一种基于空间相关性的钢筋锈蚀场生成方法

本发明属于建筑工程，尤其涉及一种基于空间相关性的钢筋锈蚀场生成方法。

背景技术：

1、钢筋混凝土结构在长期服役过程中，钢筋锈蚀是导致结构性能退化的最主要因素。准确获取锈蚀钢筋的实际几何形态与剩余截面分布，对于结构剩余寿命评估、加固方案设计及数字孪生系统构建具有重要意义。

2、目前，钢筋锈蚀建模方法主要存在以下技术问题：

3、第一，现有方法多采用均匀锈蚀假设，忽略了锈蚀在钢筋表面沿轴向和周向的非均匀分布特性，无法反映实际结构中锈蚀的空间变异性，导致模型精度不足。

4、第二，锈蚀深度与原始钢筋表面深度存在显著的正相关性，即原始凹陷处更易发生锈蚀，现有方法缺乏对这种深度依赖关系的有效表征。

5、第三，锈蚀在空间上具有相关性，表现为一定范围内的相似性，现有方法难以生成同时满足空间变异性和深度依赖关系的锈蚀场。

6、第四，现有方法生成的锈蚀模型多为二维数据或点云形式，无法直接输出可用于3d打印或有限元分析的三维实体模型，需额外进行几何重建与网格划分，效率低下。

7、第五，现有方法无法根据用户输入的有限锈蚀参数（如平均锈蚀率、截面最大锈蚀率、最大深度锈蚀率）自动生成三维实体模型。

8、因此，亟需一种能够同时考虑空间变异性和深度依赖关系，并能直接输出三维实体模型的钢筋锈蚀建模方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于空间相关性的钢筋锈蚀场生成方法，通过融合空间相关性建模、深度依赖关系及三维表面重建技术，实现钢筋锈蚀三维实体模型的高保真生成，为钢筋混凝土结构耐久性评估提供可间接用于有限元分析的几何模型。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于空间相关性的钢筋锈蚀场生成方法，包括以下步骤：

4、步骤1、获取钢筋几何参数与锈蚀率输入参数，根据锈蚀率输入参数计算锈蚀特征参数及空间变异参数；

5、步骤2、对钢筋stl模型进行切割，提取每个截面的轮廓点，并获得轮廓点表面深度数据，根据深度数据，采用线性插值方法获得深度场；

6、步骤3、采用卷积方法生成具有指定空间变异参数的空间相关随机场；

7、步骤4、通过概率积分变换将空间相关高斯场转换为均匀分布场，根据均匀分布场和深度场获得最终锈蚀率场以及锈蚀率值；

8、步骤5、根据最终锈蚀率场，生成锈蚀钢筋的三维表面点云；

9、步骤6、根据三维表面点云，重建三角网格模型。

10、进一步的，步骤1中钢筋几何参数包括钢筋直径、轴向长度；锈蚀特征参数包括截面平均锈蚀率、截面最大锈蚀率和最大深度锈蚀率。

11、进一步的，锈蚀特征参数及空间变异参数具体计算如下：

12、根据锈蚀率输入参数的截面平均锈蚀计算获得截面最大锈蚀率、最大深度锈蚀率以及深度平均锈蚀率，具体计算公式如下：

13、截面最大锈蚀率：；

14、最大深度锈蚀率：；

15、在深度方向上的深度平均锈蚀率：；

16、根据深度平均锈蚀率计算获得空间变异参数：。

17、进一步的，步骤2具体包括：

18、通过沿钢筋长度方向逐层切割钢筋stl模型，提取每个截面的轮廓点，并计算轮廓点到截面质心的径向距离来获取钢筋表面轮廓点的表面深度数据；

19、并按照设定步长从钢筋表面深度数据中提取每个测量点的离散坐标点；

20、将测量点的离散坐标点采用线性插值方法插值，获得深度场。

21、进一步的，将测量点的离散坐标点采用线性插值方法插值，获得深度场具体如下：

22、（1）将离散坐标点根据预设的轴向步长和周向弧长分辨率，在钢筋的轴向方向和周向方向上分别构建均匀分布的网格节点，形成规则的轴向-周向二维网格；

23、（2）利用线性插值方法，对落入每个网格单元周围的离散坐标点进行插值计算，具体如下：

24、对于任一目标网格节点，在其轴向相邻的两个原始测量截面之间的离散坐标点进行线性内插，分别得到两个截面上对应于目标周向位置的深度值，再沿周向对深度估计值进行第二次线性内插，从而获得网格节点处的深度值；将网格节点的深度值按照轴向和周向上均呈规则排列，获得深度场。

25、进一步的，步骤3中具体包括：

26、基于网格节点数量与空间排布，构建一个具有相同行列维度的初始空矩阵；采用标准正态分布的概率密度函数作为抽样依据，通过伪随机数生成算法对初始空矩阵中的每一个独立单元进行独立采样，获得随机变量，将随机变量按网格空间位置排列获得，正态随机场；

27、根据空间变异参数

a构建指数协方差核函数，计算核窗口内各偏移量对应的核函数值，并对核函数值求和以及归一化处理，得到核权重矩阵；

28、采用二维卷积将正态随机场与核权重矩阵进行卷积，获得空间相关高斯场；并对生成的空间相关高斯场进行标准化处理。

29、进一步的，步骤4中具体包括：

30、利用标准正态分布的累积分布函数将空间相关高斯场中每个点的数值转换为[0,1]区间上的累积概率值，得到均匀分布场；

31、将均匀分布场通过对数正态分布的分位数函数进行逆变换，获得基础锈蚀场；

32、采用秩混合方法将基础锈蚀场与深度场进行融合，获得最终锈蚀率场，并根据最终锈蚀率场与深度场，获得锈蚀率值；

33、进一步的，最终锈蚀场和深度场获取方法为：

34、将基础锈蚀场和深度场的每个网格节点上的数值按照从小到大进行排序，对最小数值赋予秩1，最大数值赋予秩n，得到秩矩阵和；

35、利用深度相关系数对两个秩矩阵进行线性混合，得到混合秩；

36、将混合秩映射回基础锈蚀场的分位数，获得融合深度相关性的最终锈蚀率场；

37、计算融合深度相关性的最终锈蚀率场的平均值，若与截面平均锈蚀的相对偏差超过5%，则进行比例缩放调整：；

38、检查锈蚀率数值是否超过理论最大锈蚀率，若超过对其采用逻辑斯蒂函数映射至(0.5,)区间内，具体计算公式如下：

39、

40、

41、其中为硬度参数，控制截断曲线的陡峭程度，越大越接近硬截断，越小过渡越平缓；为待截断的锈蚀率值；为理论最大锈蚀率；为经温和截断处理后输出的最终锈蚀率值。

42、进一步的，步骤5具体包括：

43、沿钢筋轴向按长度离散为个截面，沿周向按角度离散为个点（，形成离散网格点；

44、对于每个离散网格点，从最终锈蚀率场插值得到该点锈蚀率值，从深度场插值得到原始深度计算锈蚀深度：

45、；

46、并计算锈蚀后半径：；根据锈蚀后半径计算三维坐标生成点云：。

47、进一步的，步骤6具体包括：

48、将点云按角度顺序存储到顶点数组中，每个顶点包含三维坐标；

49、遍历顶点数组，对于当前顶点，取相邻三点：、和，生成三角形和；

50、使用模运算处理角度方向边界：，当为最后一行时自动绕回第0行，确保圆柱面周向闭合；

51、对于钢筋两端，取边界顶点与端面中心点连接，形成三角形扇封闭模型；

52、将顶点数组和三角形扇封闭模型组装为stl的三角网格模型。

53、本发明的有益效果为：

54、1、实现锈蚀空间变异性的精准建模：本发明通过卷积方法生成具有指定空间变异参数的空间相关随机场，并借助概率积分变换将其映射为均匀分布场，突破了传统均匀锈蚀假设的局限，能够真实反映锈蚀沿钢筋轴向和周向的非均匀分布特征，提升锈蚀形态的几何保真度。

55、2、有效表征锈蚀深度依赖关系：本发明采用秩混合方法将基础锈蚀场与钢筋表面深度场进行融合，通过深度相关系数控制两者的耦合强度，精准刻画了原始凹陷处更易发生锈蚀的物理规律，解决了现有方法缺乏深度依赖关系表征能力的缺陷。

56、3、实现空间相关性与深度依赖的协同生成：本发明将空间相关随机场生成与秩混合深度融合于同一框架，使生成的锈蚀率场同时满足空间变异参数控制和深度正相关性约束，克服了现有方法难以兼顾两种空间统计特征的不足。

57、4、端到端自动化生成三维实体模型：本发明从锈蚀率场直接生成三维表面点云，并自动重建为stl三角网格模型，实现了从锈蚀输入参数到可直接用于有限元分析和3d打印的三维实体模型的自动化输出，大幅提升建模效率。

58、5、支持有限参数驱动的灵活建模：本发明仅需用户提供截面平均锈蚀率、截面最大锈蚀率和最大深度锈蚀率等有限输入参数，即可自动计算全部锈蚀特征参数及空间变异参数并完成全流程建模，降低了数据采集门槛，增强了方法的工程适用性与便捷性。