復合材料細觀模型的建立和分析已經非常成熟，存在大量的相關文獻，有二維、三維的、以及各式各樣的骨料形式，如二維：圓形、橢圓形、隨機多邊形等等；三維：球形、橢球形、隨機凹凸多邊形等等。建立的有限元模型的類型主要分為兩種：網格映射的骨料模型、幾何邊界的骨料模型。

        兩種建模方法的側重點不一樣，各具特色。其中網格映射是在已有的網格基礎上進行分區定義材料屬性，無需修改模型，形成的模型較規整；而幾何邊界劃分形成的骨料形狀則是精確描述骨料形狀，并可以通過邊界嵌入Cohesive單元層模擬界面特征，但網格劃分過程中，容易出現形狀不佳的網格，特別對于三維模型，大多數情況下只能采用四面體網格進行劃分。通常根據研究的內容確定仿真最終效果，再選擇合適的仿真建模方法。

        為了實現骨料的生成和隨機投放生成有限元分析模型，往往需要耗費大量的精力進行編程，而采用的語言以Matlab為主，也是在校研究生比較熟悉的編程工具，我們之前也編寫過Matlab的骨料嵌入程序，使用過后主要存在一下弊端：

• 形成的結構形式簡單，通常為圓形或方形邊界形式為主，對于復雜結構適用性差；

• 骨料投放速度有限，特別對于骨料占比較高的模型生成，所需試錯時間較多；

• 生成的數據無法直接形成模型，需要通過其他軟件或二次開發生成有限元模型。

        為了解決這一系列問題，在ABAQUS軟件的基礎上，開發了POLARIS_MesoConcrete插件，用于生成復合材料細觀模型。

                                                          【功能簡介】

        這是一款Abaqus插件，由星辰北極星團隊開發，用于生成二維、三維復合材料細觀模型，是一款前處理插件?？蓪崿F任意幾何外形中嵌入骨料和孔隙，也可以生成二維矩形或三維長方體周期性細觀模型；支持的骨料形式多樣，其中二維支持：圓、橢圓、正多邊形、隨機多邊形；三維支持：球、橢球、隨機12和24面體。插件使用簡單，并可同時生成網格拓撲骨料和幾何刨分骨料的有限元模型，避免繁瑣的建模過程，大大節約使用者的時間，提高工作效率。

                                                          【特征解讀】

1）支持任意幾何外形：對于二維平面問題，只能在plane中嵌入骨料；對于三維模型，只能在solid實體部件中嵌入骨料。而任意幾何外形，則表示部件的性質可以任意，只需提前進行網格刨分。

2）支持部件全局或局部區域嵌入骨料，這樣可以滿足一些鋼筋、錨固件等位置上不能嵌入骨料的需求。

3）周期性細觀模型更貼合單胞分析需求，且能實現更高骨料含量模型創建，避免傳統方式的模型邊界存在一層純砂漿區域。

4）支持骨料和孔隙：復合材料攪拌過程中會卷入空氣而無法排除，因此，二維中支持骨料相同幾何類型的孔隙；三維中支持球形和橢球形孔隙。

5）二維支持骨料幾何類型：圓、橢圓、正多邊形、隨機多邊形；其中多邊形的邊數量可隨著面積增大而增大；隨機多邊形是在正多邊形的基礎上，通過節點徑向和環向波動生成的隨機凹凸多邊形。

6）三維支持骨料幾何類型：球、橢球、隨機12和24面體；其中隨機12和24面體是在橢球形多面體的基礎上，通過節點在徑向和周向波動生成的隨機凹凸多面體。

7）在原有模型基礎上同時生成網格拓撲骨料和幾何刨分骨料的有限元模型，拓撲骨料是在原有網格基礎上，通過單元分組定義材料屬性，實現骨料、漿體以及界面單元的區分；

8）支持富勒公式的二維、三維骨料級配、以及泰波三維骨料級配；

9）如果需要更多級配或骨料形式，可以提供計算公式，進行定制化開發。

                                                              【插件更新】

【V2.1】2020年07月05日發布

更新內容：

1. 完善：刪除原三維48面體骨料，改為12面體和24面體骨料，降低模型復雜度，提高生成率；

2. 完善：優化嵌入算法，極大降低骨料相互嵌入概率，同時提升嵌入速率；

3. 新增：二維正多邊形骨料、隨機多邊形骨料以及三維多面體骨料，增加橢化系數；

4. 新增：建模的區域類型增加：二維矩形（Box_2D）和三維長方體（Box_3D）兩種方式，并可以定義周期性幾何條件，且當選擇二維矩形時，可拉伸為三維平板模型；

5. 新增：級配表格中新增骨料類型定義，可實現不同級配骨料定義不同形狀骨料；

6. 新增：骨料間隙定義

7. 新增：級配定義的查看和存儲功能。

【V1.2】2018年09月29日發布

更新內容：

1. 修復：當選擇離散體網格時，提示用戶只能生成網格映射骨料模型，不能生成幾何刨分骨料模型；

2. 修復：6.13以下版本三維模型生成出錯Bug；

3. 修復：部件名字容易超出38個字符，采用簡寫；

4. 完善：優化骨料位置確定后單元信息算法更新；

5. 完善：模型單元數量超出500000時給定提示信息；

6. 完善：界面重新設計，合并二維和三維操作界面；

7. 完善：骨料生成過程相鄰節點之間的半徑變化范圍控制在一定范圍以內；

8. 新增：記錄用戶上一次輸入的數據；

9. 新增：增加部件類型選擇，可單獨生成映射網格或幾何刨分模型；

10. 新增：增加像素void網格刪除選項，刪除后將變成孤立網格體；

11. 新增：增加骨料分組功能。

【V1.1】2017年10月13日首版發布

Video Introduction按鈕：點擊后可以跳轉到視頻介紹鏈接，請在聯網狀態下點擊，否則無法觀看。

Documentation按鈕：點擊后可以在網頁狀態下，打開幫助文檔。

Regions區塊：選擇嵌入骨料的整個部件Part All或者部件上的Set集區域Part Set，注意部件必須是二維的，Set集內需要包含面信息。

Aggregate區塊：定義骨料的類型和對應的參數；

                                                        【骨料級配】

POLARIS_MesoConcreteGrading骨料級配數據計算插件支持三種計算方法，分別為：

• Fuller_3D，富勒級配，計算三維骨料級配，P_k為總的骨料含量。

• Fuller_2D，富勒級配+瓦拉文，計算二維骨料級配。

• Taibal_3D，泰波級配，計算三維骨料級配，n為指數型系數，通常大于0.3，小于0.7

                                                        【參考文獻】

二維隨機多邊形算法可參考：汪奔《基于網格生成的隨機凹凸型混凝土骨料細觀建模方法》計算力學學報

三維隨機多邊形算法可參考：汪奔《三維隨機凹凸型混凝土骨料細觀建模方法研究》應用力學學報

                                                        【定制開發】

定制骨料類型：雖然已經提供了足夠的二維和三維的骨料類型，可以滿足大多數復合材料細觀結構的分析需求，但不排除特殊骨料生成算法或特定幾何形狀的骨料，我們都可為您提供定制化解決方案。

定制級配公式：如果您有特殊級配計算公式是插件目前還沒有的，只需要給定計算公式，我們將實現，并集成到插件當中。

其它定制開發需求：如果您有其他的應用需求，同樣可以和我們聯系，進行合作開發。

                                                        【案例演示】

二維方形試件嵌入隨機多邊形骨料

二維周期性骨料模型示例

二維任意多邊形嵌入隨機多邊形骨料

二維五角形嵌入隨機多邊形骨料

三維單根鋼筋模型嵌入隨機多邊形骨料

三維周期性骨料模型示例

二維平板拉伸模型示例