二维颗粒填充模型的生成方法

本发明属于材料计算力学，尤其涉及一种二维颗粒填充模型的生成方法。

背景技术：

1、二维颗粒模型填充广泛应用于数值计算领域，各类数值方法均离不开二维颗粒模型填充，如离散元(dem)、光滑粒子流(sph)、颗粒dda等数值模拟方法，都离不开二维模型填充算法。如在离散元的数值模拟当中，二维颗粒组成配比更契合实际材料的二维模型可以使得材料的力学、热学、流动性等综合表现达到最真实的效果。一般而言，二维颗粒模型填充中，颗粒级配的控制，有效提高颗粒填充的密实度、均匀性是二维颗粒填充算法的重要目标。

2、目前，在离散元数值模拟过程中前处理的任务就是建立离散元模型，对计算模型进行构建是整个离散元分析过程的关键一步。模型的合理与否会直接影响计算结果的精度、计算时间的长短、储存时间的长短以及计算过程能否完成。目前，用于离散元计算模型构建的方法主要包括有动力学方法和几何方法，动力方法包括半径拓展法、重力沉积法、挤压排斥法和各向同性压缩法等，几何方法包括规律排列颗粒流、不规律排列颗粒流和多边形颗粒生成法等。前面的动力方法虽然能够满足高密实度、按照一定级配进行模型构建，但所花费的时间很长；几何方法中颗粒流方法虽然能够较快完成模型构建，但不能满足级配要求，而多边形颗粒生成算法虽然能满足级配要求，计算时间却又大大加长。因此，如何实现同时满足高效率、定级配和高密实度离散元计算模型建立意义重大。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种二维颗粒填充模型的生成方法，旨在高效率完成颗粒填充模型。

2、本发明提供一种二维颗粒填充模型的生成方法，包括以下步骤：

3、s1，基于模型边界构建出二维颗粒填充计算域；

4、s2，确定待生成颗粒的级配，根据该级配下生成的颗粒半径的取值范围、以及所述取值对应的生成概率，构建半径数值集合；

5、s3，根据模型边界与半径数值集合计算网格数据，并对网格进行划分；

6、s4，根据所述半径数值集合确定m号种子颗粒和n号次种子颗粒的半径，根据m号种子颗粒和n号次种子颗粒的半径、圆心坐标值以及边界函数，采用解析方法确定新生成颗粒的圆心坐标；

7、s5，根据新生成颗粒的圆心坐标、半径确定其所属网格，结合其所属网格与新生成颗粒的映射关系，判断新生成颗粒与相邻网格以及所属网格内的颗粒是否发生重叠，若无重叠发生，则将该新生成颗粒填充至所述模型中，若发生重叠，则重新生成新颗粒

8、s6，重复步骤s4至s5，直至完成模型建立。

9、优选地，所述步骤s5中，根据新生成颗粒的圆心坐标、半径确定其所属网格，结合其所属网格与新生成颗粒的映射关系还包括：

10、判断新生成颗粒是否超出边界；

11、若新生成颗粒已超出边界，则需重新生成新颗粒；若新生成颗粒未超出边界，则判断新生成颗粒与相邻网格以及所属网格内的颗粒是否发生重叠。

12、优选地，当新生成颗粒超出边界时，计算获得满足与边界曲线、m号种子颗粒以及n号次种子颗粒同时相切的颗粒圆心坐标和半径值，重新生成新的颗粒、以替换出界的颗粒。

13、优选地，根据等式dl-i-ri＝c1确定新生成颗粒是否发生出界，其中：dl-i为颗粒圆心到曲线的距离值，ri为颗粒的半径值，c1为颗粒到曲线距离与半径的差值；

14、当c1≥0时，则判断新生成颗粒未出界；当c1<0时，则判断新生成颗粒会发生出界。

15、优选地，所述步骤s5中，还包括：

16、s5-01:若新生颗粒与相邻网格以及所属网格内的颗粒发生重叠，则判断当前循环次数是否超过预设次数；

17、s5-02:若当前循环次数超过预设次数，则根据网格映射关系，以(n-1)号颗粒代替n号次种子颗粒，

18、计算获得满足与m号种子颗粒以及(n-1)号次种子颗粒同时相切的颗粒圆心坐标和半径值，重新生成新的颗粒、以替换重叠的颗粒；

19、s5-03：若当前循环次数未超过预设次数，则根据网格映射关系，以(m-1)号颗粒作为种子颗粒，计算获得满足与(m-1)号种子颗粒以及n号次种子颗粒同时相切的颗粒圆心坐标和半径值，重新生成新的颗粒、以替换重叠的颗粒。

20、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

21、(1)本发明技术方案可根据需要的颗粒级配，在给定边界域内进行颗粒填充模型建立，并且具有良好的均匀性和足够高的密实度，很大程度上拟合了实际压密土体。

22、(2)通过网格映射的方法，在新生成颗粒重叠处理中，精简了颗粒重叠判断流程，以种子颗粒和次种子颗粒为依据，进行后续颗粒的生成，极大程度减少了迭代次数，易于大规模颗粒数模型构建。

23、(3)本发明技术方案中的边界处理方法，在给定模型域内新生成颗粒逐个与边界进行相切计算完成填充，使得整个模型完全固定在边界域内，与其他算法相比无需进行压密或多次边界处理。

24、(4)本发明技术方案中的半径数值集合可完成对新生成颗粒半径的控制，通过控制颗粒半径值大小，通过算法可实现多尺度颗粒填充，在进行多尺度问题处理上，效果好、处理过程便捷。

25、(5)通过几何方法中的解析解法，为离散元和非连续变形分析法前处理部分提供了一种高效可靠的二维建模方法，与其他算法相比(如图6所示)，在保持计算结果相似的情况下，极大地提高了计算效率。

26、本发明还具有的其他优势请见实施例部分的相关描述。

技术特征：

1.一种二维颗粒填充模型的生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的二维颗粒填充模型的生成方法，其特征在于，所述步骤s5中，根据新生成颗粒的圆心坐标、半径确定其所属网格，结合其所属网格与新生成颗粒的映射关系还包括：

3.根据权利要求2所述的二维颗粒填充模型的生成方法，其特征在于，当新生成颗粒超出边界时，计算获得满足与边界曲线、m号种子颗粒以及n号次种子颗粒同时相切的颗粒圆心坐标和半径值，重新生成新的颗粒、以替换出界的颗粒。

4.根据权利要求3所述的二维颗粒填充模型的生成方法，其特征在于：

5.根据权利要求4所述的二维颗粒填充模型的生成方法，其特征在于，当新生成颗粒超出边界时，根据等式

6.根据权利要求2所述的二维颗粒填充模型的生成方法，其特征在于，根据等式dl-i-ri＝c1确定新生成颗粒是否发生出界，其中：dl-i为颗粒圆心到曲线的距离值，ri为颗粒的半径值，c1为颗粒到曲线距离与半径的差值；

7.根据权利要求2所述的二维颗粒填充模型的生成方法，其特征在于，所述步骤s5中，还包括：

8.根据权利要求7所述的二维颗粒填充模型的生成方法，其特征在于，根据等式确定新生成颗粒与已存在颗粒的位置关系，其中：xa、ya为已存在颗粒的圆心坐标，ra为已存在颗粒的半径值，xi、yi为新生成颗粒的圆心坐标，ri为新生成颗粒的半径值，c2为两颗粒间距离与半径值之和的差值；

9.根据权利要求1所述的二维颗粒填充模型的生成方法，其特征在于，

10.根据权利要求1所述的二维颗粒填充模型的生成方法，其特征在于，

技术总结
本发明涉及二维颗粒填充模型的生成方法，该方法包括步骤：S1，基于模型边界构建出二维颗粒填充计算域；S2，确定待生成颗粒的级配，根据该级配下生成的颗粒半径的取值范围、以及所述取值对应的生成概率，构建半径数值集合；S3，根据模型边界与颗粒粒径计算网格数据，并对网格进行划分；S4，采用解析方法确定新生成颗粒的圆心坐标；S5，判断新生成颗粒与相邻网格以及所属网格内的颗粒是否发生重叠，若无重叠发生，则将该新生成颗粒填充至所述模型中，若发生重叠，则重新生成新颗粒S6，重复步骤S4至S5，直至完成模型建立。本发明的方法为离散元和非连续变形分析法前处理部分提供了一种高效可靠的二维建模方法，极大地提高了计算效率。

技术研发人员：马建军,丁文洁,李诚豪,陈俊杰,林越翔,黄林冲,杨宏伟,梁禹
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12