一种混凝土细观模型的构建方法

本发明涉及混凝土模型构建，尤其涉及一种混凝土细观模型的构建方法。

背景技术：

1、混凝土是一种由砂浆、骨料和它们之间的过渡区（interface transition zone，itz）所组成的异质复合材料，骨料对其力学性能有重要影响。对比多组弹体高速侵彻混凝土靶体试验，骨料的存在对侵彻过程中的弹体头形变化与弹道偏转具有显著影响。混凝土细观模拟在超高速深侵彻数值模拟问题中的应用逐渐成为研究热点。

2、“取放法”是一种经典的基于骨料随机投放的混凝土细观模型生成方法，可以将预先生成的任意形状骨料随机投放到待填充区域中，当对骨料形状、级配和粒径分布具有明确要求时具有明显优势。基于取放法可以获得几何模型和有限元网格模型两类模型，大多数网格较为均匀的细观模型构建方法都是先完全生成几何模型而后在有限元网格模型中投影映射。该操作存在两个弊端：一是投影映射后骨料的网格模型体积可能低于其几何模型体积，导致最终的有限元网格模型中骨料占比低于设计值；二是待填充区域外形需为简单几何，如立方体或圆柱体，否则难以界定清晰的填充边界。工程实际结构中，可能存在锥台形、变截面板柱等特殊形状及其复杂组合（如机库拱形顶盖、地下防护工事等），在细观几何模型生成时存在困难。此外，由于细观模型对有限元单元尺寸存在一定要求，当模型整体尺寸较大时，待生成单元数极大，加大模型生成困难，这一问题在靶体尺寸可达2 m 以上的深侵彻模拟中不可忽视。已有研究中缺乏对大型复杂模型的细观模型加速算法，这限制了混凝土细观模拟在超高速深侵彻问题中的应用。

3、此外，对于投放过程中骨料间的侵入干涉检测，传统的几何干涉检测法可使用简便的外接圆/球面法，为避免侵入干涉现象，可基于 matlab的凸包计算方法做双边凹凸性检测，检测无误，则骨料投放成功。此方法在网格规则、数量有限的二维细观模型构建中具有良好表现；然而三维细观模型的网格规模显著提升，空间中骨料间干涉检测复杂度进一步增强，计算量的大幅增加大大降低了细观模型的构建效率。

4、因此，目前在弹体超高速侵彻混凝土数值模拟工作中，对于大型的形状复杂的混凝土靶体的细观模型构建存在生成速度慢、复杂度高、计算量大、精确性差和构建效率低的问题。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种混凝土细观模型的构建方法，用以解决现有混凝土细观模型构建的生成速度慢、复杂度高、计算量大、精确性差和构建效率低的问题。

2、本发明实施例提供了一种混凝土细观模型的构建方法，包括以下步骤：

3、确定所需建立混凝土细观模型结构试件的参数信息；其中，所述参数信息包括模型几何尺寸、网格尺寸和骨料粒径级配；

4、基于待建模结构试件的模型几何尺寸、网格尺寸建立有限元网格作为全局背景网格，并进行区块划分，得到各初始区块；

5、基于建立的骨料形状数据库和骨料粒径级配中各粒径等级依次进行各初始区块骨料并行投放和检测封装，完成结构试件混凝土细观模型的构建。

6、进一步地，所述全局背景网格通过信息矩阵存储信息，所述信息矩阵包括各单元的几何空间信息、材料属性信息和区块位置信息；其中，几何空间信息包括单元编号、单元中心点坐标和单元体积，材料属性信息包括材料编号，区块位置信息包括区块编号；单元中心点坐标为基于全局背景网格的全局坐标系得到。

7、进一步地，所述基于建立的骨料形状数据库和骨料粒径级配中各粒径等级依次进行各初始区块骨料并行投放和检测封装，包括：

8、在各初始区块同步进行当前粒径等级下的骨料投放和检测封装；其中，

9、当各初始区块在当前粒径等级下的骨料生成占比均达到设定的相应的骨料生成占比界限值，则将全局背景网格进行区块二次划分后，再继续进行当前粒径等级下的骨料投放和检测封装，直至二次划分后的各区块在当前粒径等级下的骨料生成占比均达到骨料粒径级配中的相应的骨料体积占比，此时，将全局背景网格重新按照初始区块划分，并进行骨料粒径级配中下一粒径等级的各初始区块骨料并行投放和检测封装，直至完成骨料粒径级配中所有粒径等级在各初始区块的骨料投放和检测封装。

10、进一步地，通过以下方式将全局背景网格进行区块二次划分：

11、获取各初始区块所有的区块边界，并将其中属于全局背景网格边界的区块边界以及重叠的区块边界中的其中一个去除，得到第一区块边界集合；

12、将所述第一区块边界集合中所有的区块边界移动设定的移动距离，基于移动后的区块边界更新全局背景网格的区块划分，重新生成各单元的区块编号，完成区块的二次划分；其中，移动距离设定为一个骨料半径的距离，且该骨料的粒径为粒径等级内的最大值；边界移动方向为沿该边界法线移动。

13、进一步地，在骨料投放前，全局背景网格中所有单元的材料属性信息中材料编号取代表砂浆的编号；通过重复单个骨料投放过程进行各粒径等级的骨料投放和检测封装；所述单个骨料投放过程包括：

14、根据骨料投放的粒径等级确定待投放骨料的粒径，并基于所述骨料形状数据库随机选取待投放骨料形状，进行旋转变换和尺寸缩放；

15、在待投放骨料的区块内随机生成骨料中心的投放位置，并提取相应的局部背景网格信息；

16、基于局部背景网格信息进行骨料侵入干涉检测，若为无侵入干涉，则骨料投放成功，进而更新全局背景网格相应单元的材料属性信息，完成单个骨料的封装。

17、进一步地，所述骨料形状数据库，用于存储各骨料所有顶点的局部坐标以及统一骨料粒径，为二维骨料形状数据库或三维骨料形状数据库；其中，通过以骨料中心为原点建立局部坐标系，基于设定的统一骨料粒径，生成具有不同局部坐标的随机顶点，得到所述骨料形状数据库中骨料的各顶点局部坐标。

18、进一步地，通过以下方式生成所述二维骨料形状数据库中骨料的各顶点局部坐标：

19、以骨料中心为原点建立局部坐标系，以(0,0)为圆心坐标和为直径生成骨料外接圆；其中，为设定的统一骨料粒径；

20、根据骨料外接圆上随机的起始顶点坐标生成边数为的正多边形，其中，所述正多边形除起始顶点的其他各顶点坐标由各顶点对应的圆心角确定；为随机生成的多边形骨料边线数；

21、基于所述正多边形的各顶点和设定的角度波动系数，生成新顶点并得到相应坐标，得到不规则凸多边形，完成骨料各顶点的局部坐标的生成。

22、进一步地，所述不规则凸多边形的起始顶点与所述正多边形的起始顶点相同，生成的其他新顶点的坐标根据其对应的新圆心角确定，通过下式得到新圆心角：

23、，

24、式中，表示正多边形中第j个顶点对应的圆心角，；表示设定的角度波动系数，表示0到1的随机数。

25、进一步地，通过以下方式生成所述三维骨料形状数据库中的骨料：

26、以骨料中心为原点建立局部球坐标系，以原点为球心和为直径生成骨料外接球体，并在设定的骨料顶点总数范围随机选取顶点总数；其中，为设定的统一骨料粒径；

27、将球体分为两个对称的球面，基于选取的顶点总数，将待生成顶点在两球面均分，并随机生成各顶点的仰角和方位角；

28、基于所述各顶点的仰角和方位角和设定的统一骨料粒径，将各顶点的球坐标转换为笛卡尔坐标，进而得到三维凸包，完成骨料各顶点的局部坐标的生成。

29、进一步地，以局部球坐标系xy平面为分界将球体分为上下两个球面，通过下式将各顶点的球坐标转换为笛卡尔坐标：

30、，

31、其中，；当第i个顶点在下球面时，；当第i个顶点在上球面时，；

32、式中，和分别为第i个顶点的仰角和方位角，和均为0到1的随机数。

33、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果：

34、本发明提供了一种混凝土细观模型构建方法，通过设置待建模结构试件的参数信息，建立有限元网格作为全局背景网格并进行区块划分，再基于建立的骨料形状数据库进行骨料的并行投放，实现了对复杂几何外形构件的有限元细观模型直接输出，并通过对大型细观模型的区块剖分以避免局部背景网格取放过程中对单个超大阵列运算的显著耗时，构建的生成速度明显提升，降低了构建的复杂度和计算量，构建效率和精确性得到明显提升，满足了超高速深侵彻细观模拟中对大型复杂模型快速生成的需求。

35、本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。