混凝土随机颗粒模型的网格自动剖分方法
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混凝土细观力学研究进展及评述马怀发陈厚群黎保琨展,在细观层次上利用数值方法直接模拟混凝土试件或结构的裂缝扩展过程及破坏形态,直观地反映出试件的损伤破坏机理引起了广泛的注意。
近十几年来,基于混凝土的细观结构,人们提出了许多研究混凝土断裂过程的细观力学模型,最具典型的有格构模型(Latticemodel)、随机粒子模型(R跚domparticle啪del)‘掣MohamedAR【引等提出的细观模型、随机骨料模型(Randomaggllegatemodel)及唐春安等人心8’2引提出的随机力学特性模型等。
这些模型都假定混凝土是砂浆基质、骨料和两者之间的粘结带组成的三相复合材料,用细观层次上的简单本构关系来模拟复杂的宏观断裂过程。
另外,文献[30~32]根据混凝土材料特性与分形维数的相关关系,运用分形方法定量描述了混凝土的损伤演化行为。
4.1格构模型格构模型将连续介质在细观尺度上被离散成由弹性杆或梁单元连结而成的格构系统,如图2。
每个单元代表材料的一小部分(如岩石、混凝土的固体基质)。
网格一般为规则三角形或四边形,也可是随机形态的不规则网格。
单元采用简单的本构关系(如弹脆性本构关系)和破坏准则,并考虑骨料分(a)格构杼件网络(b)格构杆件属性布及各相力学特性分布的随机性。
计算时,图2格构模型在外载作用下对整体网格进行线弹性分析,计算出格构中各单元的局部应力,超过破坏阈值的单元将从系统中除去,单元的破坏为不可逆过程。
单元破坏后,荷载将重新分配,再次计算以得出下个破坏单元。
不断重复该计算过程,直至整个系统完全破坏,各单元的渐进破坏即可用于模拟材料的宏观破坏过程。
格构模型思想产生于50多年前,当时由于缺乏足够的数值计算能力,仅仅停留在理论上。
20世纪80年代后期,该模型被用于非均质材料的破坏过程模拟n8瑚’21’33。
6]’。
后来,schlangenE等人汹’21’”“3将格构模型应用于混凝土断裂破坏研究,模拟了混凝土及其它非均质材料所表现的典型破坏机理和开裂面的贯通过程。
收稿日期:2004202223;修改稿收到日期:20042062051作者简介:王宗敏3(19642),男,博士,教授1第22卷第6期2005年12月 计算力学学报 Ch i nese Journa l of Co m puta tiona l M echan icsV o l .22,N o .6D ecem ber 2005文章编号:100724708(2005)0620728205混凝土细观随机骨料结构与有限元网格剖分王宗敏3, 邱志章(郑州大学环境与水利工程学院,郑州450002)摘 要:在细观层次上,混凝土被认为是一种由粗骨料、水泥砂浆及二者间的粘结带所组成三相非均质复合材料。
本文首先基于蒙特卡罗随机抽样原理,用“取和放”方法在计算机上产生形状、尺寸和骨料颗粒分布与真实混凝土相似的随机骨料结构,再使用有限元分析软件AN SYS 对骨料区域及砂浆区域分别划分网格,并编程在骨料和砂浆之间生成三角形三结点可控制厚度粘结单元,从而使三相网格缝合为一个整体,为混凝土非线性有限元分析提供可靠的细观计算模型。
最后利用建立的模型进行混凝土轴心受拉和轴心受压的仿真模拟,在细观层次研究的基础上揭示出混凝土的宏观力学性能。
关键词:细观层次;随机骨料结构;网格剖分;AN SYS 中图分类号:O 34 文献标识码:A1 引言混凝土作为一种复合材料,其复杂的性质到现在仍没有被人们全面深入的了解和认识。
例如,混凝土的应变软化,微观裂缝扩展,破坏机理及尺寸效应等等。
在混凝土实验过程中,要观察混凝土内部真实裂缝的传播情况和确定内部任意位置的微观应力场是很困难的。
为此前人进行了大量基于混凝土不同组分之间相互作用及影响的微观机理理论研究,并从多相微观结构角度,把混凝土分为四个研究层次[1],即宏观、细观、微观和纳观。
在宏观层次上,混凝土被唯象地认为是一种均质材料。
在细观层次上,混凝土被认为是一种由粗骨料、砂浆和二者间的粘结带所组成的三相非均质复合材料。
“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”COMSOL Multiphysics V4.x操作手册丛书网格剖分用户指南中仿科技公司(CnTech Co., Ltd.)2010年10月前言COMSOL Multiphysics是一款大型的高级数值仿真软件,由瑞典的COMSOL公司开发,广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算,被当今世界科学家誉为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”,适用于模拟科学和工程领域的各种物理过程。
作为一款大型的高级数值仿真软件,COMSOL Multiphysics以有限元法为基础,通过求解偏微分方程(单场)或偏微分方程组(多场)来实现真实物理现象的仿真。
COMSOL Multiphysics以高效的计算性能和杰出的多场直接耦合分析能力实现了任意多物理场的高度精确的数值仿真,在全球领先的数值仿真领域里广泛应用于声学、生物科学、化学反应、电磁学、流体动力学、燃料电池、地球科学、热传导、微系统、微波工程、光学、光子学、多孔介质、量子力学、射频、半导体、结构力学、传动现象、波的传播等领域得到了广泛的应用。
在全球各著名高校,COMSOL Multiphysics已经成为讲授有限元方法以及多物理场耦合分析的标准工具;在全球500强企业中,COMSOL Multiphysics被视作提升核心竞争力,增强创新能力,加速研发的重要工具。
COMSOL Multiphysics多次被NASA技术杂志选为“本年度最佳上榜产品”,NASA技术杂志主编点评到,“当选为NASA科学家所选出的年度最佳CAE产品的优胜者,表明COMSOL Multiphysics是对工程领域最有价值和意义的产品”。
COMSOL Multiphysics 提供大量预定义的物理应用模式,涵盖声学、化工、流体流动、热传导、结构力学、电磁分析等多种物理场,模型中的材料属性、源项、以及边界条件等都可以是常数、任意变量的函数、逻辑表达式、或者直接是一个代表实测数据的插值函数等。
《有限元网格剖分与网格质量判定指标》篇一一、引言有限元法是一种广泛应用于工程和科学计算中的数值分析方法。
其核心步骤之一是进行网格剖分,即将求解域划分为一系列小的、相互连接的子域或元素。
网格的质量直接影响到有限元分析的准确性和效率。
因此,本文将重点讨论有限元网格剖分的方法以及网格质量的判定指标。
二、有限元网格剖分1. 网格剖分的基本原则有限元网格剖分应遵循以下基本原则:一是尽可能保持单元的规则性,如六面体单元;二是确保网格的连续性和兼容性;三是考虑网格的适应性,以适应求解域的几何形状和边界条件;四是尽可能减少单元的数量,以节省计算资源。
2. 常见的网格剖分方法(1)自动剖分法:利用计算机程序自动进行网格剖分,如基于Delaunay三角化的剖分方法。
(2)映射法:将求解域映射到参数空间进行剖分,再映射回原空间得到网格。
(3)手动剖分法:根据求解域的几何形状和边界条件,手动进行网格剖分。
三、网格质量判定指标1. 单元形态指标(1)扭曲度(Skewness):用于衡量单元的形状与理想形状的偏差程度,扭曲度越大,单元的形状越不规则,影响计算的精度和效率。
(2)内角分布:单元的内角应尽可能接近标准值(如四边形单元为90度),内角分布的均匀性可以反映单元的规则性。
(3)面积/体积变化率:用于衡量单元尺寸变化对整体网格的影响,变化率越小,网格质量越好。
2. 连接性指标(1)节点连接数:每个节点的连接单元数应适中,过多或过少的连接都可能导致计算误差。
(2)相邻单元的协调性:相邻单元在公共边界上应具有良好的协调性,避免出现不连续或重复的单元边界。
3. 整体性指标(1)网格均匀性:整体网格的尺寸和密度应保持均匀,避免出现过大或过小的单元。
(2)边界拟合度:网格应尽可能贴合求解域的边界,提高边界条件的准确性。
四、结论有限元网格剖分是有限元法的重要步骤之一,而网格质量直接影响到有限元分析的准确性和效率。
本文介绍了有限元网格剖分的基本原则和常见方法,以及网格质量的判定指标。
2006年5月水 利 学 报SH UI LI X UE BAO 第37卷 第5期收稿日期:2005208231基金项目:国家自然科学基金资助项目(90510017)作者简介:李运成(1974-),男,山东郓城人,硕士生,主要从事水工结构静动力分析研究。
E 2mail :liyuncheng @ 文章编号:055929350(2006)0520588205混凝土随机凸多面体骨料模型生成及细观有限元剖分李运成1,马怀发1,2,陈厚群2,胡 晓2(11北京工业大学,北京 100022;21中国水利水电科学研究院工程抗震研究中心,北京 100044)摘要:混凝土的级配及骨料含量对其宏观力学特性有直接的影响,适当的随机骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟分析的前提和基础。
本文针对全级配大坝混凝土的高骨料含量的要求,给出了一种高效率生成随机球骨料模型的方法。
并在随机球骨料模型的基础上,形成随机凸多面体骨料模型。
同时,研究了细观单元属性判别方法,编制了对含有凸多面体骨料的细观区域进行结构性有限元网格剖分程序。
本文给出的三维随机骨料模型算法不但考虑混凝土的骨料的实际级配和含量,而且计及了骨料的实际形态。
关键词:细观力学;全级配混凝土;三维随机骨料模型;数值模拟中图分类号:T V42文献标识码:A混凝土的级配及骨料含量对其宏观力学特性有直接的影响,建立能够客观反映混凝土这种细观结构不均匀性特征的骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟分析的前提和基础。
球形骨料模型和基于瓦拉文公式[1]的圆形骨料模型基本上能够反映砾石骨料的形态,但与一般的碎石骨料差异较大,特别是大体积全级配混凝土,其骨料含量高、颗粒大。
要建立既计及骨料的形状,又考虑到投放骨料的含量的全级配混凝土三维随机骨料模型是难以解决的问题。
近年来这方面的研究已取得了一定进展[2]。
马怀发等[3,4]研究了随机圆形骨料模型生成、网格剖分方法,并提出了随机骨料随机参数模型。
时域有限差分法网格自动剖分技术及其并行化随着计算机系统的迅猛发展,解决复杂大规模问题并取得更好的计算性能和内存占用的能力也在不断提高。
但由于计算量的增加,大型多维问题的解决也变得更加复杂。
考虑到这一点,提出了时域有限差分法的网格自动剖分技术。
与传统的域分割技术相比,有限差分网格划分技术具有计算精度高、计算效率高、迭代多次突出等优势。
本文对时域有限差分网格自动剖分技术及其并行化进行了讨论,具体包括:(1)介绍时域有限差分网格自动剖分技术,分析它的主要特点和优点;(2)详细介绍时域有限差分法的网格自动剖分技术的并行化实现方法;(3)讨论时域有限差分法网格自动剖分技术在计算机系统中的应用前景。
首先,让我们来讨论时域有限差分法的网格自动剖分技术。
有限差分法是一种以数值有限差分格式解决求解偏微分方程的常用方法。
它是利用差分格式离散未知函数及其偏导数值来求解偏微分方程,采用有限差分法对复杂的非线性方程组的求解不仅更简单,而且计算结果也更加准确。
而网格自动剖分技术就是利用一种特定的算法,实现网格自动划分和网格边界条件的自动处理。
因此,在自动剖分网格中,网格单元之间的尺寸及网格边界条件都可以自动地满足所求解方程的要求。
其优点是可以减少计算机资源的消耗,减少程序的复杂度,提高速度和质量,并充分考虑多种情况和多种场景。
接下来,让我们来讨论时域有限差分法网格自动剖分技术的并行化实现方法。
传统的有限差分法是通过分解数值解相应的偏微分方程组来实现的。
为了更有效地实现并行计算,必须从方程本身对网格进行分解,以以自动剖分的网格作为计算模型并行计算。
由于有限差分法的网格自动剖分技术具有较高的计算精度和抗干扰性,因此采用它来进行网格分解比采用传统方法更为合理。
首先,根据求解方程提供的网格边界条件,利用有限差分法对网格进行自动剖分;其次,构建用于并行计算的子网格,以满足有限差分格式的要求;最后,调整每个子网格的边界条件以满足计算方程组中方程的细节,最终实现网格的并行化计算。
有限元网格剖分方法概述在采用有限元法进行结构分析时,首先必须对结构进行离散,形成有限元网格,并给出与此网格相应的各种信息,如单元信息、节点坐标、材料信息、约束信息和荷载信息等等,是一项十分复杂、艰巨的工作。
如果采用人工方法离散对象和处理计算结果,势必费力、费时且极易出错,尤其当分析模型复杂时,采用人工方法甚至很难进行,这将严重影响高级有限元分析程序的推广和使用。
因此,开展自动离散对象及结果的计算机可视化显示的研究是一项重要而紧迫的任务。
有限元网格生成技术发展到现在, 已经出现了大量的不同实现方法,列举如下:1.映射法映射法是一种半自动网格生成方法,根据映射函数的不同,主要可分为超限映射和等参映射。
因前一种映射在几何逼近精度上比后一种高,故被广泛采用。
映射法的基本思想是:在简单区域内采用某种映射函数构造简单区域的边界点和内点,并按某种规则连接结点构成网格单元。
也就是根据形体边界的参数方程,利用映射函数,把参数空间内单元正方形或单元三角形(对于三维问题是单元立方体或单元四面体)的网格映射到欧氏空间,从而生成实际的网格。
这种方法的主要步骤是,首先人为地把分析域分成一个个简单可映射的子域,每个子域为三角形或四边形,然后根据网格密度的需要,定义每个子域边界上的节点数,再根据这些信息,利用映射函数划分网格。
这种网格控制机理有以下几个缺点:(1)它不是完全面向几何特征的,很难完成自动化,尤其是对于3D区域。
(2)它是通过低维点来生成高维单元。
例如,在2D问题中,先定义映射边界上的点数,然后形成平面单元。
这对于单元的定位,尤其是对于远离映射边界的单元的定位,是十分困难的,使得对局部的控制能力下降。
(3)各映射块之间的网格密度相互影响程度很大。
也就是说,改变某一映射块的网格密度,其它各映射块的网格都要做相应的调整。
其优点是:由于概念明确,方法简单,单元性能较好,对规则均一的区域,适用性很强,因此得到了较大的发展,并在一些商用软件如ANSYS等得到应用。
“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”COMSOL Multiphysics V4.x操作手册丛书网格剖分用户指南中仿科技公司(CnTech Co., Ltd.)2010年10月前言COMSOL Multiphysics是一款大型的高级数值仿真软件,由瑞典的COMSOL公司开发,广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算,被当今世界科学家誉为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”,适用于模拟科学和工程领域的各种物理过程。
作为一款大型的高级数值仿真软件,COMSOL Multiphysics以有限元法为基础,通过求解偏微分方程(单场)或偏微分方程组(多场)来实现真实物理现象的仿真。
COMSOL Multiphysics以高效的计算性能和杰出的多场直接耦合分析能力实现了任意多物理场的高度精确的数值仿真,在全球领先的数值仿真领域里广泛应用于声学、生物科学、化学反应、电磁学、流体动力学、燃料电池、地球科学、热传导、微系统、微波工程、光学、光子学、多孔介质、量子力学、射频、半导体、结构力学、传动现象、波的传播等领域得到了广泛的应用。
在全球各著名高校,COMSOL Multiphysics已经成为讲授有限元方法以及多物理场耦合分析的标准工具;在全球500强企业中,COMSOL Multiphysics被视作提升核心竞争力,增强创新能力,加速研发的重要工具。
COMSOL Multiphysics多次被NASA技术杂志选为“本年度最佳上榜产品”,NASA技术杂志主编点评到,“当选为NASA科学家所选出的年度最佳CAE产品的优胜者,表明COMSOL Multiphysics是对工程领域最有价值和意义的产品”。
COMSOL Multiphysics 提供大量预定义的物理应用模式,涵盖声学、化工、流体流动、热传导、结构力学、电磁分析等多种物理场,模型中的材料属性、源项、以及边界条件等都可以是常数、任意变量的函数、逻辑表达式、或者直接是一个代表实测数据的插值函数等。
《有限元网格剖分与网格质量判定指标》篇一一、引言有限元法是一种广泛应用于工程分析中的数值计算方法。
其核心步骤之一就是网格剖分,即将求解域离散化为有限个相互连接的子域,即有限元。
网格的质量直接影响到有限元法求解的精度和效率。
因此,合理有效的网格剖分及网格质量判定是进行有限元分析的重要环节。
本文将重点探讨有限元网格剖分的方法以及网格质量判定指标。
二、有限元网格剖分1. 网格剖分原则有限元网格剖分应遵循以下原则:(1)贴体性:网格应尽可能贴合求解域的形状,以减少边界处的近似误差。
(2)适度性:网格的疏密程度应适中,既要保证足够的计算精度,又要避免过细的网格导致计算量过大。
(3)连续性:网格的连接应保持连续性,避免出现断点或重叠现象。
2. 网格剖分方法常见的有限元网格剖分方法包括:(1)映射法:适用于规则的求解域,通过映射函数将规则域的网格映射到实际求解域上。
(2)插值法:根据边界条件或已知的物理量分布,通过插值函数生成网格。
(3)Delaunay三角剖分法:通过三角化方法将求解域划分为一系列三角形单元,适用于二维和三维求解域。
三、网格质量判定指标网格质量是衡量网格优劣的重要指标,直接影响着有限元法求解的精度和效率。
常见的网格质量判定指标包括:1. 单元形状:包括单元的几何形状、角度等。
单元形状良好的网格能提高计算的精度和稳定性。
通常要求单元的角度尽可能接近于标准角度(如90度)。
2. 扭曲度:指单元形状与其标准形状(如立方体或四边形)之间的相似程度。
扭曲度较小的单元具有更好的计算性能和稳定性。
对于三维问题,可以考察单元的体积扭曲度;对于二维问题,可以考察单元的面积扭曲度。
3. 纵横比:指单元的最大边长与最小边长之比。
纵横比过大的单元可能导致求解过程中的数值不稳定和计算误差增大。
因此,应尽量保持单元的纵横比在合理范围内。
4. 光滑性:指网格中相邻单元之间的过渡是否平滑。
光滑性良好的网格能提高计算的精度和收敛速度。
第2卷第1期2004年3月水利与建筑工程学报Journal of W ater R esources and A rch itectural EngineeringV o l.2N o.1M ar.,2004基于细观损伤的混凝土力学性能数值模拟研究进展尚岩,杜成斌(河海大学土木工程学院,江苏南京210098)摘 要:系统综述了基于细观损伤的混凝土力学性能数值模拟的研究现状,介绍了细观损伤力学在混凝土性能分析中的应用。
重点对微平面模型、二维格构模型、随机粒子模型、细观结构模型、可考虑微裂纹间相互作用的细观损伤模型、基于弹性损伤本构关系的细观结构模型及Gurson细观损伤模型等几种常用的基于细观损伤的混凝土本构模型的优、缺点进行了比较。
最后指出了以后有待进一步研究的问题。
关键词:细观损伤;混凝土;力学性能;本构模型;数值模拟中图分类号:TU528.1 文献标识码:A 文章编号:1672—1144(2004)01—0023—06Advances i n Nu m er ica l Si m ula tion of M echan ica l Performance ofConcrete Ba sed on M icro-m echan ics DamageSHAN G Yan,DU Cheng2b in(Colleg e of C iv il E ng ineering,H ohai U niversity,N anj ing,J iang su210098,Ch ina)Abstract:In th is paper,the researches of m echan ical p erfo r m ance of concrete based on m icro-m echan ics dam age are com p letely review ed and the app licati on of m icrom echan ics in the research of concrete p erfo r m ance is p resen ted.T he m erits and defects of som e k inds of con stitu tive m odel of concrete based on m icro-m echan ics dam age,such as m icro-p lane m odel,lattice m odel,random p article m odel, m icrom echan ical m odel,m icro-m echan ics dam age m odel con sidering the effect of m icro-crack, m icrom echan ical m odel based on elastic con stitu tive relati on,m icro-m echan ics dam age m odel based on po rou s m edia,are com p ared in detail.Fu rther m o re,the fu rther p rob lem s in th is field are discu ssed. Keywords:m icro-m echan ics damage;concrete;m echan ica l perfor mance;con stitutive m odel;nu m er ica l si m ula tion 混凝土是由粗骨料、细骨料、水泥水化物、未水化水泥颗粒、孔隙及裂纹等组成的非均质复合材料。
maxwell网格剖分良好的网格剖分,是利用电磁场有限元软件或程序进行电磁装备分析的前提和基础,这对于瞬态场和3D模型尤其如此。
静态场和涡流场都包含自适应求解过程,软件具有网格自加密能力,因此大多数情况下无须手动剖分,即可得到很好的网格。
瞬态场网格必须手动剖分,初始网格(initial mesh)质量很差。
自适应网格为瞬态场提供了一个很好的思路,就是导入静磁场和涡流场的自适应后的网格,为瞬态场所用,此功能通过Analysis/setup1/advanced/import mesh中实现。
做过3D分析的人都很清楚,网格的剖分是3D分析的重中之重环节。
有时模型能剖分,能计算,但结果出来与设计或实验差很多,这时候问题往往出现在剖分这个环节,改一下剖分就对了。
比如需要做涡流分析,那么就要考虑基于集肤效应深度的剖分,此功能在mesh operations/assign/on selection/skin depth based refinement。
又比如,如果要分析永磁同步电动机的cogging torque,那么需要对气隙进行多层剖分,这时就需要采用所谓“哑元”的方法,通过多建几个气隙层来实现。
再比如,对电机中常见的叠绕组或波绕组,为了对电机端部曲线部分进行更好地剖分,需要采用表面近似剖分。
此功能在mesh operations/assign/surface approximation里面进行设置。
剖分有多种方法,主要就是on selection和in selection之分。
前者是基于表面的剖分,后者是基于内部的剖分。
注意,on selection并不是对内部不剖分,in selection也并不是对表面不剖分,而是两种剖分方法侧重点不同,正如其字面意思所示。
一般而言,on selection 更适用于高频分析中对实体(solid)的剖分,因为高频分析中涡流效应很突出。
in selection 更适合于对直流和工频的分析。
仅作探讨,欢迎拍砖!曾经看到师兄一篇大作,将ANSYS和ANSOFT做过南慕容北乔峰的类比,真是崇拜得五体投地,一塌糊涂,屁滚尿流,接二连三,不三不四。
个人比较欣赏乔峰大侠,遂,改投ANSOFT门下。
想当年ANSYS的APDL用得忒熟无比,想想就此放弃,于心不忍,于是重操APDL。
近日,在论坛上看到有人对MAXWELL的网格剖分大发牢骚,甚至还恶言相向,GG我实在看不下去了,于是有此文。
就从网格剖分谈开去。
开篇之前,对比下面两幅图。
图1ANSYS映射网格剖分(APDL如下)/clear/filname,joe_yan,1/prep7et,1,solid117block,0,10,0,10,0,10mshkey,1mshape,0,3Daesize,all,1vmesh,allsave图2ANSOFT MAXWELL网格剖分(自适应剖分)对比图1、2明眼人一看就知道显然是图1的网格划分优良。
于是乎,俗人皆言:“MAXWELL 网格剖分垃圾~~!!”掌嘴!!我要说。
先声明,本人不是MAXWELL的死忠!个人更偏向于ANSYS的APDL,一看到那黑乎乎一块的经典界面,我就澎湃。
即便如此,本人还是坚持MAXWELL的网格剖分很强大。
MAXWELL有两种网格剖分形式,其一,如上图2所示的自适应剖分;其二,手动剖分。
其中手动剖分又分为二,其一,选择剖分;其二,内部剖分。
其中,选择剖分又分为二,其一,基于长度;其二,基于表层深度。
为何一个网格剖分要纠结如斯?我要说,因为MAXWELL 人性化。
比如说,为何手动剖分又要分为表层剖分和内部剖分,因为,表层剖分主要是针对集肤效应而言,大家都知道,集肤效应主要集中在导磁体表面,可是如何做到从内到外将网格剖分从疏到密的剖分呢?我们可以采用MAXWELL提供的表层剖分功能。
至此有人又要叫嚣了:“诶,你看,明明ANSYS网格剖分要比ANSOFT网格剖分来的均匀而细致。
”我要说,对!!爸特!!!针对不同分析,网格也呈现出不一样的规律性。
第39卷第3期1999年5月大连理工大学学报Journa l of Da l i an Un iversity of Technology Vol.39,No .3M ay 1999文章编号:100028608(1999)03206收稿日期:1997209218; 修订日期:1998211210作者简介:王宝庭(1965~),男,博士,现在河海大学进行博士后研究;宋玉普(1944~),男,教授,博士生导师;赵国藩(1925~),男,教授,博士生导师,中国工程院院士.混凝土随机颗粒模型的网格自动剖分方法王宝庭, 宋玉普, 赵国藩(大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室,辽宁大连 116024)摘要:基于计算几何学原理,用一容易被广大工程技术人员接受的方法,实现了对混凝土随机颗粒模型三角形有限元网格的自动剖分;这个网格可以被各种数值方法所采用.同时自动形成V o rono i 图的方法,也可在工程中广泛利用.关键词:网格;三角剖分 随机颗粒模型;V o rono i 图中图分类号:T P391;TU 755文献标识码:A混凝土随机颗粒模型中,在随机地生成颗粒分布之后,对结构进行有限元或离散元分析时,首先要对研究区域进行网格剖分.这将涉及到成千上万个单元和节点,数据准备工作则变得极其冗长而乏味;而且在数据的准备过程中,难免留下一些人为错误,尽管经常核对,但仍无法察觉.特别是对于需要随机改变颗粒组合、反复进行网格剖分的情况下,不去寻求某种自动或半自动的方法,是难以实现的.本文基于计算几何学上V o rono i 图和D elaunay 图的性能,通过D elaunay 三角剖分实现了对随机颗粒模型进行全自动剖分.1 凸壳问题一个多边形是凸多边形,是指多边形内任意两点的连线全部包含在该多边形内.平面上的n 个点P 1,P 2,…,P n 的凸壳是包含这些点的最小凸多边形(为简单起见,假设没有三点共线),如图1所示.凸壳可以用它的顶点的逆时针表列表示,求其表列是最基本的凸壳问题.凸壳的各边是这样一种线段,对于通过P i 、P j 的直线来说,其他的点位于直线的同一边,那么,连接P i 、P j 的线段就是凸壳的一条边.以上判断可通过如下计算实现:x i y i 1x jy j 1x k y k 1>0(1)若上式成立,则表明P i 、P j 、P k 成顺时针排列,即P k 点在线段P i P j 的左边.对于n 个点来说,需要对n (n -1) 2个点对P i ,P j 判断上述条件是否成立来求出凸壳.对于一个点对的判断需要O (n )次判断,因此,用此方法求出凸壳需要的时间为O (n 3). 这个朴素的方法确实简单,但却过于花费时间,因此需寻找某种算法,以期能够在普通微机上实现.以下采用分治法,凸壳问题可用O (n log n )的时间求出.分治法的思考方法是:把问题分成大体相等的两部分,递归求解各部分问题,组合两部分的解得到全体解.解凸壳问题时,问题的分解就是点集的分割.可以把点集任意分成两部分,但为方便,以点的x 坐标值为界将点集左右分割.设有n 点的集合S ,以x 坐标的顺序分割成左右两部分S L 和S R ,分别对于S L 和S R ,递归求出它们的凸壳CH (S L )和CH (S R ).由于把S 关于坐标x 值分割,因而CH (S L )和CH (S R )不重叠,左右分开;如图2所示.以下要从两个凸壳CH (S L )、CH (S R )求出全体点集S 的凸壳CH (S ).为此,由于CH (S L )和CH (S R )不重叠,可以求出图2所示的CH (S L )和CH (S R )的公切线L -、L +,然后除去CH (S )不需要的部分(图中用虚线表示的部分),就可得到CH (S ). 图1 凸壳 图2 CH (S L )和CH (S R )的合并图3 求L -的过程现在要解决L 的求法.凸壳CH (S L )和CH (S R )的端点中y 坐标值最小的点分别为P L 、P R ,假设P L 在P R 的下面,这时L 的求法如图3所示,可由如下步骤求出:(1)判断直线P L P R 是否与CH (S R )相切(即判断CH (S R )的角点是否在直线P L P R 同一边),若不是,则沿CH (S R )的顶点逆时针顺序更新P R ,直到相切为止.(2)判断直线P L P R 是否与CH (S L )相切,若不是,则沿CH (S L )的顶点逆时针顺序更新P L ,直到相切为止.(3)线段P L P R 即为要求的L -.此方法用O (n )时间求出线段L -,线段L +也同样用O (n )的时间求出.求出L -、L +之后,为了求得CH (S ),需将CH (S L )和CH (S R )不需要的部分除去,只要沿凸壳角点搜索即可.总之,从CH (S L )、CH (S R )求出CH (S )需要O (n ).于是,由于分治法大体是2等分,因而,n 点的凸壳需要O (n log n )求出.2 n 个半平面的交现在考虑,给出n 个半平面,求其相交的领域(图4).仍用分治法,把n 个半平面的集合S 分成大体相等的两部分S 1、S 2,对S 1、S 2分别递归求出其相交的领域R 1、R 2.显然R 1和R 2的交是要求的领域,问题是如何求出R 1和R 2的交.一般地,求两个凸多边形的交需要花费与全体点数n 成正比的时间.例如,用通过各点的垂线把平面分成N +1个带状区域,在每个带状区域内求两个梯形(或三角形)的交,将它们644大连理工大学学报第39卷 合并即得,如图5所示.R 1、R 2是半平面的交,因此是凸多边形(有可能是无限的).用上述方法求R 1和R 2的交要用O (n )的时间,因而,半平面的交要用O (n log n )的时间. 图4 n 个半平面的交 图5 求两个凸多边形的交图6 28个点的V o rono i 图3 V o rono i 图V o rono i 图是计算几何学的主要研究领域.给出平面上n 个点P 1,P 2,…,P n ,点P 的V o rono i 区域V (P i )可表示如下:V (P i )=∩j {P d (P ,P i )≤d (P ,P j )}(2)d (P ,P i )表示点P 和P i 之间的欧几里得距离.V (P i )表示到P i 的距离比到其他任何点的距离都近的点的集合,即点P i 的“势力圈”.V (P i )分割平面而形成的图称为V o rono i 图.图6是一示意图.仍用分治法去求V o rono i 图.首先将n 点的集合S 按x 坐标的顺序大体分成左右两部分,即S L 、S R .用求n 个半平面的交的方法,递归求出S L 、S R 的V o rono i 图V (S L )、V (S R ).由于把S 关于x 的坐标左右两分,可以按以下步骤求得全体点集的V o rono i 图V (S ).(1)求满足m in{d (P ,P i ) P i ∈S L }=m in{d (P ,P j ) P j ∈S R }的点P 的轨迹,这个轨迹如图7(a )所示,是关于y 坐标的一条单调连续折线L .(2)把折线L 右边的V (S L )部分除去,折线L 左边的V (S R )部分除去,就得到V (S ),如图7(b ). 图7 V (S L )和V (S R )的合并图8 1000个随机点的V o rono i 图744 第3期 王宝庭等:混凝土随机颗粒模型的网格自动剖分方法用以上方法求得V o rono i 图需要的时间是O (n log n ).图8为1000个点的V o rono i 图.4 D elaunay 三角剖分的计算混凝土区域的剖分可以通过D elaunay 三角剖分的概念得到.D elaunay 三角形的主要性能表述为:通过D elaunay 三角形的三个顶点的外接圆不包含另外的基本点(空圆盘性质).这将产生一个很方便的计算工具,即“圆内测试”(图9).它可以通过以下判断实现:F (A ,B ,C ,D )=x Ay A x 2A +y 2A 1x By B x 2B +y 2B 1x Cy C x 2C +y 2C 1x D y D x 2D +y 2D 1>0(3)仍用分治法,几何剖分n >5的点集为两部分S L 和S R ,递归地计算S L 和S R 的D elaunay 的三角剖分,最后连接S L 和S R 的三角形剖分.如基本点数n ≤5,可以基于D elaunay 三角形剖分的定义,使用“圆内测试”直接计算.以n =5作为将来进一步剖分的最小限的原因是显然的,因为如果5个点被分成两半的话,至少有一半它的点数少于3,比3个点少的D elaunay 三角形剖分在数学上是行得通的,但对于工程技术人员来说是不直观的. 图9 圆内测试图10 S L 和S R 的连接这两个凸壳CH (S L )和CH (S R )的连接可以通过一个冒泡算法和转换线段来实现.由D elaunay 三角形的性质可知,没有D elaunay 三角形的边在基本点的凸壳外面和所有凸壳的边都是D elaunay 三角形的边,因此,由前述方法找到的线段L-即是L R 边(连接CH (S L )和CH (S R )的边),图10显示其底边和顶边.现在,认为L cand 是G 和位于凸壳CH (S L )上但不属于凸壳CH (S L )∪CH (S R )的基本点,换句话说,是凸壳消影算法中应消去的点,R cand 是H 和位于凸壳CH (S R )上但不属于凸壳CH (S L )∪CH (S R )的基本点.现在想象一个胀开圆从底边开始向上冒泡,如图11.这种接连不断的圆将以一个固定的次序遇到L cand 和R cand 的所有点.考虑“圆内测试”和D elaunay 三角形的定义,去发现各个L R 边.如图12(a )所示,设A D 和CD 是被冒泡算法发现的L R 边,显然通过A 、B 、C 的外接圆包含D (即∠A B C +∠A D C >∠B A D +∠B CD ),因此,需要转换边A C 为B D (图12(b )),形成两个新的三角形A B D 和B CD .对于三角形A EB 和D A B 也必须去履行这种转换,直到不再需要新的转换.这个转换绝对不增加新的L 边(在S L 内的边)或R 边(在S R 内的边).在x 或844大连理工大学学报第39卷 图11 冒泡过程图12 线段转换y 的方向都可根据基本点的坐标划分成L 和R ,但不同的划分需要转换线段的数量将大不相同.可以证明,用冒泡程序与转换线段一起,符合计算几何学原理,能产生一个精确的D elaunay 三角形剖分.5 基本点集的产生及网格剖分本节以随机颗粒模型为例,自动产生基本点集.首先根据级配曲线,计算各级别骨料颗粒在试件内的个数,然后从最大粒径骨料颗粒开始,随机地产生每一颗粒的形心在试件内的位置,已定位的颗粒所占位置及周围一定范围之内,其他颗粒不能侵入,按照这一规则,从大到小随机定位,直至最后一个颗粒进入截面为止.本文将全级配混凝土的骨料分成四种不同粒径,分别为12.0、6.0、3.0、1.5c m ,试件截面尺寸为45c m ×45c m ,按上述方法产生的一个截面,如图13(a )所示. (a )随机颗粒图(b )对应图(a )的1797个节点、3406个单元剖分图图13 随机颗粒图试件截面形成以后,将1.5、3.0、6.0、12.0c m 四种不同粒径的骨料颗粒按一定分布规律分别取不同个节点,硬化水泥浆基体按一定的规则自动生成节点的坐标,然后用前述方法连944 第3期 王宝庭等:混凝土随机颗粒模型的网格自动剖分方法054大连理工大学学报第39卷 接这些点,就可得到如图13(b)所示的一网格剖分图.6 结束语本文基于计算几何学的原理,用一容易被广大工程技术人员接受的方法,实现了对随机颗粒模型三角形有限元网格的全自动剖分.其V o rono i图也有广泛的应用:可用来模拟晶体中的晶粒,以从细观上研究晶体的力学行为;可以用来模拟堆石坝的截面;也可以用来模拟节理岩体.此方法具有以下特点:(1)这个方法基于简单的原理,具体的算法都容易实行.(2)在普通微机上就能得到快速和好的结果.(3)这些网格可以为各种数值方法所采用.参考文献[1]普雷帕拉塔F P,沙莫斯M I.计算几何导论[M].北京:科学出版社,1990.[2]GU I BA S L,STOL F I J.P ri m itives fo r the m ani pu lati on of general subdivisi ons and the compu tati on ofV o rono i diagram s[J].AC M Tran s Graph ics,1985,4(2):742123.[3]W IT TM ANN F H,RO EL FSTRA P E,S ADOU K I H.Si m ulati on and analysis of compo sitestructu res[J].M ater Sc i Eng,198421985,68:2392248.[4]SCHU T T ER G D,TA ERW E L.R andom particle model fo r concrete based on D elaunaytriangu lati on[J].M ater and Struct,1993,26:67273.Automa tica lly d iv id i ng way of m esh forrandom particle m odel of concreteW ANG B a o2ting, SONG Yu2pu, ZHAO G uo2fa n(S ta te Ke y La b.of C oa s ta l&O ffsho re Eng.,D a lia n Univ.of Te chno l.,D a lia n116024,C hina)Abstract:A m ethod based on com pu tati onal geom etry,easily accep ted by techn ician s is p resen ted to au tom atically generate the triangle fin ite elem en t m esh fo r the random particle m odel of concrete.T he generated fin ite elem en t m esh is also app licab le to a variety of o ther num erical m ethods.In additi on,the p resen ted m ethod can generate the V o rono i diagram, w h ich has w ide u se in eng ineering.Key words:m esh;triangu lati on random particle m odel;V o rono i diagram。