一种纤维混凝土二维纤维随机分布模型的生成方法与流程

本发明属于纤维混凝土细观数值试验前处理，具体的说是一种纤维混凝土二维纤维随机分布模型的生成方法。

背景技术：

1、纤维混凝土通过在混凝土基体中掺入随机分布的纤维后形成了一种新型多相复合材料，可以明显地提升混凝土抗拉性能，提高其开裂强度，进而提高其耐久性和使用寿命。这使得纤维混凝土被广泛应用于工程项目中。目前，国内外学者对纤维混凝土材料的性能进行了大量的研究与反洗，但大多数研究建立在宏观试验的基础上，而不同的试验条件及复杂的材料构成等因素往往使试验结果离散性较大。而从细观力学角度出发建立纤维混凝土细观力学数值模模型，模拟纤维分布的多相性、非均匀性和随机性，不仅可避免实际试验中人为及环境因素的影响，还能节省大量的人力和物力，为研究纤维混凝土的开裂机理提供了一种有效分析手段。

技术实现思路

1、本发明提出一种纤维混凝土二维纤维随机分布模型的生成方法，该方法是在混凝土基体模型中随机生成纤维，即根据设定的纤维参数随机在混凝土基体模型内生成纤维单元。该方法概念清晰，使用简洁，为考虑纤维分布的纤维混凝土细观分析提供了一种有效的工具。

2、本发明通过以下述技术方案实现上述目的，包括以下步骤:

3、步骤1：确定待生成纤维混凝土基体中纤维单元有几类纤维，各类纤维的长度及数量。

4、步骤2：在全局坐标系oxy下，在纤维混凝土基体外接矩形域内{x0,x1；y0,y1}形成的面域内随机生成纤维中点pm，其中pm点的x轴坐标xm、y轴坐标ym，采用随机函数生成，并满足x0≤xm≤x1,y0≤ym≤y1；

5、步骤3：以纤维中点pm(xm,ym)为极点建立极坐标系

6、步骤4：在极坐标系下，采用随机函数生成纤维的的极角α并依据纤维长度l得纤维起始点坐标ps(xm-l·cosα/2,ym-l·sinα/2)、pe(xm+l·cosα/2,ym+l·sinα/2)。

7、步骤5：如图3所示，分别以纤维两端点ps(xps,yps)，pe(xpe,ype)为起点建立水平射线，分别判定其与纤维混凝土外边界线段的交点数，即假定纤维混凝土的一条外边界线段为cd，其坐标分别为c(xc,yc)，d(xd,yd)，若(yps-yc)·(yps-yd)≤0同时xps≤max[xc；xd]则纤维端点ps为起点的水平射线与基体边界cd有交点，同理分别判断点ps、pe与基体外边界的交点数，若ps、pe交点数均为奇数，则保存纤维pspe，否则删除纤维pspe。

8、步骤6：如图4所示，针对通过步骤5判定的纤维，计算纤维线段是否与纤维混凝土外边界线段相交，如果2个线段相交，则两个线段必然互相跨立对方。若pspe的跨立ab，则矢量(ps-a)和(pe-a)位于(b-a)的两侧，(通过矢量叉积判断拐向)即(ps-a)×(b-a)×(pe-a)×(b-a)<0。

9、进一步地，当(ps-a)×(b-a)＝0时，说明(ps-a)和(b-a)共线，因为已经通过了快速排斥，所以ps一定是在ab上。同理(pe-a)×(b-a)＝0则pe一定是在上。综上pspe和ab互相跨立：

10、1.(ps-a)×(b-a)×(pe-a)×(b-a)≤0

11、2.(a-ps)×(pe-ps)×(b-ps)×(pe-ps)≤0

12、同理依次判定纤维pspe是否与纤维混凝土外边界线段相交，若相交则删除纤维pspe。

13、步骤7：存储通过步骤5-6判定的纤维，并依据设定的纤维随机从剩余的纤维单元中抽取纤维。

14、通过上述技术方案，在全局坐标oxy下，在纤维混凝土基体面域内采用随机函数生成纤维中点pm，有效保证了纤维生成的随机性；在纤维中点建立极坐标系并依据随机函数生成极角α有效保证了纤维方向的随机性；通过步骤5～6判定纤维的两端点是否处于基体面域及纤维是否与基体外边界相交，能有效保证在基体边缘纤维的有效分布。

15、本发明还提供了一种用于纤维混凝土二维纤维随机分布模型的生成方法的系统，该系统基于matlab平台，包括：

16、第一生成模块，用于在纤维混凝土基体外接矩形域内{x0,x1；y0,y1}形成的面域内随机生成纤维中点pm；其中pm点的x轴坐标xm、y轴坐标ym，采用随机函数生成，并满足x0≤xm≤x1,y0≤ym≤y1；

17、第二生成模块，用于通过随机函数生成纤维的的极角α并由纤维长度计算起始点ps(xm-l·cosα/2,ym-l·sinα/2)、pe(xm+l·cosα/2,ym+l·sinα/2)；其中极坐标系以纤维中点pm为极点建立；

18、第一判定模块，用于判定以纤维两个端点ps、pe为起点的水平射线与纤维混凝土外边界线段的交点数；若ps、pe交点数均为奇数，则保存纤维pspe，否则删除纤维pspe；

19、第二判定模块，用以判定纤维线段pspe是否与纤维混凝土外边界线段相交；若相交则删除纤维pspe，否则保存pspe；

20、存储模块，用于存储第一判定模块与第二判定模保存的纤维端点ps、pe，并依据设定的纤维随机从剩余的纤维单元中抽取纤维。

21、进一步地，在第一判定模块中，所述纤维端点ps(xps,yps)水平射线与纤维混凝土基体边界c(xc,yc)，d(xd,yd)有交点的判定条件为(yps-yc)·(yps-yd)≤0同时xps≤max[xc；xd]。

22、进一步地，在第二判定模块中，所述纤维两端点ps(xps,yps)，pe(xpe,ype)与基体边界c(xc,yc)，d(xd,yd)相交的判定条件为(ps-a)×(b-a)×(pe-a)×(b-a)≤0，(a-ps)×(pe-ps)×(b-ps)×(pe-ps)≤0。

23、本发明提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述纤维混凝土二维纤维随机分布模型的生成方法步骤。

24、此外，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现所述纤维混凝土二维纤维随机分布模型的生成方法步骤。

25、本发明具有以下有益效果:

26、1)本发明方法，能调整设定的纤维的长度和数量，生成不同纤维含量和长度的纤维混凝土二维纤维随机分布模型:

27、2)本发明在纤维混凝土细观模型中随机生成纤维单元的基础上引入了混凝土基体边界函数，通过不断判定纤维单元两端点与混凝土基体边界函数的关系，判定纤维单元是否在纤维混凝土基体面域内，直到生成符合要求的纤维单元，能有效保证纤维在不规则基体边缘的纤维有效分布，与实际纤维分布更加贴近，且概念清晰、方法明确，具有很强的使用价值:

28、3)本发明所述纤维单元生成方法基于matlab平台，可以很方便地与传统投放方式相结合，生成纤维混凝土细观模型用于有限元数值模拟研究，为研究者进一步研究纤维混凝土中纤维的作用机理提供有力支持。