ABAQUS隨機骨料建模插件V1.0

1. 插件簡介

Random Aggregate Modeling V1.0 是一款基于Python 3語言開發的ABAQUS插件，用于建立3D隨機骨料模型。該插件可實現多種單一形狀（如球形、橢球形和多面體）或混合形狀的骨料模型的生成，插件采用運動模擬的動態算法，能夠高效地生成高骨料體積分數的骨料模型，提高工作效率，在復合材料數值模擬研究領域具有廣闊的應用前景。

本插件適用的ABAQUS版本：ABAQUS 2024及以后的版本。

2. 插件界面介紹

插件包括主界面（Main Window）和參數界面（Parameters）。

2.1. 主界面

主界面用于設置隨機骨料模型的主要參數，具體如下：

Model：指定創建的新部件位于ABAQUS中哪個模型。

Part：指定所要創建的新部件名稱。

Container：隨機骨料模型的外形，簡稱容器，分為長方體（Cuboid）和圓柱體（Cylinder）兩種。

Cuboid：長方體容器，其左下角位于（0, 0, 0），右上角位于（length，width, height）。可以指定是否具有周期性（Periodic），如果不勾選Periodic，則所有骨料都位于容器內部；若Periodic選項被勾選，則骨料會被邊界切割，并成周期性分布。

Cylinder：圓柱體容器，旋轉軸為Z軸，其底面端面的中心為（0, 0, 0），頂部端面的中心為（0, 0, height），旋轉半徑為Radius。圓柱體容器無周期性屬性

Margin：限定骨料表面到容器邊界的距離，根據容器是否為周期性，可分為兩種情況。當容器無周期性時，Margin表示骨料邊界到容器邊界的最小允許距離，如圖2（a）所示；當容器有周期性時，Margin表示骨料表面與容器邊界的最小重疊深度，如圖2（b）所示。

圖1 插件主界面

（a）非周期性

 （b）周期性

圖2 容器的Margin參數示意圖

Aggregates：骨料主要參數設置，可以指定骨料的級配（Particle Size Distribution）、骨料體積分數（Volume Fraction）、骨料間的最小間距（Min Distance）。

骨料級配的參數包括骨料形狀（Shape，目前有三種球形、橢球形和多面體），粒徑上限（Dmax）、下限（Dmin），以及該粒徑段骨料體積占總骨料體積的比例（Proportion）。此外，還可以對每個粒徑段的骨料設置集合名稱（SetName），模型生成時對不同集合的骨料單獨創建部件或集合。注意，這里所說的骨料粒徑定義為具有相同體積的球形骨料的直徑。

Volume Fraction：骨料總體積與容器體積的比值。

Min Distance：骨料間的最小間距。在實際應用中，Min Distance應該大于兩倍的ITZ厚度；間距越大，有限元網格的單元尺寸可以設置的更大，有效減小有限元網格的規模。

2.2. 參數界面

參數界面用于設置骨料形狀參數和隨機填充算法的控制參數，如圖3所示。當默認設置無法滿足建模需求時，可以嘗試調整。

（1）橢球（繞X軸的旋轉橢球）

Axis Ratio：橢球旋轉半徑和橢球旋轉軸一半的比值。通過調整Axis Ratio的最小值和最大值來控制橢球的形狀。

（2）多面體

單個多面體的生成過程：在單位球中隨機構造一個隨機的四面體，然后在此四面體的基礎上，依次添加新的隨機點和原來的四面體構成一個新的多面體，直至多面體的體積到達預定值，或沒法再添加新點為止。采用體積率（Vol Ratio）控制多面體的形態（扁平—圓潤）。體積率定義為多面體體積與其最小包圍球體積的比值。可參考表1中單位球內接正多面體的數據進行設置。為了避免多面體產生短邊，插件限定了多面體頂點間的最小距離（Min Point Dist）。注意，Min Point Dist是單位球中生成多面體的限定參數。為了避免多面體過于尖銳，限定了多面體表面三角形所含的最小角度（默認15度）。

本插件通過提前批量生成單位多面體，構造多面體的庫，高效地控制多面體的級配。用戶可以指定預生成的多面體的數量（Number of Polyhedrons）。當多面體庫（Polyhedron Library）構造完成后，依據主界面的級配和多面體的最小邊長（Min Edge of Polyhedron）從多面體庫隨機選取多面體縮放至所需粒徑的多面體。Min Edge of Polyhedron參數限定了（縮放后）多面體的最小邊長，可作為網格劃分尺寸的一個參考（另一個是骨料間的最小間距）。

表1 單位球內接正多面體數據

多面體類型（面數）	頂點數	邊長	體積	體積率
4	4	1.633	0.513	0.122
6	8	1.155	1.540	0.368
8	6	1.414	1.333	0.318
12	20	0.714	2.785	0.665
20	12	1.052	2.536	0.606

圖3 插件參數界面

（3）骨料投放算法的參數

骨料投放算法的主要原理：首先把骨料全部投放到容器中，允許骨料重疊；將骨料間的重疊視為擠壓彈性變形，根據骨料間的刺入深度向量計算出骨料間的排斥力和彈性勢能；按骨料所受排斥力合力的方向移動骨料，逐步更新整個骨料模型的空間結構，直至骨料間的重疊完全消失。其中骨料移動的步長（Stride）在循環過程中逐步減小，當步長小于設定的最小步長時（StrideEnd），程序中止（投放失敗）。

3. 插件試用與購買

3.1 插件下載

插件只適用于ABAQUS2024（支持Python3）及以上

百度網盤分享的文件：Random Aggregate Modeling (V1.0).rar

鏈接： https://pan.baidu.com/s/12W4MvX9raiwg-8pJRfC6ag?pwd=2evc  

提取碼: 2evc

了解后續更新，請看知乎鏈接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/19716915472

3.2 插件激活

使用插件完整版功能需要激活，請聯系南極動物號：1913905197

未激活的插件功能受限，包括：

（1）對骨料級配有且只能設置三行，且不能修改預設的占比（Proportion），不能使用SetName設置集合的功能。

（2）當骨料體積分數大于0.3時，骨料形狀只允許全為球形（Sphere）。

3.3. 插件安裝

解壓插件壓縮包，將解壓文件夾內的插件文件夾（Random Aggregate Modeling (V1.0)）拷貝到AbAQUS的插件安裝路徑下。這里給出三種可選的插件安裝路徑，但只能選擇其中一個，不得多路徑安裝相同的插件。

（1）ABAQUS安裝時指定的插件路徑，示例如下（ABAQUS 2024）：

（2）ABAQUS軟件自帶的插件路徑，示例如下：

（3）C盤用戶插件路徑，示例如下：

4. 一些案例