粗粒料三维块体系统生成方法、装置、存储介质及设备
阅读说明：本技术 粗粒料三维块体系统生成方法、装置、存储介质及设备 (Coarse particle material three-dimensional block system generation method and device, storage medium and equipment ) 是由 徐栋栋 林绍忠 程展林 卢波 邬爱清 汪斌 潘家军 王奔 胡伟 向前 刘小红 于 2021-07-23 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种粗粒料三维块体系统生成方法、装置、存储介质及设备,属于虚拟现实技术领域。该方法包括：根据级配要求,获取满足级配要求的粗粒料三维块体系统随机投放前的颗粒集,颗粒集的总体积待投放粗粒料颗粒试样的总体积相等；构建待投放区域,待投放区域的底面形状与待生成粗粒料三维块体系统的底面形状相同,待投放区域的高度大于待生成粗粒料三维块体系统的高度；将粗粒料三维块体系统随机投放前的颗粒集中的颗粒在随机投放模型的控制条件下,投放至待投放区域,得到随机投放的粗粒料三维块体系统；针对随机投放的三维块体系统在高度方向压实。该装置、存储介质及设备能够用于实现该方法。其能够严格满足颗粒级配分布要求。(The application discloses a coarse particle material three-dimensional block system generation method, a coarse particle material three-dimensional block system generation device, a coarse particle material three-dimensional block system generation storage medium and coarse particle material three-dimensional block system generation equipment, and belongs to the technical field of virtual reality. The method comprises the following steps: according to the grading requirement, obtaining a particle set which meets the grading requirement and is before the coarse particle three-dimensional block system is randomly thrown, wherein the total volume of the particle set is equal to that of a coarse particle sample to be thrown; constructing a region to be put in, wherein the shape of the bottom surface of the region to be put in is the same as that of the three-dimensional block system of the coarse aggregate to be generated, and the height of the region to be put in is greater than that of the three-dimensional block system of the coarse aggregate to be generated; putting the particles in the particle set before the three-dimensional block system of the coarse aggregate is randomly put into a region to be put under the control condition of a random putting model to obtain the randomly put three-dimensional block system of the coarse aggregate; the compaction is performed in the height direction aiming at the randomly thrown three-dimensional block system. The apparatus, storage medium, and device can be used to implement the method. Which can strictly meet the requirement of particle grading distribution.)
技术领域
本发明涉及虚拟现实技术领域，特别是涉及一种粗粒料三维块体系统生成方法、装置、存储介质及设备。
背景技术
粗粒料是一种无粘性混合料，一般由块石、碎石和石屑等粗颗粒组成，目前已广泛应用于土石坝、高速公路和铁路建设中。较之，原位或室内试验，粗粒料数值试验具有得天独厚的优势，比如可以自由地构建各种不同尺寸、不同级配的模型、不受试验条件的限制和可以自由地设定不同的边界条件等。因此，需要对粗粒料进行级配和力学特性及其他特性的研究。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种粗粒料三维块体系统生成方法、装置、存储介质及设备，其能够严格满足颗粒级配分布的粗粒料三维非连续变形分析(DiscontinuousDeformation Analysis，DDA)块体系统构建方法，从而更加适于实用。
为了达到上述第一个目的，本发明提供的粗粒料三维块体系统生成方法的技术方案如下：
本发明提供的粗粒料三维块体系统生成方法包括以下步骤：
根据级配要求，获取满足级配要求的粗粒料三维块体系统随机投放前的颗粒集，所述颗粒集的总体积待投放粗粒料颗粒试样的总体积相等；
构建待投放区域，所述待投放区域的底面形状与待生成粗粒料三维块体系统的底面形状相同，所述待投放区域的高度大于待生成粗粒料三维块体系统的高度；
将所述粗粒料三维块体系统随机投放前的颗粒集中的颗粒在随机投放模型的控制条件下，投放至所述待投放区域，得到随机投放的粗粒料三维块体系统；
针对所述随机投放的三维块体系统在高度方向压实，得到所述粗粒料三维块体系统。
本发明提供的粗粒料三维块体系统生成方法还可采用以下技术措施进一步实现。
作为优选，所述根据级配要求，获取满足级配要求的粗粒料三维块体系统随机投放前的颗粒集的步骤中，每一级配中的粗粒料颗粒满足以下条件：
其中，
Vi-第i级配中，粒径位于内的粗粒料颗粒的总体积，其中，-第i级配的设定粒径，-第i+1级配的设定粒径；
Vg-待投放粗粒料颗粒试样的总体积；
-第i级配中，粒径为及小于该粒径的粗粒料颗粒体积含量所占的百分比；
--第i+1级配中，粒径为及小于该粒径的粗粒料颗粒体积含量所占的百分比；
i为自然数。
作为优选，所述根据级配要求，获取满足级配要求的粗粒料三维块体系统随机投放前的颗粒集步骤具体包括以下步骤：
从基准形态库中随机抽取一个颗粒，计算它的体积和最小外接球的直径Ds；
计算随机尺寸缩放比例将粒径控制在范围内：
其中，
那么，缩放后颗粒的体积可表示为：
将粒径位于或范围内的颗粒过滤掉；
重复操作，直至粒径位于范围内的颗粒的总体积ViC首次超过Vi；为使ViC＝Vi，可按照下式对已生成所有颗粒的尺寸进行统一地缩放：
其中，Lr介于0.99～1.0之间。
作为优选，所述粗粒料三维块体系统随机投放前的颗粒集中的颗粒的顶点坐标信息获取方法包括以下步骤：
遍历第i级配下的所有已生成颗粒，首先确定颗粒m的形心点
然后确定由Om指向颗粒顶点j的方向矢量
对每个颗粒顶点的方向矢量进行同比例缩放；
以每个颗粒形心为基点绕x、y和z轴随机旋转角度α、β和γ，计算出经过缩放后的颗粒顶点的坐标
其中，
作为优选，所述待投放区域包括底部约束板、侧约束板，
所述侧约束板的径向截面形状与底部约束板的形状相同，
所述侧约束板通过其底边缘固定连接于所述底部约束板的外缘，
所述侧约束板的轴向高度大于待生成粗粒料三维块体系统的高度，
于所述底部约束板和侧约束板之间形成所述待投放区域。
作为优选，针对所述随机投放的三维块体系统在高度方向压实，得到所述粗粒料三维块体系统的步骤通过压实板实现，其中，
所述压实板的形状与所述侧约束板的径向截面形状相同，所述压实板与所述侧约束板的内壁之间构成沿所述侧约束板轴向的移动副。
作为优选，针对所述随机投放的三维块体系统在高度方向压实，得到所述粗粒料三维块体系统的步骤具体包括以下步骤：
在压实起始阶段，采用纯动力计算；
当随机投放的粗粒料三维块体系统首次触底时，施加带有阻尼的动力计算。
作为优选，所述将所述粗粒料三维块体系统随机投放前的颗粒集中的颗粒在随机投放模型的控制条件下，投放至所述待投放区域，得到随机投放的粗粒料三维块体系统的步骤具体包括以下步骤：
将所述粗粒料三维块体系统随机投放前的颗粒集中的颗粒以形心为基点，随机投放到所述待投放区域中；
根据已经投放到所述待投放区域中的颗粒的最小外接球半径和球心点坐标，确保已经投放到所述待投放区域中的颗粒彼此之间无重叠；
重复操作，直至所述随机投放前的颗粒集中的颗粒全部投放完成，得到随机投放的粗粒料三维块体系统。
作为优选，所述针对所述随机投放的三维块体系统在高度方向压实，得到所述粗粒料三维块体系统采用三维非连续变形分析方法，在设定的加载步数、加载曲线、单步允许的最大位移比、时间步长和阻尼的条件下实现。
作为优选，所述针对所述随机投放的三维块体系统在高度方向压实，得到所述粗粒料三维块体系统的步骤具体包括以下步骤：
重复操作，得到多组粗粒料三维块体系统待选样本；
从所述多组粗粒料三维块体系统待选样本中选取高度与真实试样高度误差在1％以内的粗粒料三维块体系统待选样品作为选定的粗粒料三维块体系统。
作为优选，还包括以下步骤：
在所述粗粒料颗粒、底部约束板、顶部加载板不变的条件下，将侧约束板沿轴向分割为多个子约束板，其中，每个所述自约束板的高度小于所述粗粒料颗粒的高度。
为了达到上述第二个目的，本发明提供的粗粒料三维块体系统生成装置的技术方案如下：
本发明提供的粗粒料三维块体系统生成装置包括：
颗粒集获取模块，用于根据级配要求，获取满足级配要求的粗粒料三维块体系统随机投放前的颗粒集，所述颗粒集的总体积待投放粗粒料颗粒试样的总体积相等；
待投放区域构建模块，构建待投放区域，所述待投放区域的底面形状与待生成粗粒料三维块体系统的底面形状相同，所述待投放区域的高度大于待生成粗粒料三维块体系统的高度；
随机投放模块，用于将所述粗粒料三维块体系统随机投放前的颗粒集中的颗粒在随机投放模型的控制条件下，投放至所述待投放区域，得到随机投放的粗粒料三维块体系统；
压实模块，用于针对所述随机投放的三维块体系统在高度方向压实，得到所述粗粒料三维块体系统。
为了达到上述第三个目的，本发明提供的计算机可读存储介质的技术方案如下：
本发明提供的计算机可读存储介质上存储有粗粒料三维块体系统生成方法的控制程序，所述粗粒料三维块体生成方法的控制程序在被处理器执行时，实现本发明提供的粗粒料三维块体系统生成方法的步骤。
为了达到上述第四个目的，本发明提供的电子设备的技术方案如下：
本发明提供的终端设备包括存储其和处理器，所述存储器上存储有粗粒料三维块体系统生成方法的控制程序，所述粗粒料三维块体生成方法的控制程序在被处理器执行时，实现本发明提供的粗粒料三维块体系统生成方法的步骤。
本发明针对利用3D-DDA模拟开展粗粒料数值试验尚未有严格满足级配要求的三维粗粒料颗粒系统生成功能的不足，提出一种严格满足级配要求的粗粒料3D-DDA块体系统构建方法。该方法按照粗粒料室内试验要求，在待投放区区域得到抽取基准库中的多面体颗粒，经过随机投放后满足颗粒之间以及颗粒与区域边界间无重叠的要求，基于3D-DDA方法开展压实操作，得到颗粒相互接触且整体结构稳定的粗粒料模型，再通过高度调整，消除孔隙比不确定性的影响，得到完全满足级配要求的三维粗粒料模型。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1将所述粗粒料三维块体系统随机投放前的颗粒集中的颗粒在随机投放模型的控制条件下，投放至所述待投放区域，得到随机投放的粗粒料三维块体系统的结构示意图；
图2为针对所述随机投放的三维块体系统在高度方向压实，得到所述粗粒料三维块体系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的粗粒料块体系统生成方法又一实施例的实施连环示意图；
图4为本发明实施例提供的粗粒料三维块体系统生成方法的步骤流程图；
图5为本发明实施例提供的粗粒料三维块体系统生成装置中各功能模块之间的信号流向关系示意图；
图6为本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的粗粒料三维块体系统生成装置的运行设备结构示意图。
具体实施方式
有鉴于此，本发明提供了一种粗粒料三维块体系统生成方法、装置、存储介质及设备，其能够严格满足颗粒级配分布的粗粒料三维非连续变形分析(DiscontinuousDeformation Analysis，DDA)块体系统构建方法，从而更加适于实用。
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种粗粒料三维块体系统生成方法、装置、存储介质及设备，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，具体的理解为：可以同时包含有A与B，可以单独存在A，也可以单独存在B，能够具备上述三种任一种情况。
粗粒料三维块体生成方法实施例
参见附图1-附图4，本发明实施例提供的粗粒料三维块体生成方法包括以下步骤：
1.根据土工试样的颗粒几何特征情况，可概化出若干具有代表性的颗粒基准形态来共同构成粗粒料系统的基准形态库。通过对库内的颗粒进行缩放和空间随机旋转等一系列操作，辅之以满足级配的要求，可衍生出随机投放前的颗粒集。
2.土工室内试验选用的粗粒料试样为圆柱状，直径L＝300mm，高度H＝600mm。当步骤(1)生成的满足级配的随机投放颗粒集刚好将这一圆柱形区域填充完毕时，试样制作即为成功；试样必然具有一定的孔隙率。
3.为生成随机投放颗粒集的需要，设置一“供方试样”，它的直径与粗粒料试样一致均为L，高度为Ha；要求颗粒集的总体积与供方试样的体积Vg相等；其中Vg＝π(L/2)2Ha。在初次形成试探粗粒料试样时，令Ha＝H。
4.根据粗粒料试样的级配情况，如每一级配的粒径及小于该粒径的颗粒体积含量所占的百分比可确定粒径位于范围内的颗粒总体积Vi为：
5.从基准形态库中随机抽取一个颗粒，计算它的体积和最小外接球的直径，记为和Ds。计算随机尺寸缩放比例将粒径控制在范围内：
那么，缩放后颗粒的体积可表示为：
为避免步骤(6)中整体缩放后非常接近临界粒径的颗粒跌入下一级粒径组中造成级配无法严格满足，可将粒径位于或范围内的颗粒过滤掉。
6.重复步骤(5)中的操作，并将生成颗粒的体积进行累加，直到粒径位于范围内的颗粒的总体积ViC首次超过由级配确定的颗粒总体积Vi。为使ViC＝Vi，可按照下式对已生成所有颗粒的尺寸进行统一地缩放：
Lr往往介于0.99～1.0之间，因此步骤(5)中的过滤条件设定是合理的。
7.遍历i级配下的所有已生成颗粒，首先确定颗粒m的形心点然后确定由Om指向颗粒顶点j的方向矢量对每个颗粒顶点的方向矢量进行同比例缩放，并以颗粒形心为基点绕x、y和z轴随机旋转角度α、β和γ，进而可计算出颗粒顶点的新坐标
最后，记录此级配下的所有颗粒的顶点坐标信息。
8.对剩余级配依次开展步骤(4)～(7)的操作，这样即可生成严格满足级配要求的粗粒料颗粒集，颗粒集中的颗粒空间位置仍依附于它在基准库中的位置，需要进一步开展颗粒集的随机投放操作，将其投放至指定区域中。
9.随机投放的区域仍为圆柱状，它的直径与粗粒料试样相等，但高度是可变的，定义为n×H，n为高度放大系数，可根据投放效率和颗粒数量来设定。随机投放完毕后，仍需开展基于DDA的压实模拟方能生成所需的粗粒料试样。为了满足3D-DDA计算的需求，仍需要明确加载板、底部约束板、包裹随机投放区域的竖向空心圆柱的厚度、直径和高度等相关信息；同时需要明确投放颗粒集距离底部约束板的高度，目的在于为颗粒集提供更大的调整空间，避免产生压实过程中的“卡壳”现象。为了加快计算效率，在初始阶段可采用纯动力计算；当颗粒集首次触底时，施加带有阻尼的动力计算，防止颗粒集触底反弹。
10.建立颗粒集的随机投放模型。以颗粒的形心为基点，将其随机投放到圆柱区域中，确定颗粒的初始位置。随机投放的原则为从大粒径组到小粒径组依次投放。
11.确定已初投颗粒的最小外接球半径和球心点坐标。判断代表颗粒的外接球是否与圆柱状投放区域边界或已投放到位颗粒的外接球之间是否重叠，若均无重叠，则投放成功；否则转到步骤(10)，再次投放，直到满足不重叠的要求。
12.遍历颗粒集中的每个颗粒，按照步骤(11)和(12)的操作，完成随机投放工作。若投放不成功时，可通过调大圆柱状随机投放区域高度放大系数的方式来进行再次尝试，直到投放成功。
13.随机投放完成后，粗粒料颗粒的几何信息(包括点、线、面和体)已可全部获取；根据顶部加载板、底部约束板和空心圆柱体的几何信息以及与随机投放区域的空间位置关系，它们所对应的DDA块体信息同样均可推算得到。
14.将上述几何信息整合为DDA几何文件的格式，并通过写操作函数将其写入到硬盘文件中。
15.利用三维非连续变形分析方法(3D-DDA)开展颗粒的压实操作；并选取合适的计算参数，如加载步数、加载曲线、单步允许的最大位移比、时间步长和阻尼等。压实后形成的粗粒料试样高度为Ht。
16.根据步骤(2)，初次形成的粗粒料试样高度必然满足：Ht>H，因为颗粒接触间必然存在缝隙，也即试样具有一定的孔隙率。在Ht的基础上，预估一个供方试样的高度Hg，可生成近似满足要求的粗粒料系统，且Hg＝H2/Ht。
17.以δ为高度间隔，设定2t组高度为Ha＝Hg±t·δ的供方试样，重复步骤(2)～(15)的操作，形成2t组粗粒料压实模型。挑选出高度最为接近H的粗粒料模型，这一高度记为Ht。若其与试样高度误差控制在1％以内甚至更低，则粗粒料试样的制备工作即可结束。这里，δ控制着解的精度，其值越小且模拟组数越多，最终得到的试样越精确。
18.若H未包含在上述2t组粗粒料试样高度的上下限内，那么需要重新调大δ，重复步骤(17)的操作，确定供方试样的高度上下限；然后在此基础上，通过调小δ提高精度。这其中还可辅助使用二分法调整，逐步逼近真实的试样高度。
19.在所述粗粒料颗粒、底部约束板、顶部加载板不变的条件下，将侧约束板沿轴向分割为多个子约束板，其中，每个所述子约束板的高度小于所述粗粒料颗粒的高度。参见附图3，A为待压实的粗粒料颗粒，其中，粗粒料颗粒被底部约束板和侧约束板约束在其中；B为被压实后的粗粒料颗粒，其中，粗粒料颗粒被底部约束板、侧约束板和顶部约束板约束在其中；C为在B的基础上取下侧约束板的之后的示意图；D1、D2、D3、D4为被分割后子约束板；E为将子约束板D1、D2、D3、D4与粗粒料颗粒同轴叠加后的粗粒料颗粒系统。这样做的目的在于减小整体刚度矩阵的带宽，提高求解效率，其提高求解效率的原理在于，在求解过程中，需要形成刚度矩阵，其中，刚度矩阵带宽的大小跟块体间的联系多少相关，当侧约束板为一个整体约束板时，该整体约束板联系的粗粒料颗粒数量非常大，此时，刚度矩阵的带宽也非常大；但是，在将侧约束板分割为子约束板D1、D2、D3、D4之后，每个子约束板联系的粗粒料颗粒数量明显减小，并且，他们都可以独立计算，因此，能够减小整体刚度矩阵的带宽，从而提高求解效率。至此，彻底完成了严格满足颗粒级配的粗粒料3D-DDA块体系统的构建。
粗粒料三维块体系统生成装置实施例
参见附图5，本发明提供的粗粒料三维块体系统生成装置包括：
颗粒集获取模块，用于根据级配要求，获取满足级配要求的粗粒料三维块体系统随机投放前的颗粒集，所述颗粒集的总体积待投放粗粒料颗粒试样的总体积相等；
待投放区域构建模块，构建待投放区域，所述待投放区域的底面形状与待生成粗粒料三维块体系统的底面形状相同，所述待投放区域的高度大于待生成粗粒料三维块体系统的高度；
随机投放模块，用于将所述粗粒料三维块体系统随机投放前的颗粒集中的颗粒在随机投放模型的控制条件下，投放至所述待投放区域，得到随机投放的粗粒料三维块体系统；
压实模块，用于针对所述随机投放的三维块体系统在高度方向压实，得到所述粗粒料三维块体系统。
电子设备实施例
其中，参照图5，图5为本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的粗粒料三维块体系统生成方法的运行设备结构示意图。
如图5所示，该粗粒料三维块体系统生成方法的运行设备可以包括：处理器1001，例如中央处理器Central Processing Unit，CPU，通信总线1002、用户接口1003，网络接口1004，存储器1005。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏Display、输入单元比如键盘Keyboard，可选用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口如无线保真WIreless-FIdelity，WI-FI接口。存储器1005可以是高速的随机存取存储器RandomAccess Memory，RAM存储器，也可以是稳定的非易失性存储器Non-Volatile Memory，NVM，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。
本领域技术人员可以理解，图6中示出的结构并不构成对粗粒料三维块体系统生成方法的运行设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
如图5所示，作为一种存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、数据存储模块、网络通信模块、用户接口模块以及粗粒料三维块体系统生成方法的运行程序。
在图5所示的粗粒料三维块体系统生成方法的运行设备中，网络接口1004主要用于与网络服务器进行数据通信；用户接口1003主要用于与用户进行数据交互；本发明粗粒料三维块体系统生成方法的运行设备中的处理器1001、存储器1005可以设置在粗粒料三维块体系统生成方法的运行设备中，粗粒料三维块体系统生成方法的运行设备通过处理器1001调用存储器1005中存储的粗粒料三维块体系统生成方法的运行程序，并执行本发明实施例提供的粗粒料三维块体系统生成方法的运行方法。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
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