本发明是在进行随机骨料投放时，在考虑骨料的均匀性的情况下进行投放的方法，特别涉及混凝土细观层面的仿真研究。
背景技术：
为了表征不同的材料特性对混凝土的力学性能的影响，常采用随机骨料模型进行仿真研究。由于现实生活中，骨料均匀分布于混凝土中，为表征其均匀性，学者们提出多种表征方法，如贠青青等通过数字图像技术计算厂拌水泥中碎石骨料的相对面积比系数和等效质量比系数来评价骨料均匀性。任青文和张少波等提出用分形维数来评价骨料均匀性。但上述方法均是在随机骨料投放完成后对骨料均匀性进行评价，如需要模拟骨料投放均匀的混凝土材料需要在已有的投放数据中进行筛选，浪费大量的时间。
技术实现要素：
为了解决上述技术问题，本发明提供了在骨料投放过程中考虑骨料均匀性的随机骨料投放方法，该方法使得每次投放生成的随机骨料数据均为满足骨料均匀性的要求的骨料数据，无需再次筛选。
本发明提供的技术方案如下：
一种骨料投放过程中考虑骨料均匀性的随机骨料投放方法：在随机骨料投放的过程中通过判断骨料的均匀性，使得投放所得的骨料均满足骨料均匀性要求，无需再次筛选，提高投放均匀骨料的效率。
进一步，判断骨料均匀性的方法，步骤如下：
步骤1：将投放区域划分为九个等大的投放区域，并将各个区域划分为若干个足够小的单元；
步骤2：进行随机骨料投放，随机投放骨料，通过骨料位置坐标和其半径大小判断骨料覆盖的投放单元为骨料单元，并记录骨料单元的编号；
步骤3：计算各个级配各个区域内的骨料单元数目，当每一级配内各个区域的骨料的单元数目均相近，则认为其满足均匀性要求。
更进一步，判断骨料覆盖的投放单元是否为骨料单元的方法，步骤如下：
步骤1：选择某一单元，计算该单元的形心位置和四个节点的坐标；
步骤2：根据已得到圆形骨料的相关参数判断该单元形心是否在圆形骨料内部；
步骤3：若某单元形心在圆形骨料区域内，需要进一步判断该单元的四个顶点是否在圆形骨料内部，如至少有一个顶点在圆形骨料内部则认为该单元为骨料单元，反之则认为其不是骨料单元；
步骤4：遍历所有的单元，判断各个单元是否在该圆形骨料区域内并记录处于圆形骨料区域的投放单元的编号。
更进一步，判断单元形心是否在圆形骨料内部的方法，步骤如下：
通过计算投放单元形心坐标到圆形骨料圆心的距离，当该距离大于该圆形骨料的半径则判断该单元不在圆形骨料区域内；当该距离小于等于该圆形骨料的半径则判断该单元的形心在圆形骨料区域。
更进一步，判断单元顶点是否在圆形骨料内部的方法，步骤如下：
计算顶点到该圆形骨料圆心的距离，如距离小于等于该圆形骨料半径则认为该节点在圆形骨料区域内；反之则认为该节点在圆形骨料区域外。
进一步，所述骨料随机投放方法，步骤如下：
步骤1：在第1投放区域中投放第一枚骨料，该骨料位置有四种情况，即完全处于第1投放区域、跨越第1、2投放区域、跨越第1、4投放区域以及跨越第1、2、4、5四个投放区域，第1投放区域中骨料形心位置的随机范围为x∈(r,width/3 r)，y∈(r,height/3 r)，其中width为投放区域宽度，height为投放区域高度，r为骨料粒径，骨料粒径随机范围由投放级配确定；
步骤2：当第一枚骨料投放完成后，计算其所占第1投放区域内的单元数目，与第一区域所需的骨料单元数目做差，如差值大于该级配最大骨料所占的单元数目则继续按照上述投放范围进行随机投放；如差值小于该级配最大骨料单元所占的单元数目则计算出剩余一枚骨料的半径，计算公式如下：
固定骨料半径，在第1投放区域内随机投放该骨料即可使得第一区域内所需的骨料数目与骨料所占第一区域的单元数目相近；如已投放骨料的单元数目大于0.9*各个区域内所需要的投放面积的单元数目或已投放骨料的单元数目小于1.2*各个区域内所需要的投放面积的单元数目，则判定该区域内投放完毕进行下一区域的随机骨料投放；
步骤3：进行第2投放区域的骨料投放，其骨料位置的随机区间取为x∈(width/3 r,2*width/3),y∈(r,height/3 r)，该骨料位置有四种情况，即仅存在于第2投放区域中、跨越第2、3投放区域；跨越区域第2、5投放区域；跨越第2、3、5、6投放区域，当区域2中第一枚骨料投放完成后按照步骤2中的方法进行投放至投放完毕；
步骤4：进行第3投放区域的骨料投放，其骨料位置的随机区间取为x∈(2*width/3 r,width-r),y∈(r,height/3 r)，该骨料位置有两种情况，即仅在第3投放区域、跨越第3、6投放区域；当区域3中第一枚骨料投放完成后按照步骤2的方法继续投放至投放完毕；
步骤5：进行第4区域的骨料投放，其骨料位置的随机区间取为x∈(r,width/3 r),y∈(height/3 r,2*height/3 r)，该骨料位置有四种情况，即仅在第4投放区域、跨越第4、5投放区域、跨越第4、7投放区域、跨越第4、5、7、8投放区域，当区域4中的第一枚骨料投放完成后按照步骤2中所述继续投放，如投放完毕则进行下一区域的随机骨料投放；
步骤6：进行第5区域的骨料投放，受到已投放完成骨料的投放区域的限制，其骨料位置的随机区间取为
x∈(width/3 r,2*width/3 r),y∈(height/3 r,2*height/3 r)，该骨料位置有四种情况，即仅处于第5投放区域、跨越第5、6投放区域、跨越第5、8投放区域、跨越第5、6、8、9投放区域，当区域5中的第一枚骨料投放完成后按照步骤2的方法继续投放至投放完毕；
步骤7：进行第6区域的骨料投放，其骨料位置的随机区间取为x∈(2*width/3 r,width-r),y∈(height/3 r,2*height/3 r)该骨料位置有两种情况，即仅处于第6投放区域、跨越第6、9投放区域，当区域6中的第一枚骨料投放完成后按照步骤2中所述继续投放，如投放完毕则进行下一区域的随机骨料投放；
步骤8：进行第7区域的骨料投放，其骨料位置的随机区间取为x∈(r,width/3 r),y∈(2*height/3 r,height-r)该骨料位置有两种情况，即仅处于第7投放区域、跨越第7、8投放区域，当区域7中的第一枚骨料投放完成后按照步骤2的方法继续投放，如投放完毕则进行下一区域的随机骨料投放；
步骤9：进行第8区域的骨料投放，其骨料位置的随机区间取为
x∈(width/3 r,2*width/3 r),y∈(2*height/3 r,height-r)，该骨料位置仅处于第8投放区域、跨越第8、9投放区域；当区域8中的第一枚骨料投放完成后按照步骤2的方法继续投放，至投放完毕；
步骤10：进行第9区域的骨料投放，其骨料位置的随机区间取为x∈(2*width/3 r,width-r),y∈(2*height/3 r,height-r)，该骨料位置处于第9投放区域，当区域9中的第一枚骨料投放完成后按照步骤2的方法继续投放至投放完毕；
步骤11：按照上述方法对各个级配进行逐步投放。
本发明的有益效果：
本发明提供了在随机骨料投放过程中考虑骨料均匀性的随机投放方法，确保投放完成后即满足骨料均匀性的要求，无需再进行均匀性的评价，提高了建立均匀性骨料的随机骨料模型的建模效率和投放效率。
附图说明
图1为骨料投放总流程图；
图2为骨料投放九大分区示意图；
图3为圆形骨料识别示意图；
图4为投放区域1中骨料跨越情况示意图；
图5为投放区域2中骨料跨越情况示意图；
图6为投放区域3中骨料跨越情况示意图；
图7为投放区域4中骨料跨越情况示意图；
图8为投放区域5中骨料跨越情况示意图；
图9为投放区域6中骨料跨越情况示意图；
图10为投放区域7中骨料跨越情况示意图；
图11为投放区域8中骨料跨越情况示意图；
图12为投放区域9中骨料跨越情况示意图；
图13为投放结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步说明，本发明的内容完全不限于此。
实施例
如图1所示，以骨料投放区域为150mm×150mm为例，将骨料投放区域划分为九个等大的投放区域，具体为第1-9投放区域，各个区域内均分为若干个正方形单元，每个投放单元的尺寸为0.5mm×0.5mm。因该方法需要判别所划分单元哪些为骨料单元，所以该判别方法如下所示：
(1)选择某一投放单元，计算该投放单元的形心位置和四个节点的坐标。
(2)根据已得到圆形骨料的相关参数判断该单元形心是否在圆形内部。如图2所示，当选择单元为单元1时，单元1的形心为c1，圆形骨料的圆心为o点，oc1的距离为d1，由于d1的长度大于该圆形骨料的半径r，因此认为该单元不属于该圆形骨料。当选择的单元为单元2时，单元2的形心为c2，oc2的距离为d2，由于d2小于该圆形骨料的半径r，则判断该单元的形心在圆形骨料区域。
(3)如某单元形心在圆形骨料区域内，判断其四个节点是否在圆形骨料区域内。计算其节点到该圆形骨料圆心的距离，如距离小于等于该圆形骨料半径r则认为该节点在圆形骨料区域内，反之则认为该节点在圆形骨料区域外。当至少由一个节点在圆形骨料区域范围内，即认为该单元属于骨料单元，否则认为该单元不是骨料单元。
(4)遍历所有单元，判断各个单元是否在该圆形骨料区域内并记录处于圆形骨料区域的单元单元号。
随机骨料投放过程如下：
(1)在投放区域1中投放第一枚骨料，如图3所示，该骨料位置有四种情况，即完全处于第一区域、跨越第1、2区域、跨越第1、4区域以及跨越第1、2、4、5四个区域。因此区域1中骨料位置的随机范围为x∈(r,width/3 r)，y∈(r,height/3 r)其中width为投放区域宽度，height为投放区域高度，r为骨料粒径，骨料粒径随机范围由投放级配确定。
(2)当第一枚骨料投放完成后，计算其所占第一区域内的单元数目，与第一区域所需的骨料单元数目做差，如差值大于该级配最大骨料所占的单元数目则继续按照上述投放范围进行随机投放；如差值小于该级配最大骨料单元所占的单元数目则计算出剩余一枚骨料的半径，计算公式如下：
固定骨料半径，在区域1内随机投放该骨料即可使得第一区域内所需的骨料数目与骨料所占第一区域的单元数目相近；如已投放骨料的单元数目大于0.9*各个区域内所需要的投放面积的单元数目或已投放骨料的单元数目小于1.2*各个区域内所需要的投放面积的单元数目，则判定该区域内投放完毕进行下一区域的随机骨料投放。
(3)进行第二区域的骨料投放，因第一区域所需的骨料单元数目已达到要求，所以第二区域所投放骨料不能侵入第一区域。其骨料位置的随机区间取为x∈(width/3 r,2*width/3),y∈(r,height/3 r)。如图4所示，该骨料位置有四种情况，即仅存在于区域2中、跨越区域2、3；跨越区域2、5；跨越区域2、3、5、6。当区域2中第一枚骨料投放完成后按照步骤(2)中所述进行投放，如投放完毕则进行下一区域的随机骨料投放。
(4)进行第3区域的骨料投放，因第2区域所需的骨料单元数目已达到要求，故第3区域投放的骨料不能侵入第2区域。其骨料位置的随机区间取为x∈(2*width/3 r,width-r),y∈(r,height/3 r)。如图5所示，该骨料位置有两种情况，即仅在区域3中、跨越区域3、6。当区域3中第一枚骨料投放完成后按照步骤(2)中所述继续投放，如投放完毕则进行下一区域的随机骨料投放。
(5)进行第4区域的骨料投放，因第1、2区域所需的骨料单元数目已达到要求，故第4区域投放的骨料不能侵入第1、2区域。其骨料位置的随机区间取为x∈(r,width/3 r),y∈(height/3 r,2*height/3 r)。如图6所示，该骨料位置有四种情况，即仅在第4区域内、跨越第4、5区域、跨越第4、7区域、跨越第4、5、7、8区域。当区域4中的第一枚骨料投放完成后按照步骤(2)中所述继续投放，如投放完毕则进行下一区域的随机骨料投放。
(6)进行第5区域的骨料投放，因第1、2、3、4区域所需的骨料单元数目已达到要求，故第5区域投放的骨料不能侵入第1、2、3、4区域。其骨料位置的随机区间取为x∈(width/3 r,2*width/3 r),y∈(height/3 r,2*height/3 r)。如图7所示，该骨料位置有四种情况，即仅处于第5区域内、跨越5、6区域、跨越5、8区域、跨越5、6、8、9区域。当区域5中的第一枚骨料投放完成后按照步骤(2)中所述继续投放，如投放完毕则进行下一区域的随机骨料投放。
(7)进行第6区域的骨料投放，因第2、3、5区域所需的骨料单元数目已达到要求，故第6区域投放的骨料不能侵入第2、3、5区域。其骨料位置的随机区间取为x∈(2*width/3 r,width-r),y∈(height/3 r,2*height/3 r)。如图8所示，该骨料位置有两种情况，即仅处于第6区域、跨越第6、9区域。当区域6中的第一枚骨料投放完成后按照步骤(2)中所述继续投放，如投放完毕则进行下一区域的随机骨料投放。
(8)进行第7区域的骨料投放，因第4、5区域所需的骨料单元数目已达到要求，故第7区域投放的骨料不能侵入第4、5区域。其骨料位置的随机区间取为x∈(r,width/3 r),y∈(2*height/3 r,height-r)。如图9所示，该骨料位置有两种情况，即仅处于第7区域、跨越第7、8区域。当区域7中的第一枚骨料投放完成后按照步骤(2)中所述继续投放，如投放完毕则进行下一区域的随机骨料投放。
(9)进行第8区域的骨料投放，因第4、5、6、7区域所需的骨料单元数目已达到要求，故第8区域投放的骨料不能侵入第4、5、6、7区域。其骨料位置的随机区间取为x∈(width/3 r,2*width/3 r),y∈(2*height/3 r,height-r)。如图10所示，该骨料位置有两种情况，即仅处于第8区域、跨越第8、9区域。当区域8中的第一枚骨料投放完成后按照步骤(2)中所述继续投放，如投放完毕则进行下一区域的随机骨料投放。
(10)进行第9区域的骨料投放，因第5、6、8区域所需的骨料单元数目已达到要求，故第9区域投放的骨料不能侵入第5、6、8区域。其骨料位置的随机区间取为x∈(2*width/3 r,width-r),y∈(2*height/3 r,height-r)。如图11所示，该骨料位置仅有一种情况，即仅处于第9区域。当区域9中的第一枚骨料投放完成后按照步骤(2)中所述继续投放，如投放完毕则进行下一区域的随机骨料投放。
(11)按照上述方法对各个级配进行逐步投放。
如选择骨料粒径为(10～15)mm，(5～10)mm的二级配混凝土，个级配骨料面积含量为2394mm2、4104mm2。投放结果如图12所示，各区域面积如下表所示。
由上表可知各个区域所投放面积均相近，满足骨料均匀性需求。
本发明的保护范围不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。
1.一种骨料投放过程中考虑骨料均匀性的随机骨料投放方法，其特征在于：在随机骨料投放的过程中通过判断骨料的均匀性，使得投放所得的骨料均满足骨料均匀性要求，无需再次筛选，提高投放均匀骨料的效率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，判断骨料均匀性的方法，步骤如下：
步骤1：将投放区域划分为九个等大的投放区域，并将各个区域划分为若干个足够小的单元；
步骤2：进行随机骨料投放，随机投放骨料，通过骨料位置坐标和其半径大小判断骨料覆盖的投放单元为骨料单元，并记录骨料单元的编号；
步骤3：计算各个级配各个区域内的骨料单元数目，当每一级配内各个区域的骨料的单元数目均相近，则认为其满足均匀性要求。
3.根据权利要求2中所述的骨料投放过程中考虑骨料均匀性的随机骨料投放方法，其特征在于，判断骨料覆盖的投放单元是否为骨料单元的方法，步骤如下：
步骤1：选择某一单元，计算该单元的形心位置和四个节点的坐标；
步骤2：根据已得到圆形骨料的相关参数判断该单元形心是否在圆形骨料内部；
步骤3：若某单元形心在圆形骨料区域内，需要进一步判断该单元的四个顶点是否在圆形骨料内部，如至少有一个顶点在圆形骨料内部则认为该单元为骨料单元，反之则认为其不是骨料单元；
步骤4：遍历所有的单元，判断各个单元是否在该圆形骨料区域内并记录处于圆形骨料区域的投放单元的编号。
4.根据权利要求3所述的骨料投放过程中考虑骨料均匀性的随机骨料投放方法，其特征在于，判断单元形心是否在圆形骨料内部的方法，步骤如下：
通过计算投放单元形心坐标到圆形骨料圆心的距离，当该距离大于该圆形骨料的半径则判断该单元的形心不在圆形骨料区域内；当该距离小于等于该圆形骨料的半径则判断该单元的形心在圆形骨料区域。
5.根据权利要求3所述的骨料投放过程中考虑骨料均匀性的随机骨料投放方法，其特征在于，判断单元顶点是否在圆形骨料内部的方法，步骤如下：
计算顶点到该圆形骨料圆心的距离，如距离小于等于该圆形骨料半径则认为该节点在圆形骨料区域内；反之则认为该节点在圆形骨料区域外。
6.根据权利要求2中所述的骨料投放过程中考虑骨料均匀性的随机骨料投放方法，其特征在于，所述骨料随机投放方法，步骤如下：
步骤1：在第1投放区域中投放第一枚骨料，该骨料位置有四种情况，即完全处于第1投放区域、跨越第1、2投放区域、跨越第1、4投放区域以及跨越第1、2、4、5四个投放区域，第1投放区域中骨料形心位置的随机范围为x∈(r,width/3 r)，y∈(r,height/3 r)，其中width为投放区域宽度，height为投放区域高度，r为骨料半径，骨料粒径随机范围由投放级配确定；
步骤2：当第一枚骨料投放完成后，计算其所占第1投放区域内的单元数目，与第一区域所需的骨料单元数目做差，如差值大于该级配最大骨料所占的单元数目则继续按照上述投放范围进行随机投放；如差值小于该级配最大骨料单元所占的单元数目则计算出剩余一枚骨料的半径，计算公式如下：
固定骨料半径，在第1投放区域内随机投放该骨料即可使得第一区域内所需的骨料数目与骨料所占第一区域的单元数目相近；如已投放骨料的单元数目大于0.9*各个区域内所需要的投放面积的单元数目或已投放骨料的单元数目小于1.2*各个区域内所需要的投放面积的单元数目，则判定该区域内投放完毕进行下一区域的随机骨料投放；
步骤3：进行第2投放区域的骨料投放，其骨料位置的随机区间取为x∈(width/3 r,2*width/3),y∈(r,height/3 r)，该骨料位置有四种情况，即仅存在于第2投放区域中、跨越第2、3投放区域；跨越区域第2、5投放区域；跨越第2、3、5、6投放区域，当区域2中第一枚骨料投放完成后按照步骤2中的方法进行投放至投放完毕；
步骤4：进行第3投放区域的骨料投放，其骨料位置的随机区间取为x∈(2*width/3 r,width-r),y∈(r,height/3 r)，该骨料位置有两种情况，即仅在第3投放区域、跨越第3、6投放区域；当区域3中第一枚骨料投放完成后按照步骤2的方法继续投放至投放完毕；
步骤5：进行第4区域的骨料投放，其骨料位置的随机区间取为x∈(r,width/3 r),y∈(height/3 r,2*height/3 r)，该骨料位置有四种情况，即仅在第4投放区域、跨越第4、5投放区域、跨越第4、7投放区域、跨越第4、5、7、8投放区域，当区域4中的第一枚骨料投放完成后按照步骤2中所述继续投放，如投放完毕则进行下一区域的随机骨料投放；
步骤6：进行第5区域的骨料投放，受到已投放完成骨料的投放区域的限制，其骨料位置的随机区间取为
x∈(width/3 r,2*width/3 r),y∈(height/3 r,2*height/3 r)，该骨料位置有四种情况，即仅处于第5投放区域、跨越第5、6投放区域、跨越第5、8投放区域、跨越第5、6、8、9投放区域，当区域5中的第一枚骨料投放完成后按照步骤2的方法继续投放至投放完毕；
步骤7：进行第6区域的骨料投放，其骨料位置的随机区间取为x∈(2*width/3 r,width-r),y∈(height/3 r,2*height/3 r)该骨料位置有两种情况，即仅处于第6投放区域、跨越第6、9投放区域，当区域6中的第一枚骨料投放完成后按照步骤2中所述继续投放，如投放完毕则进行下一区域的随机骨料投放；
步骤8：进行第7区域的骨料投放，其骨料位置的随机区间取为x∈(r,width/3 r),y∈(2*height/3 r,height-r)该骨料位置有两种情况，即仅处于第7投放区域、跨越第7、8投放区域，当区域7中的第一枚骨料投放完成后按照步骤2的方法继续投放，如投放完毕则进行下一区域的随机骨料投放；
步骤9：进行第8区域的骨料投放，其骨料位置的随机区间取为
x∈(width/3 r,2*width/3 r),y∈(2*height/3 r,height-r)，该骨料位置仅处于第8投放区域、跨越第8、9投放区域；当区域8中的第一枚骨料投放完成后按照步骤2的方法继续投放，至投放完毕；
步骤10：进行第9区域的骨料投放，其骨料位置的随机区间取为x∈(2*width/3 r,width-r),y∈(2*height/3 r,height-r)，该骨料位置处于第9投放区域，当区域9中的第一枚骨料投放完成后按照步骤2的方法继续投放至投放完毕；
步骤11：按照上述方法对各个级配进行逐步投放。
技术总结