三维凸型混凝土骨料随机投放算法

为了提供三维混凝土细观强度研究的数值模型,进行了三维混凝土随机骨料的投放算法研究。以体积为标度建立了一般多面体和凸型多面体两种形状骨料的侵入判别准则。并以凸多面体为研究对象建立了凸型骨料的生长模式和骨料"凸性"条件,给出相应的随机投放算法。该算法中,投放骨料初始形状为任意空间八面体,并始终在最长边上不断生长。在整个生长和投放过程中,骨料始终保持"凸"型。投放实例表明,与球形骨料假定建立的数值混凝土模型相比,凸多面体随机骨料模型能够更广泛地模拟混凝土材料结构。简单的算例说明了该模型可用于混凝土不均质性研究。

非规则再生骨料建模及再生骨料混凝土数值模拟

传统再生骨料混凝土(RAC)模型多采用基本几何形状来代表再生骨料(RA)结构,这与实际情况差异较大。本文结合数字图像技术和傅里叶描述法构建了真实的二维骨料数据库,并提出了基于骨料叠加法随机生成RA的新方法。基于外接矩形框/内切圆的粗判定和基于重叠框的精细判定提出了一种新的适用于傅里叶重构骨料的快速投放算法,实现了不同RA取代率和RA残余砂浆含量的RAC细观结构的构建。基于内聚力模型根据随机生成的RAC的细观结构建立了数值模型,研究了RA取代率和RA残余砂浆含量对RAC单轴抗拉性能的影响。结果表明,RAC的抗拉强度和弹性模量随着RA取代率和RA残余砂浆含量的增加而降低,但峰值应变变化不大。该RA模型更符合实际,且附着砂浆的含量和分布可自主调整。

跳伞投放指挥与降落轨迹模拟系统

为准确、快速计算跳伞投放诸元,建立了跳伞高度合成风、应飞磁航向、投放时间算法模型和降落轨迹模拟系统,实时给出逆风绳拉跳伞的投放诸元,绘制逆风绳拉跳伞平面投影轨迹、逆风绳拉跳伞原位立体降落轨迹和模拟跳伞降落轨迹。通过实际应用,验证了系统的有效性和实用性。该系统提高了跳伞投放计算的精度和速度,提高了跳伞指挥的工作效率,实现了跳伞指挥自动化。

基于四轴飞行器的定点投放系统设计

本文综合运用传感器技术、遥感技术与控制算法,设计了一种基于四轴飞行器的定点投放系统,可以更有效地实现灾害救援。本系统采用STM32单片机为主控制器,结合姿态传感器、导航传感器、动力以及远程无线通讯部分,完成了系统的硬件设计;软件部分设计了传感器数据采集、惯性测量和姿态角解算、串级PID控制以及定点投放控制程序。试验结果表明,该系统实现了定点投放功能,达到预期目标。

基于真实骨料的细观混凝土建模及数值模拟

基于激光扫描技术获取真实骨料三维形状,进而构建骨料库,基于“点阵”思想提出了一种新的随机骨料投放算法,借助MATLAB编制了构建三维混凝土细观几何模型的骨料投放程序,所构建的细观模型能够反映混凝土内骨料真实形态、空间分布和级配等细观特征,对三维几何模型进行剖切,即可获得二维平面几何模型,对骨料体积分数为40%的卵石混凝土和骨料体积分数为30%、40%、50%的砾石混凝土典型切面内骨料的粗糙度、圆度和长细比分布特征进行统计分析。利用Python编写接口程序将上述二维切面几何信息导入到ABAQUS中进行网格划分,即可获得混凝土二维细观有限元模型,结合室内实验,基于内聚力模型的连续-非连续数值计算方法研究了不同骨料类型和骨料含量对混凝土单轴压缩破坏的影响规律。此外,该方法还可作为土石混合料、砾岩等具有随机分布特征的复合材料建模和力学性能研究的有效工具。

预设裂缝沥青复合小梁扩展有限元模拟

对含预设裂缝沥青复合小梁进行疲劳试验,探讨梁底部的支撑方式和预设裂缝位置对于复合小梁裂缝扩展行为和疲劳寿命的影响。采用随机骨料生成和投放算法建立复合梁的异质模型,借助ABAQUS平台的扩展有限元方法对比分析了复合梁在均质和异质模型下的裂缝扩展路径,并将模拟结果与试验结果进行对比。研究结果表明:均质和异质模型下裂缝扩展行为总体上基本一致,但裂缝扩展路径、最大主应力分布形式相差较大,异质模型下裂缝扩展路径更接近试验结果,其最大主应力分布也能更好地解释裂缝扩展朝着荷载作用位置进行且扩展速率在裂缝扩展过程中逐渐增大的现象;平板支撑方式下沥青复合小梁裂缝扩展行为与实际路面状况更接近。

基于骨料形态的细观混凝土建模与裂缝研究

为了更精确地模拟混凝土裂缝的扩展,提出了一种基于真实骨料形态的二维混凝土细观建模方法。该方法利用图像处理获取真实骨料的几何轮廓,通过骨料轮廓点在平面中的随机移动,形成真实骨料的随机生长。此外,建立了“先投放多边形-后投放外接圆”的骨料侵入判别方法,简化复杂多边形的侵入判断过程。通过三点弯曲梁数值模拟,分析了骨料椭圆度对裂缝路径扩展和宏观性能的影响,结果表明:骨料椭圆度越大,梁的抗弯极限强度越小,残余强度越大,对裂缝走向的导向和阻裂效应越明显。

预设裂缝沥青混合料梁三点弯曲试验及扩展有限元模拟

对含预设裂缝沥青混合料梁进行三点弯曲试验,探讨梁底部裂缝位置改变对于裂缝扩展行为的影响。基于随机骨料生成和投放算法建立沥青混合料梁细观异质模型,并采用扩展有限元方法对其进行了不同骨料粒径以及骨料、空隙共存形式下裂缝扩展行为分析,探讨骨料粒径的改变、空隙的加入对于梁内部应力分布、抵抗裂缝扩展以及引起路面沉陷的影响。研究内容对于梁裂缝扩展影响因素的分析及路面裂缝扩展行为数值模拟具有一定的参考价值。

二维混凝土随机骨料模型研究

为研究二维混凝土随机骨料的投放算法、为混凝土宏观强度分析研究提供依据,将混凝土考虑为由粗骨料和水泥砂浆胶体构成的复合材料,确定了以面积为标度的骨料侵入判断准则和凸多边形骨料生成方式,在此基础上形成二维混凝土随机骨料投放算法。同其他方法相比,建立的"凸型"骨料随机投放算法简单,更易于推广到三维空间。最后给出了骨料随机投放的二维数值混凝土模型和一个简单的混凝土不均质特性分析实例,以说明该文算法的有效性。

二维细观随机混凝土模型的建立和应用

为了建立细观随机混凝土模型,将混凝土假定为由粗骨料和水泥砂浆组成的两相复合材料,根据常用骨料的类型,将其分别假定为圆形、椭圆形、凸多边形3种截面形状,分别给出了二维卵石和碎石骨料的随机投放算法,并利用MATLAB软件编制了相应程序,从而实现了细观层次随机混凝土模型的数值计算。为了使MATLAB生成的随机混凝土模型能被有限元程序调用,并对混凝土物理力学性能作进一步分析,研制了fig2dxf程序,将MATLAB中图形文件转换为.dxf格式,实现了随机骨料模型与有限元软件的无缝对接。研究结果表明:建立的随机骨料模型既满足骨料体积的等效性,又保证了骨料粒径的随机性,骨料含量水平较高;圆形和椭圆形随机混合骨料更符合随机性要求和实际情况;凸多边形骨料随机投放算法简单,同时巧妙地消除了多边形骨料的尖角;利用常用的有限元软件ANSYS等对生成的随机骨料进行网格划分的效果较好;用建立的模型生成标准混凝土试件符合规范要求,并能满足有限元细观分析的需要,为进一步研究混凝土细观物理、力学性能提供了可靠基础。

基于激光扫描的细观混凝土模型

将激光扫描技术与发展的状态点阵骨料投放算法相结合,实现了三维、二维细观混凝土几何建模.三维模型的构建通过激光扫描仪对骨料进行信息采集进而构建骨料库,结合骨料投放算法,构建出反映真实骨料形态、分布和级配等特征的三维混凝土细观模型.二维模型的构建仅需对三维模型进行剖切.激光扫描技术能给出骨料的空间真实形态,骨料库的构建保证了骨料的随机多样性,骨料投放算法则将整个建模过程程序化.为了验证该方法,选取典型切面构造二维模型,结合室内实验,利用内聚力模型研究了骨料空间分布对混凝土单轴压缩破坏的影响规律.

混凝土三维细观随机模型的建立和有限元剖分

将混凝土假定为由骨料和砂浆组成的两相复合材料,研究了球形、椭球形和两者混合体的边界和干涉判断数学条件;设计了球形、椭球形骨料随机投放算法,并利用MATLAB编制相应程序,生成了混凝土细观层次三维随机几何模型;采用相邻骨料颗粒中心距判断球形骨料的干涉关系,利用一个椭球上任一点与另一个椭球形心连线构成的直线段上的任一点与该椭球的关系判断椭球形骨料的干涉关系,将两椭球之间的干涉关系转化为一点与椭球的关系;基于MATLAB平台开发了mat2scr2017程序,将MATLAB中的图形文件数据读入SCR脚本文件中,将mat2scr 2017程序生成的随机骨料模型转化为AutoCAD图形文件,并导入有限元软件COMSOL Multiphysics中剖分混凝土几何模型有限元网格。研究结果表明:建立的随机骨料模型的骨料体积率可达到50%,骨料粒径和投放位置均满足随机性要求;椭球形随机骨料投放算法简单、高效,且能保证椭球自身倾角的随机性;模型适用于任意级配混凝土的生成,对连续级配混凝土骨料的逐级随机投放保证了各级配骨料的体积率;实现了MATLAB图形向AutoCAD图形的转换,极大地提高了混凝土随机骨料模型的通用性;所建混凝土模型网格剖分满足骨料、砂浆交界处网格一致性要求,满足有限元分析的需要。