岩石颗粒的接触特征确定方法、装置、设备及存储介质制造方法及图纸

本申请涉及岩石力学领域，尤其涉及一种岩石颗粒的接触特征确定方法、装置、设备及存储介质。该方法包括：确定颗粒表面的点云；确定所述颗粒表面对应的球谐系数；确定颗粒表面点用于重采样的权值函数，根据所述权值函数结合球面沃罗诺伊剖分对参数空间重新采样，获得球面沃罗诺伊种子作为参数空间新的采样点，得到新的网格拓扑；将所述采样点、球谐系数代入球谐函数拟合，确定颗粒表面点的坐标，根据所述颗粒表面点的坐标和所述网格拓扑得到简化网格后的重构的颗粒表面，以确定所述岩石颗粒的接触特征。本申请可以满足不同网格特征的颗粒表面离散或重构的需求，能够更为高效准确的确定岩石颗粒的接触特征，降低工程应用的风险。降低工程应用的风险。降低工程应用的风险。

【技术实现步骤摘要】
岩石颗粒的接触特征确定方法、装置、设备及存储介质


[0001]本申请属于岩土力学领域，尤其涉及一种岩石颗粒的接触特征确定方法、装置、设备及存储介质。

技术介绍

[0002]在离散元模型中，对于不规则的岩土颗粒表面，通常会将隐式的颗粒表面离散成显示的表面节点，从而可以使用通用的接触算法(比如node
‑
to
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surface算法)进行颗粒的接触判断和接触力计算。
[0003]在做离散元模型时，可以包括颗粒表面离散和颗粒表面重构。其中，颗粒表面离散是指通过表面点采样，将连续性的颗粒表面用离散的、彼此连接的多边形网格(比如三角形网格)来描述。颗粒表面重构是指生成一套全新的、满足一定网格特征的多边形网格，以替换原来的连续性颗粒表面或多边形网格。
[0004]不同的应用场景可能需要不同的颗粒表面的网格特征。比如，在堆积体边坡、堆石坝，抛石路基等场景中，岩石颗粒材料本质上是由散体介质胶结或者架空而成，通过颗粒介质材料承受并传递上部荷载。在碎石垫层、砂垫层等应用场景中，颗粒材料主要起到传递载荷，颗粒的相对滑动较小。在这种工况下，在基于node
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to
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surface接触算法的离散元模拟中，更关心提高计算效率与稳定性，需要颗粒表面点云和网格尽可能均匀分布。
[0005]在堆积体边坡研究中，颗粒形状对于颗粒之间的咬合、相对滑动以及自然休止角起着主要作用，因此要求在做离散元模拟时，颗粒形状尽可能的保留主要特征，如尖锐棱角。
[0006]而目前的颗粒表面采样方法包括等角网格法、二十面体细分方法、斐波那契或黄金螺旋格方法。其中，等角网格法将导致在极点附近产生严重密集的点，且采样点的数量难以灵活控制；斐波那契和黄金螺旋格方法虽然可以在球坐标参数空间提供一个相对均匀的点云，但映射到颗粒表面时，极半径的变化将导致颗粒表面的点云密度差异，即离中心点近的区域点云较密、而远的区域点云较疏，不利于快速准确的获取岩石颗粒的力学特性和状态，在工程应用中可能存在潜在危险。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本申请实施例提供了一种岩石颗粒的接触特征确定方法、装置、设备及存储介质，以解决现有技术中对岩石颗粒进行离散和重构时，不利于快速准确的获取岩石颗粒的力学特性和状态，在工程应用中可能存在潜在危险的问题。
[0008]本申请实施例的第一方面提供了一种岩石颗粒的接触特征确定方法，所述方法包括：
[0009]通过扫描获取所述岩石颗粒的颗粒形态，确定颗粒表面的点云；
[0010]将所述颗粒表面的点云代入预设的球谐函数，确定所述颗粒表面对应的球谐系数；
[0011]确定颗粒表面点用于重采样的权值函数，根据所述权值函数结合球面沃罗诺伊剖分对参数空间重新采样，获得球面沃罗诺伊种子作为参数空间新的采样点，通过凸包算法生成沃罗诺伊种子的德洛内三角剖分，得到新的网格拓扑；
[0012]将所述采样点、球谐系数代入球谐函数拟合，得到拟合后的采样点的径向距离，根据所述径向距离确定颗粒表面点的坐标，根据所述颗粒表面点的坐标和所述网格拓扑得到简化网格后的重构的颗粒表面；
[0013]根据重构的颗粒表面确定所述岩石颗粒的接触特征。
[0014]结合第一方面，在第一方面的第一种可能实现方式中，确定颗粒表面点用于重采样的权值函数，根据所述权值函数结合球面沃罗诺伊剖分对参数空间重新采样，获得球面沃罗诺伊种子，包括：
[0015]确定颗粒表面多边形的加权质心；
[0016]确定所述颗粒表面点的权值函数；
[0017]根据所述加权重心、所述权值函数，结合球面沃罗诺伊剖分对参数空间重新采样，获得球面沃罗诺伊种子。
[0018]结合第一方面的第一种可能实现方式，在第一方面的第二种可能实现方式中，确定颗粒表面多边形的加权质心，包括：
[0019]根据颗粒表面多边形与多边形质心假设值，将所述多边形划分为多个三角形；
[0020]确定所划分的三角形的加权质心和面积；
[0021]根据所划分的三角形的质心和面积计算所述多边形的加权质心。
[0022]结合第一方面的第二种可能实现方式，在第一方面的第三种可能实现方式中，确定所划分的三角形的加权质心，包括：
[0023]分别确定三角形的三边的垂线，确定三条垂线的三个交点；
[0024]根据三条垂线的三个交点的平均值，作为所述三角形的加权质心。
[0025]结合第一方面的第一种可能实现方式，在第一方面的第四种可能实现方式中，确定所述颗粒表面点的权值函数，包括：
[0026]确定所述颗粒表面点的径向距离的权值函数为：其中，S为颗粒的表面积，N为沃罗诺伊种子的数量，r
i
为颗粒表面点在对应的沃罗诺伊种子的径向距离。
[0027]或者，确定所述表面点的曲率的权值函数为：其中，N为沃罗诺伊种子的数量，α为无量纲的参数，α＝1，i为下标索引，μ,σ,分别表示与表面曲率相关的表面点的统计分布参数中的均值、方差根、期望值，c
i
表示表面点的曲率，且：c
i
＝max{|c
i1
|,|c
i2
|}，|}，c
i
表示三角形网格中的表面点的主曲率绝对值的最大值。
[0028]结合第一方面的第一种可能实现方式，在第一方面的第五种可能实现方式中，根据所述加权重心、所述权值函数，结合球面沃罗诺伊剖分对参数空间重新采样，获得球面沃
罗诺伊种子，包括：
[0029]在所述颗粒表面初始化一组随机的沃罗诺伊种子；
[0030]根据所述沃罗诺伊种子的位置和对应的权值函数，计算所述沃罗诺伊种子的权重；
[0031]通过凸包算法建立沃罗诺伊种子的德洛内三角剖分；
[0032]计算三角剖分中的三角形的加权质心；
[0033]对沃罗诺伊种子的德洛内三角剖分的三角形的加权质心进行排序，构建沃罗诺伊种子对应的沃罗诺伊单元；
[0034]计算所述沃罗诺伊单元的质心和所述沃罗诺伊种子的距离误差，根据所述误差确定所述沃罗诺伊种子的位置。
[0035]结合第一方面的第五种可能实现方式，在第一方面的第六种可能实现方式中，根据所述距离误差确定所述沃罗诺伊种子的位置，包括：
[0036]当所述误差大于预定的误差阈值且迭代次数小于预定的迭代次数阈值，则将所述沃罗诺伊单元的质心作为所述沃罗诺伊种子，重新计算沃罗诺伊单元的质心并确定距离误差，直到所述距离误差小于或等于预定的误差阈值，或者迭代次数大于或等于预定的迭代次数阈值。
[0037]本申请实施例的第二方面提供了一种
[0038]岩石颗粒的接触特征确定装置，所述装置包括：
[0039]点云确定单元，用于通过扫描获取所述岩石颗粒的颗粒形态，确定颗粒表面的点云；
[0040]球谐系数确定单元，用于将所述颗粒表面的点云代入预设的球本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种岩石颗粒的接触特征确定方法，其特征在于，所述方法包括：通过扫描获取所述岩石颗粒的颗粒形态，确定颗粒表面的点云；将所述颗粒表面的点云代入预设的球谐函数，确定所述颗粒表面对应的球谐系数；确定颗粒表面点用于重采样的权值函数，根据所述权值函数结合球面沃罗诺伊剖分对参数空间重新采样，获得球面沃罗诺伊种子作为参数空间新的采样点，通过凸包算法生成沃罗诺伊种子的德洛内三角剖分，得到新的网格拓扑；将所述采样点、球谐系数代入球谐函数拟合，得到拟合后的采样点的径向距离，根据所述径向距离确定颗粒表面点的坐标，根据所述颗粒表面点的坐标和所述网格拓扑得到简化网格后的重构的颗粒表面；根据重构的颗粒表面确定所述岩石颗粒的接触特征。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定颗粒表面点用于重采样的权值函数，根据所述权值函数结合球面沃罗诺伊剖分对参数空间重新采样，获得球面沃罗诺伊种子，包括：确定颗粒表面多边形的加权质心；确定所述颗粒表面点的权值函数；根据所述加权重心、所述权值函数，结合球面沃罗诺伊剖分对参数空间重新采样，获得球面沃罗诺伊种子。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，确定颗粒表面多边形的加权质心，包括：根据颗粒表面多边形与多边形质心假设值，将所述多边形划分为多个三角形；确定所划分的三角形的加权质心和面积；根据所划分的三角形的质心和面积计算所述多边形的加权质心。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，确定所划分的三角形的加权质心，包括：分别确定三角形的三边的垂线，确定三条垂线的三个交点；根据三条垂线的三个交点的平均值，作为所述三角形的加权质心。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，确定所述颗粒表面点的权值函数，包括：确定所述颗粒表面点的径向距离的权值函数为：其中，S为颗粒的表面积，N为沃罗诺伊种子的数量，r
i
为颗粒表面点在对应的沃罗诺伊种子的径向距离；或者，确定所述表面点的曲率的权值函数为：其中，N为沃罗诺伊种子的数量，α为无量纲的参数，α＝1，i为下标索引，μ,σ,分别表示与表面曲率相关的表面点的统计分布参数中的均值、方差根、期望值，c
i
表示表面点的曲率，且：c
i
＝max{|c
i1
|,|c
i2
|}，|}，c
i

【专利技术属性】
技术研发人员：赖正首，黄林冲，黄帅，吴峰，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：