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集料颗粒模型生成算法及非均质混合料试件模型生成方法技术

技术编号:16605663 阅读:49 留言:0更新日期:2017-11-22 15:30
本发明专利技术公开一种集料颗粒模型生成算法及非均质混合料试件模型生成方法,其中,该集料颗粒模型生成算法包括如下步骤:先随机生成一个大于3的正整数N作为初始多边形的边数,在极径和极角范围内随机生成N对极坐标;将每个极坐标转换为直角坐标,并调整多边形纵横比使之满足集料颗粒模型纵横比;然后调整多边形宽度使之满足集料颗粒模型目标宽度;最后调整多边形长轴与X轴夹角以实现集料颗粒模型角度的随机性,生成单个集料颗粒模型。本发明专利技术的非均质混合料试件模型生成方法基于集料颗粒模型生成算法,在不需要对沥青混合料试件进行图像处理的前提下,高效快速而且更加准确地生成可用于有限元计算的非均质混合料模型。

Generation algorithm of aggregate particle model and generation method of heterogeneous mixture specimen model

The invention discloses an aggregate generation algorithm of particle model and heterogeneous mixture specimen model generation method, wherein, the generation algorithm of the aggregate model comprises the following steps: first generates a random integer N greater than 3 as the initial number of polygon edges, in polar and polar angle in the range of randomly generated N the polar coordinates; each polar coordinates into Cartesian coordinates, and adjust the polygon aspect ratio to meet the aggregate model aspect ratio; and then adjust the width to meet the set target polygon particle model width; finally adjust the polygon and the long axis of X shaft angle to achieve the random aggregate model perspective, generating a single set particle model. The invention of the heterogeneous material specimen model generation method set algorithm of particle based model, without the need for asphalt mixture specimen under the premise of image processing, fast and accurately can be used to generate non homogeneous mixture model finite element calculation.

【技术实现步骤摘要】
集料颗粒模型生成算法及非均质混合料试件模型生成方法
本专利技术涉及一种集料颗粒模型的生成算法及基于该算法的非均质混合料试件模型生成方法,属于道路工程

技术介绍
沥青混合料是以道路石油沥青为胶结材料,以一定比例的矿粉、碎石等作为填料所拌合而成的一种复合建筑材料。虽然沥青混合料是一种复合材料,但是传统的沥青混合料设计方法并没有充分考虑混合料各组分性质对复合材料整体性能的影响,而是将其视为一种各向同性的均质体。然而骨料的级配、几何形状、力学性质等会不同程度得影响沥青混合料的整体性能,并最终影响路面使用寿命。因此,将沥青混合料视为非均质复合材料进行研究,能够优化设计方法,进而提高路面性能。为了解决以上问题,世界各国已经提出许多方法。这些方法大致分为两种思路:一是基于图像处理技术,如CT扫描技术,对沥青混合料试件切片进行扫描,得到截面集料与沥青的平面分布图像,进而处理得到可以用于有限元计算的非均质混合料平面模型。此种方法操作较为复杂,成本较高,而且必须基于已有的沥青混合料试件,无法提供一个完全数字化的虚拟实验系统。另外一种方法为根据油石比、孔隙率、骨料级配等材料属性直接生成沥青混合料数字试件。但是目前该方法算法复杂,而且生成的数字集料模型形态特征与实际差距较大,时间成本较高。因此,在已有技术的基础上,本专利技术提出一种集料颗粒模型的生成算法,并基于该算法提出一种非均质混合料试件模型生成方法,在不需要对沥青混合料试件进行图像处理的前提下,高效快速而且更加准确地生成非均质混合料模型,进而利用有限元软件对其进行相关计算。
技术实现思路
专利技术目的:针对现有技术中存在的问题,本专利技术提供一种集料颗粒模型的生成算法,并基于该算法提供一种非均质混合料试件模型的生成方法。技术方案:本专利技术所述的一种集料颗粒模型的生成算法,包括下述步骤:(1)随机生成一个大于3的正整数N作为初始多边形的边数,在极径和极角范围内随机生成N对极坐标、分别代表随机多边形的N个顶点;(2)将随机多边形顶点极坐标转换为直角坐标,并调整多边形纵横比使之满足集料颗粒模型纵横比;(3)调整多边形宽度使之满足集料颗粒模型目标宽度;(4)调整多边形长轴与X轴夹角以实现集料颗粒模型角度的随机性,生成单个集料颗粒模型。上述集料颗粒模型的生成算法可生成二维集料颗粒模型或三维集料颗粒模型。以生成二维集料颗粒模型为例,本专利技术的一种集料颗粒模型的生成算法中各步骤具体如下:步骤(1)中,在极径(L1,L2)范围,极角(0,2π)范围内随机生成N对极坐标,并按照极角从小到大排序;在极角小于π且最接近π的极坐标后插入一对极坐标(L2,π),并在最后一对极坐标后插入一对极坐标(L2,2π)。步骤(2)中,调整多边形纵横比的方法为:设定集料颗粒模型目标纵横比为ratio_target,多边形目前纵横比为ratio_current,各顶点坐标为(X,Y),调整多边形所有顶点纵坐标,使之与ratio_target相等,调整过程中横坐标X保持不变,纵坐标Y根据式(1)调整:步骤(3)中,调整多边形宽带的方法为:设定目标集料颗粒模型宽度为width_target,设定多边形目前宽度为width_current,各顶点坐标为(X,Y),根据式(2)和式(3)调整各顶点横、纵坐标:步骤(4)中,调整多边形长轴与X轴夹角的方法为:在(0,2π)范围内随机生成旋转角,设定为angle,设定各顶点坐标为(X,Y),调整(X,Y),实现多边形的旋转;各顶点横、纵坐标根据下述步骤调整:①计算各顶点与X轴夹角,设定为alpha;②计算各顶点与坐标原点(0,0)距离,设定为R;③根据式(4)计算旋转后各顶点与X轴夹角:alpha=alpha+angle(4)④根据式(5)和式(6)调整各顶点坐标(X,Y):X=R×cos(alpha)(5)Y=R×sin(alpha)(6)。采用本专利技术的一种集料颗粒模型的生成算法生成三维集料颗粒模型时,其方法步骤与生成二维集料颗粒模型时相同,仅需将上述具体步骤中的二维参数增加为三维,对相应坐标进行变换即可。设二维集料颗粒的宽度为width_target,长度为length_target,将二维集料颗粒模型沿法线方向拉伸h,即可生成三维集料颗粒模型,其中,width_target<h<length_target。本专利技术所述的一种基于集料颗粒模型生成算法的非均质混合料试件模型生成方法,包括如下步骤:(1)确定混合料级配,并测量集料各粒径密度,计算级配中粗集料各粒径以及集料颗粒数量比例;(2)以直角坐标系坐标原点为起点,以此点为参考点根据集料颗粒模型的生成算法生成单个集料颗粒模型;(3)根据集料颗粒模型各顶点坐标和混合料试件模型范围,确定随机位置为终点,将该集料颗粒模型平移至此点,获得该集料颗粒在混合料中的位置;(4)判断该集料颗粒模型上各点位置是否与之前生成的所有集料颗粒模型相重叠,若重叠则重新确定终点;(5)所有集料颗粒模型生成完毕后,在试件内部空隙生成胶结材料,成型非均质混合料试件模型。对于二维集料颗粒模型,上述步骤(3)中,其随机位置的确定方法为:设定混合料试件模型上下左右边界分别为top、bottom、left、right,集料颗粒模型各顶点坐标为(X,Y),随机位置点坐标为(x,y),遍历集料颗粒模型各顶点坐标(X,Y),确定横坐标最小点和最大点,分别标定为(x_min,y)和(x_max,y),确定纵坐标最小点和最大点,分别标定为(x,y_min)和(x,y_max),按照式(7)和式(8)确定随机位置点横坐标范围:上限:x_right=right-|x_max|(7)下限:x_left=left+|x_min|(8);按照式(9)和式(10)确定随机位置点纵坐标范围:上限:y_top=top-|y_max|(9)下限:y_bottom=bottom+|y_min|(10)对于三维集料颗粒模型时,步骤(3)中,其随机位置的确定方法为:设混合料试件模型上、下、左、右、前、后边界分别为top、bottom、left、right、front,back,集料颗粒模型各顶点坐标为(X,Y,Z),集料颗粒在试件轮廓中的随机位置点坐标为(x,y,z),遍历集料颗粒模型各顶点坐标(X,Y,Z),确定横坐标最小点和最大点,分别标定为(x_min,y,z)和(x_max,y,z),确定纵坐标最小点和最大点,分别标定为(x,y_min,z)和(x,y_max,z),确定竖坐标最小点和最大点,分别标定为(x,y,z_min)和(x,y,z_max),按照式(11)和式(12)确定随机位置点横坐标x取值范围:上限:x_right=right-|x_max|(11)下限:x_left=left+|x_min|(12);按照式(13)和式(14)确定随机位置点纵坐标y取值范围:上限:y_top=top-|y_max|(13)下限:y_bottom=bottom+|y_min|(14);按照式(15)和式(16)确定随机位置点竖坐标z取值范围:上限:z_front=front-|z_max|(15)下限:z_back=back+|z_min|(16)。相应的,对于三维集料颗粒模型,步骤(4)中本文档来自技高网...
集料颗粒模型生成算法及非均质混合料试件模型生成方法

【技术保护点】
一种集料颗粒模型的生成算法,其特征在于,采用生成随机多边形的方法生成单个集料颗粒模型,其具体包括下述步骤:(1)随机生成一个大于3的正整数N作为初始多边形的边数,在极径和极角范围内随机生成N对极坐标、分别代表随机多边形的N个顶点;(2)将随机多边形顶点极坐标转换为直角坐标,并调整多边形纵横比使之满足集料颗粒模型纵横比;(3)调整多边形宽度使之满足集料颗粒模型目标宽度;(4)调整多边形长轴与X轴夹角以实现集料颗粒模型角度的随机性,生成单个集料颗粒模型。

【技术特征摘要】
1.一种集料颗粒模型的生成算法,其特征在于,采用生成随机多边形的方法生成单个集料颗粒模型,其具体包括下述步骤:(1)随机生成一个大于3的正整数N作为初始多边形的边数,在极径和极角范围内随机生成N对极坐标、分别代表随机多边形的N个顶点;(2)将随机多边形顶点极坐标转换为直角坐标,并调整多边形纵横比使之满足集料颗粒模型纵横比;(3)调整多边形宽度使之满足集料颗粒模型目标宽度;(4)调整多边形长轴与X轴夹角以实现集料颗粒模型角度的随机性,生成单个集料颗粒模型。2.根据权利要求1所述的集料颗粒模型的生成算法,其特征在于,所述集料颗粒模型为二维集料颗粒模型;步骤(1)中,在极径(L1,L2)范围,极角(0,2π)范围内随机生成N对极坐标,并按照极角从小到大排序;在极角小于π且最接近π的极坐标后插入一对极坐标(L2,π),并在最后一对极坐标后插入一对极坐标(L2,2π)。3.根据权利要求2所述的集料颗粒模型的生成算法,其特征在于,步骤(2)中,所述调整多边形纵横比的方法为:设定集料颗粒模型目标纵横比为ratio_target,多边形目前纵横比为ratio_current,各顶点坐标为(X,Y),调整多边形所有顶点纵坐标,使之与ratio_target相等,调整过程中横坐标X保持不变,纵坐标Y根据式(1)调整:4.根据权利要求2所述的集料颗粒模型的生成算法,其特征在于,步骤(3)中,所述调整多边形宽带的方法为:设定目标集料颗粒模型宽度为width_target,设定多边形目前宽度为width_current,各顶点坐标为(X,Y),根据式(2)和式(3)调整各顶点横、纵坐标:5.根据权利要求2所述的集料颗粒模型的生成算法,其特征在于,设二维集料颗粒的宽度为width_target,长度为length_target,将二维集料颗粒模型沿法线方向拉伸h,即可生成三维集料颗粒模型,其中,width_target<h<length_target。6.根据权利要求2所述的集料颗粒模型的生成算法,其特征在于,步骤(4)中,所述调整多边形长轴与X轴夹角的方法为:在(0,2π)范围内随机生成旋转角,设定为angle,设定各顶点坐标为(X,Y),调整(X,Y),实现多边形的旋转;各顶点横、纵坐标根据下述步骤调整:①计算各顶点与X轴夹角,设定为alpha;②计算各顶点与坐标原点(0,0)距离,设定为R;③根据式(4)计算旋转后各顶点与X轴夹角:alpha=alpha+angle(4)④根据式(5)和式(6)调整各顶点坐标(X,Y):X=R×cos(alpha)(5)Y=R×sin(alpha)(6)。7.一种基于权利要求1所述算法的非均质混合料试件模型的生成方法,其特征在于,包括如下步骤:(1)确定混合料级配,并测量集料各粒径密度,计算级配中粗集料各粒径以及集料颗粒数量比例;(2)以直角坐标系坐标原点为起点,以此点为参考点根据所述集料颗粒模型的生成算法生成单个集料颗粒模型;(3)根据集料颗粒模型各顶点坐标和混合料试...

【专利技术属性】
技术研发人员:马涛崔凯丁珣昊胡鹏森曹雯
申请(专利权)人:东南大学
类型:发明
国别省市:江苏,32

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