【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及混凝土材料仿真模擬，尤其涉及一種基于模擬退火算法的混凝土三維細(xì)觀建模方法。
技術(shù)介紹
1、從細(xì)觀尺度看，混凝土是一種由骨料、砂漿和界面過(guò)渡區(qū)(itz)組成的多相復(fù)合材料。混凝土復(fù)雜的力學(xué)特性很大程度上取決于其非均質(zhì)的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征，因此基于混凝土細(xì)觀模型的數(shù)值模擬方法已逐漸成為混凝土材料研究的重要手段。
2、混凝土細(xì)觀建模主要涉及到骨料隨機(jī)空間結(jié)構(gòu)的生成。隨機(jī)順序投放法是一種經(jīng)典的細(xì)觀建模方法，可以準(zhǔn)確地控制骨料的級(jí)配和體積分?jǐn)?shù)。該方法將骨料按粒徑從大到小逐個(gè)投放到目標(biāo)空間中，在投放過(guò)程中保證當(dāng)前骨料不與之前已投放骨料發(fā)生重疊。然而，隨著已投放骨料所占據(jù)的空間增加，新加入骨料的有效投放區(qū)域會(huì)減少，從而導(dǎo)致后期的投放非常低效。為了提高投放效率，中國(guó)專利“一種混凝土三維細(xì)觀仿真模型及其建立方法(cn102136157a)”中，提出了利用六面體背景網(wǎng)格建立混凝土三維細(xì)觀模型的方法，通過(guò)背景網(wǎng)格標(biāo)記已投放骨料所占據(jù)空間來(lái)提高骨料投放的成功率。在中國(guó)專利“一種混凝土細(xì)觀模型的構(gòu)建方法(cn117195382a)”中，將有限元網(wǎng)格作為全局背景網(wǎng)格進(jìn)行區(qū)塊劃分，并通過(guò)區(qū)塊并行投放以及區(qū)塊的二次剖分降低了構(gòu)建的復(fù)雜度和計(jì)算量。在中國(guó)專利“基于四重離散點(diǎn)集的四級(jí)配混凝土細(xì)觀隨機(jī)建模方法(cn115798645a)”中，利用四重離散點(diǎn)集結(jié)構(gòu)減小了骨料投放的嘗試次數(shù)并提高了骨料含量上限。然而，在這些改進(jìn)方法中，已投放骨料的位置都是保持不變的，當(dāng)前期已投放骨料的空間位置不合適時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響到剩余骨料的投放，導(dǎo)致難以生成高骨料體積
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為了克服現(xiàn)有建模方法中適用骨料形狀單一、骨料投放效率低、骨料體積分?jǐn)?shù)低等問(wèn)題，本專利技術(shù)提供了一種基于模擬退火算法的混凝土三維細(xì)觀建模方法，根據(jù)骨料顆粒間的相互排斥力動(dòng)態(tài)調(diào)整骨料的空間位置，迭代消除骨料間的重疊，從而完成混凝土細(xì)觀模型的建立。
2、本專利技術(shù)是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種基于模擬退火算法的混凝土三維細(xì)觀建模方法，包括：
3、步驟s1，根據(jù)細(xì)觀模型尺寸、骨料級(jí)配以及骨料體積分?jǐn)?shù)預(yù)先生成所有的骨料顆粒；
4、步驟s2，生成初始骨料構(gòu)型s＝s0，按粒徑從大到小的順序依次投放骨料顆粒，將選定的骨料按隨機(jī)的中心坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)角度投放到模型空間內(nèi)部，執(zhí)行當(dāng)前骨料與之前已投放骨料之間的碰撞檢測(cè)并記錄碰撞信息，根據(jù)當(dāng)前骨料的碰撞信息計(jì)算其與周圍骨料重疊導(dǎo)致的彈性勢(shì)能，重復(fù)若干次后以產(chǎn)生最小勢(shì)能的位置作為當(dāng)前骨料的最終投放位置，更新該骨料及與其重疊骨料的碰撞信息；
5、步驟s3，計(jì)算初始骨料構(gòu)型s0的彈性勢(shì)能u0；
6、步驟s4，設(shè)置模擬退火算法控制參數(shù)的初始值，包括骨料的平移長(zhǎng)度l＝l0及其縮減系數(shù)α，骨料的旋轉(zhuǎn)角度θ＝θ0及其縮減系數(shù)β，抽樣過(guò)程的抽樣數(shù)m＝m0及其放大系數(shù)γ，骨料構(gòu)型的歷史最小勢(shì)能umin＝u0，抽樣計(jì)數(shù)器n＝0；
7、步驟s5，按照粒徑尺寸從大到小的順序依次更新每個(gè)骨料的位置以更新骨料構(gòu)型s；
8、步驟s6，計(jì)算當(dāng)前骨料構(gòu)型s的彈性勢(shì)能u；
9、步驟s7，在u＝0的條件下輸出當(dāng)前骨料構(gòu)型中每個(gè)骨料的形狀及空間位置信息，完成混凝土三維細(xì)觀建模；若u≠0則進(jìn)行步驟s8；
10、步驟s8，將當(dāng)前骨料構(gòu)型的彈性勢(shì)能u與歷史最小勢(shì)能umin進(jìn)行比對(duì)，在u＜umin的條件下更新umin＝u并將抽樣計(jì)數(shù)器重置為n＝0，以及在u≥umin的條件下將抽樣計(jì)數(shù)器重置為n＝n+1；
11、步驟s9，基于n和m的比對(duì)判斷是否終止當(dāng)前抽樣，在n＝m的條件下更新參數(shù)l＝αl、θ＝βθ、m＝γm并將抽樣計(jì)數(shù)器重置n＝0，以進(jìn)行降溫，以及在n≠m的條件下進(jìn)行步驟s5；
12、步驟s10，基于l和lmin的比對(duì)判斷是否繼續(xù)降溫，在l＜lmin的條件下判定骨料投放失敗并終止混凝土三維細(xì)觀建模，以及，在l≥lmin的條件下判定跳轉(zhuǎn)至步驟s5以進(jìn)行下一個(gè)抽樣過(guò)程，其中，lmin為預(yù)設(shè)最小平移長(zhǎng)度。
13、進(jìn)一步地，所述步驟s5包括：
14、步驟s501，按照以下公式計(jì)算當(dāng)前要移動(dòng)的骨料pi受排斥力的合力，
15、
16、式中，vj表示骨料pj的體積，dij表示從骨料pj指向骨料pi的刺入深度向量，n表示骨料的數(shù)量；
17、步驟s502，根據(jù)骨料pi受排斥力的合力fi計(jì)算骨料pi移動(dòng)后的新位置si′，其中，si′＝r(si)+d，式中，si′和si分別為pi的新位置和當(dāng)前位置，r(si)表示對(duì)當(dāng)前位置si按旋轉(zhuǎn)矩陣r進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換；d表示骨料位置的平移向量，d＝λtlu,其中，u·fi≥0，式中，u是隨機(jī)的單位向量，λt是0到1的隨機(jī)數(shù)；旋轉(zhuǎn)矩陣r＝i+sin(λrθ)m+(1-cos(λrθ))m2，式中，i表示單位矩陣，λr是[-0.5,0.5]范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)，m是由隨機(jī)旋轉(zhuǎn)軸k(kx,ky,kz)的分量組成的矩陣，
18、
19、步驟s503，對(duì)骨料進(jìn)行邊界檢查，若骨料移動(dòng)到新位置后超出模型空間范圍，則保持骨料原來(lái)的位置不變，開(kāi)始下一個(gè)骨料pi+1的位置更新；若骨料移動(dòng)到新位置后不超出模型空間范圍，則進(jìn)行步驟s504；
20、步驟s504，對(duì)骨料pi進(jìn)行碰撞檢測(cè)，對(duì)存在碰撞的骨料分別進(jìn)行碰撞信息更新后開(kāi)始下一個(gè)骨料pi+1的位置更新；
21、步驟s505，所有骨料依次完成骨料位置的更新后，得到更新骨料構(gòu)型s。
22、進(jìn)一步地，所述碰撞檢測(cè)以骨料形狀的支持映射表示為基礎(chǔ)，且遍歷骨料間的最小間隙δa和界面過(guò)渡區(qū)厚度t，其中，骨料形狀的支持映射
23、
24、式中，sa(v)表示骨料a原本的支持映射，v為任意方向，s′a(v)是骨料間最小間隙和界面過(guò)渡區(qū)厚度之后的支持映射，δa是骨料間最小間隙，t是界面過(guò)渡區(qū)厚度。
25、進(jìn)一步地，所述碰撞檢測(cè)包括寬相碰撞檢測(cè)和窄相碰撞檢測(cè)，其中，寬相碰撞檢測(cè)利用骨料的軸對(duì)齊包圍盒進(jìn)行干涉檢測(cè)，窄相碰撞檢測(cè)采用gjk算法檢測(cè)判斷兩個(gè)骨料相交時(shí)采用epa算法兩個(gè)骨料的刺入深度向量并分別更新兩個(gè)骨料的碰撞信息。
26、進(jìn)一步地，所述步驟s6包括：
27、步驟s601，將骨料間的重疊視為擠壓變形，若骨料pi和骨料pj有重疊，由pj的作用導(dǎo)致pi產(chǎn)生的彈性勢(shì)能uij通過(guò)以下公式計(jì)算，
28、
29、步驟s602，骨料pi的彈性勢(shì)能ui由周圍所有骨料貢獻(xiàn)的總和，其通過(guò)以下公式計(jì)算，
30、
31、步驟s603，當(dāng)前整個(gè)骨料構(gòu)型的彈性勢(shì)能u是所有骨料彈性勢(shì)能的總和，其通過(guò)以下公式計(jì)算，
32、本專利技術(shù)的有益效果是：
33、(1)通過(guò)模擬退火算法動(dòng)態(tài)地調(diào)整骨料位置，提高了本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種基于模擬退火算法的混凝土三維細(xì)觀建模方法，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模擬退火算法的混凝土三維細(xì)觀建模方法，其特征在于，所述步驟S5包括：
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的基于模擬退火算法的混凝土三維細(xì)觀建模方法，其特征在于，所述碰撞檢測(cè)以骨料形狀的支持映射表示為基礎(chǔ)，且遍歷骨料間的最小間隙δa和界面過(guò)渡區(qū)厚度t，其中，骨料形狀的支持映射
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于模擬退火算法的混凝土三維細(xì)觀建模方法，其特征在于，所述碰撞檢測(cè)包括寬相碰撞檢測(cè)和窄相碰撞檢測(cè)，其中，寬相碰撞檢測(cè)利用骨料的軸對(duì)齊包圍盒進(jìn)行干涉檢測(cè)，窄相碰撞檢測(cè)采用GJK算法檢測(cè)判斷兩個(gè)骨料相交時(shí)采用EPA算法兩個(gè)骨料的刺入深度向量并分別更新兩個(gè)骨料的碰撞信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模擬退火算法的混凝土三維細(xì)觀建模方法，其特征在于，所述步驟S6包括：
【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于模擬退火算法的混凝土三維細(xì)觀建模方法，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模擬退火算法的混凝土三維細(xì)觀建模方法，其特征在于，所述步驟s5包括：
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的基于模擬退火算法的混凝土三維細(xì)觀建模方法，其特征在于，所述碰撞檢測(cè)以骨料形狀的支持映射表示為基礎(chǔ)，且遍歷骨料間的最小間隙δa和界面過(guò)渡區(qū)厚度t，其中，骨料形狀的支持映射
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳濤，楊小梅，姚小俊，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：福州大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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