一种基于块石形状和破碎的堆积体离散元三维建模方法与流程

1.本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种基于块石形状和破碎的堆积体离散元三维建模方法。


背景技术：

2.堆积体作为一种优质的填料，被广泛的应用于道路、机场、水利等工程领域。但堆积体成因、组成结构复杂，应用于工程时需要对其力学特性进行研究。相比室内试验和现场试验方法，对堆积体采取基于计算机辅助建模的数值模拟方法对其力学特性进行研究，具有低成本、高效率等优点。在各种数值模拟方法中，离散元数值模拟方法能够从细观尺度上展开研究，已成为研究堆积体力学特性的优选方法之一。但是，离散元数值模拟方法能否成功应用于堆积体力学特性进行研究，其关键问题在于：如何建立既能真实描述块石形状，又能准确模拟块石破碎的堆积体数值模型。
3.现有块石建模方法主要有3种：(1)采用离散元软件自带的块石建模方法，即软件中内嵌的一些可直接使用的块石建模功能。这种方法生成的块石形状与实际形状差别较大，因而精度不高。(2)采用monte
‑
carlo算法的块石随机建模方法，这种方法通常将块石形状进行了一定简化，然后再统计块石实际几何形态规律的数学关系，最后基于这些数学关系和monte
‑
carlo算法，生成块石。这种方法需要简化块石形状(如多边形或多面体)、且需要大量的统计数据，同时还需要借助复杂的数学方法，因此，建模方法较复杂，且存在一定误差。(3)采用二维数字图像处理、三维激光扫描、ct断面扫描等块石建模方法，这种方法是利用数码相机、三维激光扫描仪器、ct断面扫描仪器等成像工具获取块石的实际形态，进而利用特定的软件生成二维或三维块石。二维数字图像处理方法只能生成二维块石模型，不能应用于三维建模；而基于三维激光扫描仪器、ct断面扫描仪器等方法虽然能够生成与实际形状完全一致的块石，但是三维激光扫描仪器、ct断面扫描仪器通常较为昂贵，试验成本较高。
4.以上三种方法建立的块石，除了上述不足外，还有一个共有的缺陷：采用不可变形的刚体簇模型来模拟块石。不可变形的刚体簇模型不能用于模拟块石的实际破碎情况，因此按现有技术建立的堆积体三维模型与堆积体实际情况存在一定误差，不能反映堆积体破碎情况，从而会对堆积体力学特性的分析造成影响。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明提出一种基于块石形状和破碎的堆积体离散元三维建模方法，以解决采用现有技术中建立的堆积体三维模型与堆积体实际情况存在一定误差，不能反映堆积体的破碎情况，会对堆积体力学特性的分析造成影响的技术问题。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.第一方面，提供了一种基于块石形状和破碎的堆积体离散元三维建模方法，包括以下步骤：
8.在块石表面设置特征点；
9.对设有特征点的块石进行拍照，根据照片提取块石的几何信息；
10.使用图像处理软件将照片中非块石部分进行遮罩处理，得到遮罩图；
11.将遮罩图导入三维实景建模软件中，获取块石各面空间位置信息匹配，去除噪声点云，生成块石三维初始模型；
12.去除块石三维初始模型中多余的块石网格，得到块石网格模型，根据块石网格模型建立块石网格模型数据库；
13.进行细观参数标定，得到土颗粒参数、块石参数；
14.结合土颗粒参数、块石参数，对块石网格模型数据库中的块石网格模型使用基于颗粒流分析软件的含石量控制程序进行块石投放，生成块石数值模型；
15.将块石数值模型在颗粒流分析软件中生成堆积体数值模型；
16.对堆积体数值模型进行堆积体参数标定，得到堆积体离散元三维模型。
17.进一步的，在块石表面设置特征点，具体如下：
18.对块石喷漆，优选为白色底漆，待底漆晾干；
19.采用散斑技术对块石每个表面进行处理，使得块石表面上分布有均匀的斑点，以这些斑点作为特征点。
20.进一步的，对设有特征点的块石进行拍照，具体如下：
21.s2
‑
1、将块石置于转盘上，然后将相机与块石平放，按照倾角0
°
对块石进行连续拍照；每拍摄完一张，将块石在转盘的水平面上转动10
°
，再拍摄下一张照片，直到块石回到初始位置；
22.s2
‑
2、上移相机至拍摄角度为下倾35
°
，对块石进行连续拍照；每拍摄完一张，将块石在在转盘的水平面上转动10
°
，再拍摄下一张照片，直到块石回到初始位置；
23.s2
‑
3、将块石朝上翻转180
°
，重复步骤s2
‑
1、s2
‑
2，对块石未拍摄到的另一面进行拍摄。
24.进一步的，土颗粒参数的标定具体如下：
25.标定弹性模量及刚度比；
26.标定法向粘结强度均值和粘结强度标准差与均值的比值；
27.标定摩擦系数；
28.标定粘结强度比值。
29.进一步的，块石参数的标定具体如下：
30.标定颗粒摩擦系数和粘结半径；
31.标定刚度比和粘结刚度比；
32.标定法向刚度、切向刚度、法向粘结刚度和切向粘结刚度；
33.标定粘结抗剪强度。
34.进一步的，基于颗粒流分析软件的含石量控制程序包括：块石模型导入生成函数、含石量控制函数、级配曲线控制函数。
35.进一步的，块石模型导入生成函数的构建方法如下：
36.在空间内生成指定半径及孔隙率的颗粒，并赋予一个初始组名，将其进行初步平衡；
37.对颗粒的第一存储槽、第二存储槽赋值，从块石网格模型数据库中随机导入一个块石网格模型，将块石网格模型随机旋转一个角度；
38.将块石网格模型随机移动到剪切盒的一个随机位置，对网格内的所有颗粒进行赋值；
39.遍历所有颗粒，找到等于第一存储槽为第一预设值的颗粒，查询是否存在第二存储槽为第二预设值的颗粒：
40.如存在，将第一存储槽为第三预设值赋予给此网格内的所有颗粒，并删除此网格；
41.如不存在，将此网格内的所有颗粒赋予另外一个组，且将第二存储槽为第二预设值赋予给此网格内的所有颗粒，并将粘结参数赋予此组颗粒，然后将第一存储槽为第三预设值赋予给此网格内的所有颗粒，并删除此网格。
42.进一步的，含石量控制函数的构建方法如下：
43.每次导入块石网格模型生成一个块石，在块石生成后对所有块石进行遍历，按以下公式计算现已生成块石的总体积v
r
：
44.(v
r
ρ
r
‑
mp)/mp＞tol
45.在上式中：ρ
r
为块石密度，m为总质量，p为指定含石量，tol为设定的误差容许值。
46.进一步的，级配曲线控制函数根据第几范围粒径和该粒径范围的含石量进行构建。
47.第二方面，提供了一种电子设备，包括：
48.一个或多个处理器；
49.存储装置，用于存储一个或多个程序；
50.当一个或多个程序被一个或多个处理器执行，使得一个或多个处理器实现第一方面提供的的基于块石形状和破碎的堆积体离散元三维建模方法。
51.由上述技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：
52.1.生成的块石数值模型与块石实际模型相似度更高，得到的模拟效果也更为精确。
53.2.与基于块石三维激光扫描仪器、ct断面扫描仪器等方法相比，不需要三维激光扫描、ct扫描等的价格不菲的试验设备，极大的节约试验成本，且操作流程简易。
54.3.采用柔性簇来模拟块石，相比刚性簇而言，可以模拟出块石的破坏情况，与室内试验结果更加接近。
附图说明
55.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
56.图1为本发明实施例1的三维建模方法流程图；
57.图2为本发明实施例1的块石网格模型示意图；
58.图3为本发明实施例1的块石数值模型示意图；
59.图4为本发明实施例1的堆积体离散元三维模型示意图。
具体实施方式
60.下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
61.需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
62.实施例1
63.本实施例提供了一种基于块石形状和破碎的堆积体离散元三维建模方法，如图1所示，具体按以下步骤进行：
64.s1、在块石表面设置特征点。
65.在具体的实施方式中，在块石表面设置特征点按如下方式进行：
66.s1
‑
1、对块石喷漆，优选为白色底漆，待底漆晾干。
67.s1
‑
2、采用散斑技术对块石每个表面进行处理，使得块石表面上分布有较为均匀的斑点，以这些斑点作为特征点。有了特征点后，便于相机捕捉块石的特征信息。
68.s2、对设有特征点的块石进行拍照，根据照片提取块石的几何信息。
69.因在块石不翻转情况下，难以拍摄块石的全部表面，所以将块石分为两组，分别拍摄块石的上部、下部。每组又各分两层拍摄，每层分别固定一个拍摄倾角，其中一个倾角0
°
(水平)，另一个倾角35
°
(下倾)。为方便描述，将每层拍摄倾角照片称为框架照片。在具体的实施方式中，通过相机拍摄照片获取块石的几何信息，具体如下：
70.s2
‑
1、将块石置于转盘上，然后将相机与块石平放，按照倾角0
°
对块石进行连续拍照；每拍摄完一张，将块石在转盘的水平面上转动约10
°
左右，再拍摄下一张照片，直到块石回到初始位置，完成块石上部第一层框架照片。
71.s2
‑
2、上移相机至拍摄角度为下倾35
°
，对块石进行连续拍照；每拍摄完一张，将块石在在转盘的水平面上转动约10
°
左右，再拍摄下一张照片，直到块石回到初始位置，完成块石上部第二层框架照片。
72.s2
‑
3、将块石朝上翻转180
°
，重复步骤s2
‑
1、s2
‑
2，对块石未拍摄到的另一面进行拍摄，完成块石下部第一层、第二层框架照片拍摄。
73.通过本步骤拍摄到的多张照片，可以得到块石形状的几何信息。
74.s3、使用图像处理软件将照片中非块石部分进行遮罩处理，得到遮罩图
75.在具体的实施方式中，将多张块石照片分别导入图像处理软件中，比如photoshop，使用选择主体功能选取除主体块石之外的部分，打开图层—新建填充图层—纯色，将图片中非主体信息用黑色遮盖。为方便描述，将处理之后块石照片称为遮罩图。
76.s4、将遮罩图导入三维实景建模软件中，获取块石各面空间位置信息匹配，去除噪声点云，生成块石三维初始模型。
77.在具体的实施方式中，在三维实景建模软件中，比如contextcapture center，建立工程，打开引擎的设置，设置好任务序列目录，此任务序列目录与前一个目录保持一致，将遮罩图导入软件，然后打开引擎开始进行计算，获取块石各面空间位置信息匹配得到模型3d视图；然后打开“新建重建项目—空间框架”，采用自适应，并将不需要的模型部分剪切使其不进入计算，去除噪声点云；然后点击“提交新的生产项目—格式/选项—格式—
stereolithography(stl)”，得到块石三维初始模型。
78.s5、去除块石三维初始模型中多余的块石网格，得到块石网格模型，对其余块石重复上述操作，完成块石数据库的建立。
79.contextcapture center软件生成的网格模型仍有缺陷，在具体的实施方式中，优选使用rhino软件，将块石三维初始模型中多生成的块石网格删除，并将剩余的块石网格进行重新划分优化，便于在后续步骤获得可进行数值模拟的封闭式块石数值模型，其中块石编号定义为rock_n_h，n为粒径范围编号，h为该粒径范围的块石编号。块石网格模型的示意图如图2。
80.对其余块石重复上述操作，建立块石网格模型数据库。在具体的实施方式中，块石网格模型数据库中的块石网格模型数量不少于500个。
81.s6、进行细观参数标定，得到土颗粒参数、块石参数。
82.在颗粒流分析软件中，比如pfc3d软件，设置的细观参数与实验室中测出的宏观参数并非对等关系，其仍有较大差距，需要通过室内直剪试验进行参数标定，得到堆积体宏观细观参数的对应关系，参数标定具体如下；
83.s6
‑
1、标定土颗粒参数：
84.pfc3d中，采用接触粘结模型模拟土颗粒，标定对照试验采用土体室内直剪试验，具体包括以下：
85.s6
‑1‑
1、标定弹性模量e
c
及刚度比k
n
/k
s
：
86.颗粒弹性模量与剪应力
‑
位移曲线近弹性段的初始剪切模量相关；
87.第一步：通过土体直剪试验获得宏观初始剪切模量，依照经验取一个大概弹性模量值，将得到数值剪应力
‑
位移曲线与土体直剪试验曲线相比对，不断调整参数值，使得两者近弹性阶段曲线接近，得出土颗粒细观弹性模量。
88.第二步：标定刚度比k
n
/k
s
，使得数值模拟得到的竖向位移和到达峰值剪应力时的剪切位移与土体直剪试验结果相近，得出细观参数刚度比。
89.s6
‑1‑
2、标定法向粘结强度均值σ
mean
和粘结强度标准差与均值的比值σ
std
‑
dev
/σ
mean
90.粘结强度主要对剪应力峰值强度有影响，将步骤s8
‑
2中得到的e
c
和k
n
/k
s
带入模型，设标准差与均值的比值σ
std
‑
dev
/σ
mean
为0，调整土体颗粒法向粘结强度均值σ
mean
，使模拟所得的剪应力峰值与土体土体直剪试验峰值接近，再对σ
std
‑
dev
/σ
mean
进行细微调整，即可得出粘结强度标准差与均值的比值。
91.s6
‑1‑
3、标定摩擦系数μ
92.土颗粒的摩擦系数主要对剪应力
‑
位移曲线中峰后曲线和法向位移有一定影响，所以，通过对比数值模拟得到的剪应力
‑
位移峰后曲线与土体直剪试验所得曲线，调节μ值，使得两者想接近，并根据所得的数值模拟法向位移进行细微调整，即可得出土体颗粒摩擦系数μ值。
93.s6
‑1‑
4、标定粘结强度比值σ
mean
/τ
mean
94.粘结强度比值主要对强度包络线有影响，首先，对数值模型施加不同的法向荷载，然后，根据土体直剪试验的抗剪强度
‑
法向应力曲线，调节粘结强度比值，使数值模拟的曲线与土体直剪试验曲线相接近，得出粘结强度比值。
95.s6
‑
2、标定块石参数
96.pfc3d中，采用平行粘结模型模拟块石，标定对照试验采用块石单轴压缩试验，具体包括以下：
97.s6
‑2‑
1、标定颗粒摩擦系数fric和粘结半径pb_rad
98.fric和pb_rad值对块石的抗压强度影响不大，在具体实施方式中，优选的，fric取0.5，pb_rad取0.8～1.0。
99.s6
‑2‑
2、标定刚度比k
n
/k
s
和粘结刚度比pb_kn/pb_ks
100.刚度比k
n
/k
s
和粘结刚度比pb_kn/pb_ks与块石的泊松比有关，首先设kn/ks＝pb_kn/pb_ks，并将pb_kn、pb_ks设定一个相当大的值；其次，kn、ks选取一个合适的值，改变k
n
/k
s
值，获得块石不同的泊松比，与块石单轴压缩试验所得的泊松比相比对，得到k
n
/k
s
和pb_kn/pb_ks值。
101.s6
‑2‑
3、标定法向刚度kn、切向刚度ks、法向粘结刚度pb_kn和切向粘结刚度pb_ks
102.kn、ks、pb_kn和pb_ks主要与弹性模量有关，通过调整kn值，得到不同弹性模量，与块石单轴压缩试验的弹性模量相比对，得到kn、ks值；pb_kn、pb_ks标定方法与前文一致。
103.s6
‑2‑
4、标定粘结抗剪强度pb_s
104.粘结抗剪强度pb_s主要和块石的抗压强度有关，通过改变pb_s值，得到一系列不同的抗压强度，与块石单轴压缩试验所得的抗压强度相比对，最终得到粘结抗剪强度pb_s值。
105.s7、结合土颗粒参数、块石参数，对块石网格模型使用基于颗粒流分析软件的含石量控制程序进行块石投放，生成块石数值模型。
106.在具体的实施方式中，自编基于颗粒流分析软件的含石量控制程序。在颗粒流分析软件中使用土颗粒参数、块石参数进行块石投放。颗粒流分析软件比如pfc3d，内置fish语言编写多重嵌套函数来构成含石量控制程序，通过该程序来进行块石投放，生成指定数量的块石数值模型。
107.含石量控制程序的多重嵌套函数分为以下3个部分：块石模型导入生成函数、含石量控制函数、级配曲线控制函数，具体如下：
108.1、块石模型导入生成函数的构建方法如下：
109.在一个比原剪切盒更大的空间内生成指定半径及孔隙率的颗粒，并赋予一个初始组名，将其进行初步平衡，使其最大不平衡平均力到达1
×
10
‑5；
110.对颗粒的第一存储槽、第二存储槽赋值，具体的，将颗粒的4号和5号slot存储槽赋予0值，即slot(4)＝0，slot(5)＝0，然后使用geometry import命令从块石网格模型数据库中随机导入某一个块石网格模型，使用geometry rotate命令将块石网格模型随机旋转一个角度，通过geometry translate命令将块石网格模型随机移动到剪切盒的一个随机位置，并将slot(4)＝100赋予给此网格内的所有颗粒；
111.采用section
‑
endsection结构语句，遍历所有颗粒，找到slot(4)＝100的颗粒，查询是否存在slot(5)＝200的情况，如存在，则跳出这个结构，将slot(4)＝0赋予给此网格内的所有颗粒，并删除此网格；如不存在，则将此网格内的所有颗粒赋予另外一个组，且将slot(5)＝200赋予给此网格内的所有颗粒，并将粘结参数赋予此组颗粒，然后将slot(4)＝0赋予给此网格内的所有颗粒，并删除此网格，即生成一个cluster。
112.2、含石量控制函数的构建方法如下：
113.每次从块石网格模型数据库中导入块石网格模型生成一个块石，在块石生成后对所有块石进行遍历，获得现已生成块石的总体积v
r
，通过公式：
114.(v
r
ρ
r
‑
mp)/mp＞tol
ꢀꢀꢀ
(1)
115.在上式(1)中：ρ
r
为块石密度，m为总质量，p为指定含石量，tol为设定的误差容许值，当公式条件满足则停止生成块石，得到指定含石量的堆积体。
116.3、级配曲线控制函数的构建方法如下：
117.通过函数cluster_create(n,p)来进行级配控制，其中n代表第几范围粒径，p为这个粒径范围的含石量，该函数主要为loop循环语句和含石量控制函数的一个嵌套。在具体的实施方式中，循环次数设为10000次，每个循环运行一次含石量控制函数，并运行公式(1)，如满足则跳出循环，进入下一粒径的循环，最终得到所需的块石数值模型，如图3所示。
118.采用本步骤技术方案中的块石模型导入生成函数、含石量控制函数、级配曲线控制函数，通过柔性簇来模拟块石，相比刚性簇而言，可以模拟出块石的破坏情况，与室内试验结果更加接近。
119.s8、将块石数值模型在颗粒流分析软件中生成堆积体数值模型。
120.在具体的实施方式中，在颗粒流分析软件，比如pfc3d中，将块石数值模型中初始组名的颗粒全部删除，再生成指定数量的颗粒用以模拟土体颗粒，并将赋予线刚度模型；生成一个剪切盒形状的墙体将所有颗粒包含在内，然后将墙体进行移动收缩，直至大小和剪切盒一致即停止移动收缩；最后将对其进行伺服，得到可用于堆积体剪切试验的堆积体数值模型。
121.s9、对堆积体数值模型进行堆积体参数标定，得到堆积体离散元三维模型
122.在具体的实施方式中，对堆积体数值模型进行堆积体参数标定，方法如下：将运算得到的剪应力
‑
位移曲线与堆积体直剪试验曲线进行比对，按照上述方法，不断微调其细观参数。在具体的实施方式中，可经过多次标定(优选为千次以上)使得两组曲线达到协调统一，此时的参数就是最终的堆积体离散元三维模型参数。堆积体离散元三维模型参数如图4所示。
123.通过采用本步骤的方法，可以得出最终所需的堆积体离散元三维模型。
124.采用本实施的技术方案，生成的块石数值模型与块石实际模型相似度更高，得到的模拟效果也更为精确。与基于块石三维激光扫描仪器、ct断面扫描仪器等方法相比，不需要三维激光扫描、ct扫描等的价格不菲的试验设备，极大的节约试验成本，且操作流程简易。采用柔性簇来模拟块石，相比刚性簇而言，可以模拟出块石的破坏情况，与室内试验结果更加接近。
125.实施例2
126.提供了一种电子设备，包括：
127.一个或多个处理器；
128.存储装置，用于存储一个或多个程序；
129.当一个或多个程序被一个或多个处理器执行，使得一个或多个处理器实现实施例1提供的基于块石形状和破碎的堆积体离散元三维建模方法。
130.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然
可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。