、球2、球3和已有的新球体的半径计算新球体的位置；

s17、判断新球体与爆堆上已有的球的关系，如果存在重合，则利用原先球体的直径减去某个较小的随机数形成新的直径，并返回s16，直至新球体与当前面上已有的球体不重合，进行s18；

s18、在新球体、球1、球2、球3之间会有较小的空隙，可以在中间空隙处填充一个较小的球体，使之与四球体互相切；

s19、根据新球体与球1、球2、球3相邻的球的关系更新封闭面，并把新球体直径加入已有球体尺寸数据；如果在更新封闭面时某个球体被剔除，则统计剔除的球体形成总的球体数据则返回s14；

s20、当爆堆内部被填满，即s17生成的球体半径小于某个较小的随机数，并不成功次数超过允许的尝试次数后，则爆堆内部填充流程停止；

其中，步骤1-步骤12是为生成整个爆堆表面的岩块，步骤13-步骤20是把整个爆堆表面作为封闭的初始面，以此为基础对整个爆堆内部进行填充，为了使三维模拟更符合工程适用性，爆堆岩块用球体代替；

其中，步骤3中形成封闭链时需依据信息对相关边进行方向处理，使之整个面上边缘的球体按照顺时针或者逆时针排列，并在此基础上对面上所有球体按照顺序赋值，即每个球体都有相应的序列号；

其中，步骤3中堆形几何模型的每条边与两个面相关，每个顶点和三个面相关，因此，需按照点、边、面、体的顺序进行模拟，根据爆堆三维形态模型，对爆堆的7个面、15个边进行规定，规定如图2所示；前面为面1，左面为面2，右面为面3，后面为面4，底面为面5，顶面为面6和面7；箭头为边的方向；

其中，堆形几何模型将爆堆的坡面简化为斜面，把剖面的抛物线简化为v字形状，爆堆的侧面简化为垂直面，整个爆堆的weibull分布的堆形几何模型简化为五棱柱体，由15条边和10个顶点组成，如图2所示；

其中，步骤3中符合weibull分布的爆堆堆形是露天台阶深孔爆破的主要堆形，堆形weibull分布指炮孔至台阶自由面方向上的爆堆剖面二维曲线类似于weibull分布曲线；

在对weibull分布的爆堆形态的主要参数获取方法如下：由于对整个爆堆进行了简化，如图2；因此只需获得爆堆剖面和爆堆长度的相关信息即可，图3为从图2中截取的爆堆剖面，边长信息与图2的边长相对应；其中爆堆长度，即边1，只需对无人机所采集的两端的距离信息计算平均值即可；在实际的爆破现场，待爆区与已爆区分界线(边15)、爆破漏斗底部(在图3中为边10与边13的交点)和爆堆坡顶与坡面的交线(在图3中为边10与边5的交点)均为不规则的线；因此，需分别求出这三条不规则线上的点的坐标的平均值作为坡顶上的关键点，即图3中的点1、点2和点3；边7可通过点1的高程和台阶面的高程计算得到；以边7与边2的交点作为二维坐标原点，边2为x轴，边7为y轴，把三个点的三维坐标信息转为二维局部坐标信息，并通过计算可得到边13和边10的长度信息；

由于把爆堆坡面近似成一个斜面，在图3中即为边5，所以依据点3的坐标和边5的斜率即可得到边5和边2的长度信息；因为爆堆剖面轮廓线的主要部分与weibull分布相似，所以点3近似为weibull分布曲线的最高点，如图4；随机选取爆堆的剖面，并基于weibull分布曲线公式对无人机采集的该剖面的测量数据进行拟合得到该剖面的weibull分布曲线，如图4(b)所示；为了确保爆堆方量误差最小，因此假设图4中(a)与(b)的阴影部分相等；对拟合出来的weibull分布曲线函数积分可求得图4(b)中阴影部分面积，根据点3的坐标即可求得边5与边2；即得到了整个爆堆的信息；

其中，步骤5中在寻找两个相邻球体时，当在寻找球1和球2时，如果出现多个最远球体，则在多个最远球体中随机抽取一个球作为最远球体；

其中，步骤16中计算新球体的位置时，球1、球2和球3的球心均位于爆堆内部；

其中，步骤18中爆堆会有许多不能识别的细小颗粒，可以对细小颗粒作为一个补充。

工作原理：通过生成爆堆表面的球体，再把整个爆堆表面作为封闭的初始面，以此为基础对整个爆堆内部进行填充，且在生成爆堆表面的球体时，堆形几何模型需按照点、边、面、体的顺序进行模拟，从而将爆堆堆形为weibull分布的爆堆体三维可视化，为了使三维模拟更符合工程适用性，爆堆岩块用球体代替，根据weibull分布的堆形几何模型分别提取相关参数信息，通过借助堆体三维模型优化爆破参数，提高铲装效率。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。