本發(fā)明屬于混凝土微觀數(shù)字試驗前處理技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于循環(huán)邊界和占區(qū)域剔除法的混凝土微觀模型生成算法，所生成的模型可用于混凝土水化過程數(shù)值仿真。

背景技術(shù)：
混凝土是一種多相多尺度的非均質(zhì)材料，由小到微米級別的水泥顆粒和幾厘米、幾十厘米級別的粗骨料組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。在水化過程中混凝土內(nèi)部會產(chǎn)生納米級別的水化硅酸鈣凝膠和膠粒間孔，以上固、液、氣三相共存于水泥基材料中，且呈無序分布狀態(tài)。傳統(tǒng)研究將混凝土理想化為均勻連續(xù)介質(zhì)體，忽略了混凝土微觀層次與宏觀性能的內(nèi)在聯(lián)系。但研究表明：材料的微觀結(jié)構(gòu)對其宏觀行為有著決定性作用，對于給定配合比的水泥基材料，強度和彈性性能的發(fā)展與其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)展密切聯(lián)系。因此對水泥基材料的研究應(yīng)當(dāng)兼顧宏觀性能研究和微觀機理分析，從水泥水化開始認(rèn)識水泥基材料內(nèi)部微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的演化過程，理解水泥基材料在整個使用壽命期內(nèi)物理化學(xué)變化的過程，闡明水泥基材料微細(xì)觀結(jié)構(gòu)形成機理及其與宏觀熱學(xué)性能、力學(xué)性能和變形性能間的關(guān)系，才能從根本上解釋混凝土性能的變化，進(jìn)而為提高混凝土的各項性能奠定基礎(chǔ)。水泥凈漿微觀結(jié)構(gòu)研究是混凝土微觀研究的基礎(chǔ)，其中數(shù)字試驗是一種行之有效的方法，可清晰顯示水泥凈漿微觀結(jié)構(gòu)在水化過程的實時變化，提供水化產(chǎn)物、孔隙分布的所有信息，有利于水泥凈漿微觀結(jié)構(gòu)形成機理研究。為得到準(zhǔn)確的數(shù)字試驗結(jié)果首先要求建立一個合理的水泥凈漿3D微觀數(shù)字模型，按給定水灰比和水泥中四大礦物組分(C3S、C2S、C3A和C4AF顆粒)體積比正確進(jìn)行微觀顆粒投放及網(wǎng)格單元屬性識別。只有合理的水泥凈漿微觀數(shù)字模型是水泥水化過程微觀研究的有效保證。因此尋找一種概念清晰、考慮全面、可用于普通性能計算機的水泥凈漿微觀數(shù)字模型的建模方法，對實現(xiàn)混凝土微觀數(shù)字試驗，開展混凝土微觀結(jié)構(gòu)形成機理研究，建立混凝土宏觀力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)相互聯(lián)系具有十分重要的現(xiàn)實意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種水泥凈漿微觀數(shù)字模型生成算法，以滿足目前水泥基材料水化反應(yīng)研究和早期材料性能預(yù)測的需要，達(dá)到合理、概念清晰、擬合率高的目的。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種水泥凈漿微觀數(shù)字模型生成算法，采用蒙特卡羅法生成水泥凈漿中的各類微觀顆粒的粒徑和形心位置，采用占區(qū)域剔除法實現(xiàn)網(wǎng)格單元屬性識別，采用循環(huán)邊界模擬數(shù)字模型的真實邊界環(huán)境。采用占區(qū)域剔除法實現(xiàn)網(wǎng)格單元屬性識別時，僅對單元形心處于(xi-Ri～xi+Ri，yi-Ri～yi+Ri，zi-Ri～zi+Ri)范圍內(nèi)的網(wǎng)格單元進(jìn)行屬性識別和材料屬性為初始值(Pro-water)的網(wǎng)格單元進(jìn)行材料屬性識別，可大幅度提高識別效率，尤其對于超百萬的數(shù)字試驗?zāi)Ｐ妥R別效率提高明顯。采用循環(huán)邊界模擬數(shù)字模型的真實邊界時，以局部代替整體描述模型微元體真實邊界條件，根據(jù)水泥顆粒組成精確投放各類礦物組分，擬合水泥拌合瞬間的初始狀態(tài)。本發(fā)明中提及的水泥凈漿微觀模型為邊長Lμm的立方體，在三維坐標(biāo)軸上的投影范圍為(0～Lμm，0～Lμm，0～Lμm)，模型網(wǎng)格單元尺寸為1μm；給定擬合模型的水灰比w／c，水泥中四大礦物組分的體積比vi和粒徑范圍四大礦物組分材料屬性記為Proi。以下針對本發(fā)明方法做進(jìn)一步說明，具體內(nèi)容如下：(1)生成微觀顆粒粒徑和形心位置提出采用蒙特卡羅法完成水泥中四大礦物組分微觀顆粒的投放。首先根據(jù)給定的已知條件計算水泥顆粒的體積Vcement和四大礦物組分的體積Vi，如下式所示：Vcement=L3/(w/c+1)(1)Vi=vi×Vcement(2)然后采用混合同余法在[0，1]區(qū)間生成一系列的偽隨機數(shù)μ1～μj，下面簡單說明第i種礦物組分顆粒的投放過程，首先按式(3)所示在其粒徑范圍內(nèi)得到該礦物組分第一個顆粒的粒徑：計算該顆粒的體積后，若Vp1>(1+5％)Vi則表明該顆粒粒徑有誤，需重新投放；反之，記錄第一個顆粒的相關(guān)信息，進(jìn)入第二個顆粒的投放；第二個顆粒投放同樣采用公式(3)生成粒徑R2，計算該顆粒的體積將該體積累加到第一個顆粒的體積上若Vi則表明顆?？傮w積已達(dá)到該礦物組分給定體積，則表明該顆粒粒徑有誤，需重新投放；反之，記錄該顆粒的相關(guān)信息，進(jìn)入下一個顆粒的投放，直至顆?？傮w積表明該礦物組分顆粒投放完畢，進(jìn)入下一種礦物組分顆粒投放；最后，在完成所有水泥礦物組分顆粒投放后，對所有顆粒粒徑按從大到小的順序進(jìn)行排序。(2)模型各網(wǎng)格單元屬性識別采用占區(qū)域剔除法完成模型各網(wǎng)格單元屬性識別，將所有網(wǎng)格單元初始屬性設(shè)定為水，記為Pro-water，下面簡單說明某顆粒i范圍內(nèi)網(wǎng)格單元屬性的識別：采用混合同余法在[0，1]區(qū)間生成一系列的偽隨機數(shù)，采用如式(3)所示的方法隨機生成顆粒i的形心坐標(biāo)(xi，yi，zi)。然后對單元形心處于(xi-Ri～xi+Ri，yi-Ri～yi+Ri，zi-Ri～zi+Ri)范圍內(nèi)的網(wǎng)格單元進(jìn)行屬性識別，若某單元的形心位于顆粒i范圍內(nèi)(如圖3(a)所示)，則認(rèn)為該網(wǎng)格單元屬性為Proi，反之不改變該網(wǎng)格單元屬性(如圖3(b)所示)；在顆粒i范圍內(nèi)(4)在識別過程中，凡是遇到材料屬性不等于Pro-water的網(wǎng)格單元，則認(rèn)為該網(wǎng)格單元是屬于某種礦物組分的，不再需要進(jìn)行材料屬性識別判定，這就是占區(qū)域剔除法。采用占區(qū)域剔除法可以大大提高網(wǎng)格單元識別效率。(3)循環(huán)邊界定義考慮到模型微元體僅為實際水泥漿體的一小部分，因此需要采用循環(huán)邊界作為本發(fā)明中微觀模型的邊界條件，即利用邊界條件替代所選部分(系統(tǒng))受到周邊(環(huán)境)的影響，具體方法如下：對于顆粒i，當(dāng)xi-Ri<0時，需進(jìn)行單元屬性識別的單元范圍包括以下兩部分：(0～xi+Ri，yi-Ri～yi+Ri，zi-Ri～zi+Ri)和(xi-Ri+L～L，yi-Ri～yi+Ri，zi-Ri～zi+Ri)判定條件應(yīng)該分別定義為：在顆粒i范圍內(nèi)(5)式中，x、y、z是識別單元的形心坐標(biāo)；當(dāng)xi+Ri>L時，需進(jìn)行單元屬性識別的單元范圍包括以下兩部分：(xi-Ri～L，yi-Ri～yi+Ri，zi-Ri～zi+Ri)和(0～xi+Ri-L，yi-Ri～yi+Ri，zi-Ri～zi+Ri)判定條件應(yīng)該分別定義為：在顆粒i范圍內(nèi)(6)對于顆粒范圍在y、z軸上超出邊界的情況，同樣采用循環(huán)邊界，參考式(5)、式(6)的方法進(jìn)行分析，如式(7)～(10)所示：在顆粒i范圍內(nèi)(7)在顆粒i范圍內(nèi)(8)在顆粒i范圍內(nèi)(9)在顆粒i范圍內(nèi)(10)本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明可構(gòu)建適用于水泥基水化反應(yīng)研究和早期材料性能預(yù)測的微觀數(shù)字模型，本發(fā)明的算法簡單、識別方法快捷、模型擬合率高、概念清晰、易于使用者掌握和擴(kuò)展。附圖說明圖1水泥凈漿微觀數(shù)字模型生成流程圖；圖2a是水泥凈漿微觀數(shù)字模型內(nèi)水泥顆粒分布示意圖圖2b是水泥凈漿微觀數(shù)字模型內(nèi)C3S顆粒分布示意圖；圖2c是水泥凈漿微觀數(shù)字模型內(nèi)C2S顆粒分布示意圖；圖2d是水泥凈漿微觀數(shù)字模型內(nèi)C3A顆粒分布示意圖；圖2e是水泥凈漿微觀數(shù)字模型內(nèi)C4AF顆粒分布示意圖；圖3a是網(wǎng)格單元屬性識別示意圖(單元的形心位于顆粒i范圍內(nèi))；圖3b是網(wǎng)格單元屬性識別示意圖(單元的形心位于顆粒i范圍外)。具體實施方式下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。本發(fā)明主要步驟流程圖如圖1所示，以下具體結(jié)合附圖說明本發(fā)明的具體實施方法：步驟1，建立邊長為Lμm水泥凈漿微觀立方體模型，單位網(wǎng)格尺寸等于1μm；步驟2，讀入模擬水泥凈漿的水灰比，四大礦物組分含量及其粒徑分布；步驟3，按式(1)計算水泥顆粒體積；步驟4，對四類礦物組分循環(huán)，計算該礦物組分的體積Vi，并按其粒徑分布要求依次生成該礦物組分每個顆粒的粒徑(單位μm，取整)：步驟5，判定是否繼續(xù)進(jìn)行該礦物組分顆粒投放(1)當(dāng)該礦物組分已生成顆粒的總體積Vitol<(1-5％)Vi時，繼續(xù)進(jìn)行該礦物組分顆粒投放，統(tǒng)計該礦物組分已生成顆粒的總數(shù)目和總體積；(2)當(dāng)該礦物組分已生成顆粒的總體積(1-5％)Vi≤Vitol≤(1+5％)Vi時，結(jié)束該礦物組分顆粒投放，統(tǒng)計該礦物組分已生成顆粒的總數(shù)目和總體積；(3)當(dāng)該礦物組分已生成顆粒的總體積Vitol>(1+5％)Vi時，當(dāng)前投放顆粒錯誤，需重新生成粒徑，返回步驟4；步驟6，對所有顆粒循環(huán)，隨機生成顆粒i的形心位置xi，yi，zi；步驟7，進(jìn)行網(wǎng)格單元屬性識別；(1)若xi-Ri≥0，進(jìn)入步驟8；(2)反之，則對(0～xi+Ri，yi-Ri～yi+Ri，zi-Ri～zi+Ri)和(xi-Ri+L～L，yi-Ri～yi+Ri，zi-Ri～zi+Ri)范圍內(nèi)單元行進(jìn)材料屬性識別，若所有滿足式(5)條件的單元材料屬性均為Pro-water，則表明該顆粒位置合理，賦予以上單元新的材料屬性；反之，則表明該顆粒位置錯誤，返回步驟6，投放次數(shù)累加1；步驟8，(1)若xi+Ri≤L，進(jìn)入步驟9；(2)反之，則對(xi-Ri～L，yi-Ri～yi+Ri，zi-Ri～zi+Ri)和(0～xi+Ri-L，yi-Ri～yi+Ri，zi-Ri～zi+Ri)范圍內(nèi)單元行進(jìn)材料屬性識別，若所有滿足式(6)條件的單元材料屬性均為Pro-water，則表明該顆粒位置合理，賦予以上單元新的材料屬性；反之，則表明該顆粒位置錯誤，返回步驟6，投放次數(shù)累加1；步驟9，(1)若yi-Ri≥0，進(jìn)入步驟10；(2)反之，則對(xi-Ri～xi+Ri，0～yi+Ri，zi-Ri～zi+Ri)和(xi-Ri～xi+Ri，yi-Ri+L～L，zi-Ri～zi+Ri)范圍內(nèi)單元行進(jìn)材料屬性識別，若所有滿足式(7)條件的單元材料屬性均為Pro-water，則表明該顆粒位置合理，賦予以上單元新的材料屬性；反之，則表明該顆粒位置錯誤，返回步驟6，投放次數(shù)累加1；步驟10，(1)若yi+Ri≤L，進(jìn)入步驟11；(2)反之，則對(xi-Ri～xi+Ri，yi-Ri～L，zi-Ri～zi+Ri)和(xi-Ri～xi+Ri，0～yi+Ri-L，zi-Ri～zi+Ri)范圍內(nèi)單元行進(jìn)材料屬性識別，若所有滿足式(8)條件的單元材料屬性均為Pro-water，則表明該顆粒位置合理，賦予以上單元新的材料屬性；反之，則表明該顆粒位置錯誤，返回步驟6，投放次數(shù)累加1；步驟11，(1)若zi-Ri≥0，進(jìn)入步驟12；(2)反之，則對(xi-Ri～xi+Ri，yi-Ri～yi+Ri，0～zi+Ri)和(xi-Ri～xi+Ri，yi-Ri～yi+Ri，zi-Ri+L～L)范圍內(nèi)單元行進(jìn)材料屬性識別，若所有滿足式(9)條件的單元材料屬性均為Pro-water，則表明該顆粒位置合理，賦予以上單元新的材料屬性；反之，則表明該顆粒位置錯誤，返回步驟6，投放次數(shù)累加1；步驟12，(1)若zi+Ri≤L，進(jìn)入步驟13；(2)反之，則對(xi-Ri～xi+Ri，yi-Ri～yi+Ri，zi-Ri～L)和(xi-Ri～xi+Ri，yi-Ri～yi+Ri，0～zi+Ri-L)范圍內(nèi)單元行進(jìn)材料屬性識別，若所有滿足式(8)條件的單元材料屬性均為Pro-water，則表明該顆粒位置合理，賦予以上單元新的材料屬性；反之，則表明該顆粒位置錯誤，返回步驟6，投放次數(shù)累加1；步驟12，則對(xi-Ri～xi+Ri，yi-Ri～yi+Ri，zi-Ri～zi+Ri)范圍內(nèi)單元行進(jìn)材料屬性識別，若所有滿足式(4)條件的單元材料屬性均為Pro-water，則表明該顆粒位置合理，賦予以上單元新的材料屬性；反之，則表明該顆粒位置錯誤，返回步驟6，投放次數(shù)累加1；步驟13，重復(fù)步驟6～12直至完成所有顆粒范圍內(nèi)單元識別，若投放次數(shù)超過10000次，表明無法完成顆粒投放失敗返回步驟3重新生成新的一批微觀顆粒粒徑分布。步驟14，輸出所有單元的材料屬性。按照以上步驟構(gòu)建小野田三維水泥凈漿微觀數(shù)字模型，立方體尺寸100μm×100μm×100μm，單元網(wǎng)格尺寸1μm，單元總數(shù)1000000，經(jīng)過水泥顆粒投放和網(wǎng)格單元識別后，得到附圖2所示結(jié)果，微觀模型中水泥顆粒和四大礦物組分顆粒分布合理，模型擬合率高，可用于水泥基材料水化反應(yīng)研究和早期材料性能預(yù)測仿真。