(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 20221091870 5.6 (22)申请日 2022.08.01 (71)申请人 河海大学 地址 210000 江苏省南京市 鼓楼区西康路1 号 (72)发明人 宋杭天　孟庆祥　薛浩宇　丁喻　 汪炜　 (74)专利代理 机构 南京千语知识产权代理事务 所(普通合伙) 32394 专利代理师 尚于杰 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/10(2020.01) (54)发明名称 一种采用 离散元模拟二维混凝土中孔隙的 生成方法 (57)摘要 本发明公布一种采用离散元模拟混凝土中 孔隙的模型生成方法， 包括： 根据级配曲线等前 置因素生 成各种形状的骨料模型； 利用骨料边界 坐标， 生成同样的簇， 实现骨料向簇的转化， 并将 其放置到模型区域； 进行DEM模拟， 记录簇碰撞后 分布的位置信息在dxf文件， 记录所有簇得到中 心坐标于txt文件； 然后通过Rhino对上述的dxf 文件处理， 得到模型的网格信息文件； 再将网格 信息文件导入到Flac3d， 通过记录中心坐标的 txt文件对每个骨料进行分组； 调用Fi sh指令， 对 满足单个孔隙面积要求的骨料进行删除， 实现模 型的孔隙率。 在将孔隙处理后的模型二维化。 本 发明不同于以往的二维混凝土模 型， 可以在模型 中根据孔隙的形状 分布的特点进行生成， 更符合 实际。 权利要求书2页 说明书6页 附图9页 CN 115270477 A 2022.11.01 CN 115270477 A 1.一种采用离 散元模拟的二维混凝 土中孔隙的生成方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤1： 根据级配曲线、 骨料总面积、 骨料边数量区间和长短轴径比信息生成所有的骨 料几何模型； 步骤2： 将骨料的轮廓边界向外延伸扩展， 把扩展后的骨料坐标数据导入离散元软件 中， 根据骨料坐标数据生成相同大小、 形状的簇， 并将模拟区域边界设定为具有周期性的模 拟边界， 同时也作为混凝 土数值模型的边界， 可确保骨料能够 在边界上实现分布； 步骤3： 进行离散元模拟簇的碰撞， 使簇重新分布； 然后再把骨料的外部轮廓恢复到扩 展之前的状态， 获取骨料重 分布后的坐标， 以及骨料的中心 点坐标， 得到骨料随机 分布的混 凝土模型， 及混凝 土模型的总面积S； 步骤4： 将混凝土模型网格化， 获得整个模型的所有网格单元， 通过中心点坐标对每个 骨料的网格单元进 行重新赋组， 每个骨料设定为一个组别； 遍历所有组别， 对每个组别内所 有网格单 元的上表面积进行累加， 获得每 个骨料的面积Sj； j∈[1， K]， K为骨料的总数量； 步骤5： 设定孔隙率V和空 隙的尺寸范 围[S10， S11]， 然后根据骨料面积进行筛选， 将面积 Sj处于所设定的空隙尺寸范围[ S10， S11]内的所有骨料的面积累加， 求得S’ 0； 判定累加面积S’ 0是否大于设定模型孔隙率所对应的面积S0， S0＝S×V： 5.1)当S’ 0≥S0时， 删除参与累加面积的所有骨料； 5.2)当S’ 0＜S0时， 增加空隙设定尺寸范围[S20， S21]， 则此时的空隙包括两个尺寸范围 [S10， S11]和[S20， S21]， 设定此时两个尺寸范围对应的孔隙率分别为V1和V2， 且V＝V21+V22； 面 积在[S10， S11]范围内的所有骨料的面积累加值为S’ 1， 面积在[S20， S21]范围内的所有骨料的 面积累加值 为S’ 2； 判断S’ 1是否大于S12，， S’ 2是否大于S22； 其中， S12＝S×V21， S22＝S×V22： 当满足条件时， 删除参与累加面积的所有骨料； 当不满足条件时， 重复上述步骤， 继续增加空隙设定尺寸范围， 直至满足条件； 设定此 时空隙包括N个尺寸范围， 为[S10， S11]、 [S20， S21]，……， [Si0， Si1]，……， [SN0， SN1],N个尺寸 范围对应的孔隙率分别为VN1、 VN2，……VNi，……， VNN； V＝VN1+VN2，……， +VNi，……， +VNN； 面积 在[S10， S11]范围内的所有骨料的面积累加值为S’ 1， 面积在[S20， S21]范围内的所有骨料的面 积累加值为S’ 2，……， 面积在[SN0， SN1]范围内的所有骨料的面积累加值为S’ N； 此时S’ 1≥ S1N，， S’ 2≥S2N，……， S’ N≥SNN； 其中， S1N＝S×VN1， S2N＝S×VN2，……， SNN＝S×VNN； N为大于等于 3的正整数， i∈[1， N]； 步骤6： 将混凝 土模型二维化， 获得最终的二维混凝 土模型。 2.根据权利要求1所述的采用离散元模拟 的二维混凝土中孔隙的生成方法， 其特征在 于， 所述步骤S1中生成所有的骨料几何模型的过程如下： 根据级配曲线划分不同的骨料粒径区间， 并按照设定的骨料粒径区间占比控制对应区 间内骨料粒径的面积与总骨料面积的比值； 按照设定的骨料边数区间用来控制对应骨料的 边的数量； 按照设定的长 短轴径比将生成后的骨料沿着X轴伸长相应的比例， 用来模仿长径 骨料。 3.根据权利要求1所述的采用离散元模拟 的二维混凝土中孔隙的生成方法， 其特征在 于， 所述步骤2中骨料外延伸扩展的方法具体如下： 采用明可夫斯基算法， 以各个骨料模型 的每个边的法向 向外扩展， 设定相邻骨料之间的最小间距为D， 则扩展距离为D/2。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115270477 A 24.根据权利要求1所述的采用离散元模拟 的二维混凝土中孔隙的生成方法， 其特征在 于， 所述步骤2中周期性 边界的特性如下： 在模拟碰撞 的过程中， 当骨料从模拟区域的一侧飞出时， 就会从模拟区域另一侧同步 进入； 模拟时间结束时， 当有骨料正处于模拟区域边界上时， 骨料会被分割成两 半， 其中， 一 半位于模拟该侧边界处， 另一半位于模型的另外一侧边界处； 模拟时间结束时， 处于角落上的骨料， 则会被分割为 四块， 分别放置在模拟区域四个角 上。 5.根据权利要求1所述的采用离散元模拟 的二维混凝土中孔隙的生成方法， 其特征在 于， 所述步骤3中， 采用离散元模拟簇的碰撞方法具体为： 在 模拟区域内， 当投放的簇与其他 簇发生接触时会互相弹开， 实现簇的碰撞， 进而导致簇在区域内部和边界会发生重新分布， 再导出簇 重分布后的坐标信息， 即实现了骨料的随机分布的混凝 土模型。 6.根据权利要求5所述的采用离散元模拟 的二维混凝土中孔隙的生成方法， 其特征在 于， 所述步骤4中， 对骨料的网格单 元赋组的具体方法为： 通过步骤3已经获取， 并存储骨料重分布后的中心坐标， 然后将网格离散化后得到的 f3grid文件导入Flac3d中， 形成等厚度网格体， 以XOZY为三维立体坐标系； 每个骨料所有的 网格单元被网格划分软件Rhino分配一个名字； 通过骨料的中心 坐标， 找到离该坐标最近的 网格单元， 将该网格单元所属的组别重新设定， 即实现了该骨料内网格单元的重新赋组， 每 个重新赋组的骨料 给予唯一的组名。 7.根据权利要求6所述的采用离散元模拟 的二维混凝土中孔隙的生成方法， 其特征在 于， 所述步骤5中， 由于Flac3 d软件中虽然可以通过指令得到网格单元各个面的面积， 但是 无法判定 哪个面是网格元素的上表面， 即Flac3d软件无法将网格单元中的每个侧面与相应 的面积值 一一对应； 通过网格单元各个面的法向量进行判断上表面： 网格单元是在厚度方向具有对称性， 在Y轴方向对称， 即关于平 面XOZ对称； 则网格单元上表 面的法向量和向量V＝[ 0 1 0]同向； 遍历网格单 元各个面的法向量， 寻找和向量V同向的表面， 即找到上表面。 8.根据权利要求7所述的采用离散元模拟 的二维混凝土中孔隙的生成方法， 其特征在 于， 所述步骤6中模 型二维化实现方法具体为： 由Flac2d执行， 将模 型中网格单元的Y坐标删 除， 即只记录剩余网格单 元上表面的(X,Z)坐标， 实现三维模型到二维模型的转 化。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115270477 A 3