細觀的案例
輕骨料混凝土細觀損傷演化分析
(a)輕骨料混凝土骨料內聚力單元 (b)界面過渡區內聚力單元 (c)砂漿內聚力單元
圖2 輕骨料混凝土細觀模型中內聚力單元示意圖
2.1.3 輕骨料混凝土細觀模型的建立
采用1.5mm的單元尺寸網格對生成的多邊形輕骨料混凝土模型進行單元劃分，同時在輕骨料混凝土模型的全局區域內嵌入內聚力單元，這樣將會形成足夠精細的裂紋擴展區，使得輕骨料混凝土的裂紋擴展與真實混凝土裂紋擴展更加類似，由于內聚力單元非線性的損傷演化，為提高輕骨料混凝土細觀模型分析的收斂性，采用Abaqus動力顯式模塊進行準靜態分析，且加載過程中采用速度平滑加載來實現準靜態加載過程。
輕骨料混凝土細觀模型尺寸為100mm×300mm，輕骨料混凝土細觀數值模型單軸受壓如圖3所示。
圖3 輕骨料混凝土細觀數值模型單軸受壓示意圖
2.2 輕骨料混凝土細觀組分本構關系
砂漿與骨料之間的界面過渡區（ITZ）、輕骨料內界面和砂漿內界面（MII）均采用內聚力單元模擬，內聚力模型采用了適用于模擬裂縫的牽引力-分離本構關系，本文采用的是沒有幾何厚度的內聚力單元，因此在進行數值分析時，需要假設一個初始厚度，在ABAQUS軟件中默認零厚度內聚力單元的初始厚度為1。由于開裂位移很難測定，本文通過斷裂能參數 來表示位移參數，斷裂能與開裂位移的關系如下：
2.3 輕骨料混凝土單軸受壓數值模擬
輕骨料混凝土受壓模擬破壞結果如圖4所示，本文模擬得到的輕骨料混凝土應力應變曲線與王振宇等人開展的輕骨料混凝土試驗結果進行對比，如圖5所示。可知通過細觀模型得到輕骨料混凝土應力應變曲線與試驗吻合較好，表明模型能夠有效預測輕骨料混凝土的力學響應以及參數選取的合理性。
展開 三維隨機纖維-球體骨料細觀混凝土模型/細觀混凝土/纖維混凝土 ￥369
在前面的視頻中已經有了三維隨機球體骨料的細觀模型建立方法和靜力抗壓仿真分析的方法（課程封面如圖）。
簡單三維球體細觀模型的課程已更新一年半有余，后臺私信和留言中有不少同學咨詢“怎么添加纖維/有沒有纖維混凝土的模型”，由于之前一直在忙著干其他的事情，最近心血來潮，那么今天就寫了這個帖子，分享自己關于在三維細觀混凝土模型中添加纖維的一些思路和腳本建立方法。
三維隨機纖維-球體骨料細觀混凝土模型——四相（砂漿、骨料、ITZ和纖維）組分的復合混凝土模型組成效果和仿真效果如下。
在前邊的三維隨機球體模型中，投放骨料的思路十分簡單，只需要使用python代碼隨機生成一個球體特征數據，再與已存儲的球體數據進行判斷（判斷球心距與兩球體半徑之和）即可。若球心距大于半徑之和則存儲在骨料數據庫中，進行下一個球體的生成與判斷；若小于，則不存儲，進行下一個球體的生成判斷。最后使用python與abaqus之間的接口，把數據轉化為圖形即可。
把這個思路放到纖維與骨料之間的判斷中來，似乎也能進行相應的判斷。只需要生成隨機的纖維，用纖維端點坐標與骨料球心坐標，計算出球心到直線的距離就可以了，如下圖所示。
使用點到直線的距離公式判斷球體與纖維的相交，這樣看著好像沒啥問題，但其實纖維能在混凝土中分布的區域已經大大縮小了。如下圖所示，當纖維的方向指向骨料時，雖然纖維與骨料并沒有相交，但簡單地使用點到直線的距離公式，會被判斷為相交狀態，這根纖維就將被認為不能放在混凝土中。
展開 ABAQUS二維隨機多邊形骨料界面過渡區混凝土細觀建模
ABAQUS二維隨機多邊形骨料及界面過渡區（ITZ）的混凝土細觀建模研究，可有效揭示混凝土內部多相復合結構的力學響應機理。該模型能夠真實反映骨料隨機分布特征及ITZ對裂縫萌生與擴展的影響，為準確模擬混凝土損傷演化過程、預測宏觀力學性能提供理論基礎，對提升混凝土結構耐久性與安全性具有重要意義。本案例介紹在ABAQUS內建立多邊形骨料、界面過渡區（ITZ）、水泥砂漿基體多相材料混凝土細觀有限元模型。
混凝土細觀模型采用CAD隨機多邊形2D插件專業版參數化建模生成，將CAD中的混凝土各組分內容分別另存為dxf格式，以備導入ABAQUS內。
在ABAQUS內將混凝土細觀圖形以草圖的形式分別導入。
利用草圖建立混凝土模型中各組分的部件。
對混凝土中各組分分別設置材料屬性，如進行混凝土細觀力學分析時，可采用EasyCDP Mortar&ITZ插件快速設置混凝土損傷塑性材料模型參數。
將混凝土細觀模型中的砂漿、骨料、ITZ部件進行裝配。
進行混凝土細觀模型的網格劃分，可采用四邊形或三角形單元類型。
后續可根據研究的需要進行混凝土細觀模型的模擬分析，如混凝土的受壓損傷開裂等。
二維多邊形骨料混凝土細觀模型的受壓損傷模擬教程可以參考：ABAQUS多邊形骨料ITZ混凝土細觀受壓開裂論文復現視頻
展開 COMSOL建立多邊形骨料ITZ二維混凝土細觀模型
混凝土細觀模型在有限元分析中突破傳統均質假設，通過精確模擬骨料、水泥漿體及界面過渡區的多相結構，精準預測微裂縫萌生、擴展與貫通過程。它顯著提升數值模擬精度，揭示損傷演化機制，為混凝土性能預測、結構優化設計提供科學依據，實現微觀結構到宏觀性能的精準關聯，有效支撐混凝土工程的可靠評估與創新設計。本案例介紹在COMSOL內建立包含骨料、砂漿、ITZ在內的多組分混凝土細觀有限元二維模型。
混凝土細觀模型中的粗骨料及界面過渡區ITZ幾何圖形通過CAD隨機多邊形插件2D專業版建模生成。在AutoCAD中建立混凝土細觀模型草圖后，將已分圖層繪制的各組分內容分別另存為dxf格式文件，以備導入到COMSOL內。
將保存的混凝土各組分圖形分別導入到COMSOL，并通過布爾運算建立多邊形骨料、ITZ、水泥砂漿基體混凝土細觀模型。具體操作步驟可參考下圖左側模型開發器中組件下的幾何模塊。
對混凝土細觀模型中的各組分分別設置材料屬性。
添加研究并劃分網格。
后續可根據研究的需要完成混凝土細觀有限元模型的仿真模擬。
展開 
【原創成果】細觀混凝土、UHPC數值建模與非線性斷裂模擬
作為典型的非均質工程復合材料，普通混凝土、超高性能混凝土(UHPC)、纖維混凝土(FRC)、纖維復合材料(FRP)等的斷裂是局部微小裂隙、孔洞、各相界面等初始缺陷從起裂、擴展至融合為宏觀裂縫的過程，該過程橫跨微觀、細觀、宏觀等多個尺度，因此采用多尺度實驗和計算模擬等手段進行研究成為自然的選擇。現有國內外研究一般將這些復合材料等效為各向同性均勻介質，建立模型比較方便，能夠獲得結構的宏觀響應例如荷載-位移曲線等。但這些宏觀均質模型未模擬隨機分布的骨料、纖維、界面及孔洞等細觀特征，較難精確闡明材料破壞的多尺度機理。與宏觀均質模擬相比，細觀計算模擬目前具有兩方面挑戰：一方面需要模擬復雜的細觀各相材料及其相互作用；另一方面需要求解大規模非線性方程，準確模擬損傷斷裂中的材料軟化現象。
目前，混凝土、UHPC細觀模型主要有兩種直接建模方法，一種是基于骨料、纖維的形態和分布予以假設的隨機骨料、隨機纖維模型，這種比較多見；另一種是近來國內外興起的基于XCT真實圖像的模型(XCT image-based model)。本文將以這兩種模型為研究對象，選用已發表的成果作為例子介紹給大家(整理了一些直觀圖片)，感興趣的朋友可詳閱附上的文獻，歡迎大家批評指正。
還有一種非直接的細觀模擬方法， 即采用隨機場理論，也可以間接模擬細觀斷裂，例如：
□ Zhang H, Huang Y J, Hu X J, Xu S L. A quasi-brittle fracture investigation of concrete structures integrating random fields with the CSFEM-PFCZM. Engineering Fracture Mechanics, 2023, 281: 109107.
展開 《Engineering Failure Analysis》：混凝土保護層銹脹開裂細觀力學模擬
細觀層次下，混凝土是由粗骨料、砂漿和二者界面區組成的三相復合材料，其中界面區是最薄弱的環節，因而銹脹裂縫也往往在此處萌生和擴展。為研究細觀層次下保護層的銹脹開裂過程，北京工業大學的杜修力（第一作者）和金瀏（通訊作者）兩位學者采用基于ABAQUS建立了用以計算保護層銹脹開裂細觀有限元模型，并在《Engineering Failure Analysis》上發表了題為“Meso-scale numerical investigation on cracking of cover concrete induced by corrosion of reinforcing steel”的研究成果。有限元模型中，粗骨料采用隨機骨料的投放方法，骨料體積含量高達46.5%。并討論了保護層厚度，骨料分布和鋼筋位置對于保護層銹脹開裂過程力學反應的影響。
內容簡介
現有的預測保護層銹脹開裂數值模型中，大多采用宏觀模型，即假設混凝土為均質材料，而實際上混凝土是是由粗骨料、砂漿和二者界面組成的多相復合材料。在宏觀層次下，無法體現各相材料對于保護層銹脹裂縫萌生和擴展的影響，因此有必要采用細觀力學模型研究保護層的銹脹開裂過程及力學反應。作者所建立的不同保護層厚度下鋼筋混凝土細觀數值模型如圖1所示，其中混凝土模型的截面尺寸為150mm×150mm，鋼筋直徑為16mm，骨料體積含量為46.5%，保護層厚度分別為20-40mm。
展開 固體塑性變形—細觀塑性力學 附塑性力學同濟大學下載
而細觀塑性力學則對于為什么會有塑性各向異性，怎樣控制它們，什么樣的微觀結構會導致何種加工性能，如何使實驗或生產數據成為預知等問題做出了回答。它旨在建立微觀與宏觀相聯系的橋梁，揭示其內在規律，使人們對材料的微觀結構與宏觀塑性及加工性能不但知其然，而且知其所以然。
將連續體力學的理論方法應用到不同尺寸量級的塑性性質的研究中是細觀塑性力學的主要方法。例如，在位錯量級，位于位錯核以外的晶格可以看作是彈性連續體，而位錯則被認為是彈性體內的線缺陷。在連續滑移的前提下，位錯不再是離散的現象，即被看作是連續變形。在滑移帶以外，晶格仍然被認為是連續體。上述過程是單晶體塑性力學與本構關系相結合的體現。對于再大些的尺寸量級，如亞晶結構、多晶聚合體，也可以采用上面的研究方法。
細觀塑性力學的分析方法可以歸結為以下3個步驟：(1)選擇一個適當的尺寸范圍，使之能夠定量地描述被研究的現象；(2)重點考慮基本微觀結構，而將基底材料視作連續體；(3)利用比所選尺寸量級小一個量級的本構關系作為基底連續體。
細觀塑性研究的另一個重要方面是如何作尺寸量級之間的轉換。從較小量級向較大量級的轉換可用平均法，即取一個體積，在其中有足夠多數量的微觀結構單元重復出現，對其作體平均。這一過程稱為均勻化。目前已發展了許多均勻化的方法和算法，如自適應方法和統計集合法。另一方面是從較大量級向較小量級的轉換，即非均勻化，也是當前的研究熱點。在不同尺寸量級研究數據之間的相互轉換及連接使細觀塑性力學作為一般科學規律而更具完整性。
細觀力學包括實驗、理論和計算這3個緊密聯系的方面。實驗提供了細觀力學的物理依據，理論研究提供了物理規律的抽象模型和基本理論，計算分析則是一種有效的仿真和實驗手段。
下載地址：塑性力學同濟大學
展開 ABAQUS混凝土細觀3D模型-含界面過渡區的多面體骨料密堆積
混凝土細觀結構對其宏觀力學性能具有決定性影響。界面過渡區（ITZ）作為骨料與水泥基體間的薄弱相，顯著影響混凝土的力學行為與耐久性。在ABAQUS中構建含界面過渡區的多面體骨料密堆積3D模型，能夠真實反映混凝土細觀非均質特性，精確模擬骨料形態、分布及界面行為對材料性能的影響機制。該研究為揭示混凝土損傷演化規律提供理論支撐，對優化配合比設計、提升結構耐久性具有重要學術價值與工程應用前景。
三維混凝土細觀模型通過CAD多面體&過渡區密堆積3D插件建立，模型中不同粒徑分組的骨料及ITZ均已分圖層，同一模型中最高支持設置七相不同種類的材料。
通過AutoCAD軟件將骨料、ITZ、水泥砂漿部件分別導出為iges格式文件后，再以部件的形式導入到ABAQUS內建立混凝土細觀有限元三維模型。
分別設置骨料、界面過渡區、水泥砂漿的材料屬性，并進行指派截面。
可根據研究的需要設置分析步、相互作用及載荷，并進行混凝土細觀模型的裝配操作。
進行混凝土細觀三維模型的網格劃分，本案例中采用二次四面體單元（C3D10）,單元數量為362萬個。
在使用插件建立混凝土細觀三維幾何模型時，應合理設置建模參數，以確保網格劃分的質量。
展開 ABAQUS三維多面體骨料密堆積混凝土細觀建模
ABAQUS三維多面體骨料密堆積建模通過重力堆積算法構建混凝土細觀結構，克服了傳統隨機分布模型與實際骨料沉降行為的偏差，更精準反映骨料在混凝土中的分布特征，可實現高骨料占比下的力學響應模擬，為混凝土損傷機理研究、材料參數標定及多尺度耦合分析提供可靠依據。本案例介紹在ABAQUS內建立三維混凝土多面體骨料重力密堆積模型。
混凝土細觀骨料堆積模型采用CAD多面體密堆積_圓柱體試件3D插件生成，在AutoCAD內建立模型后將骨料導出為iges格式文件。
在ABAQUS CAE中將骨料模型導入建立部件，如需對不同骨料分別設置材料屬性也可將骨料分為三個部件分別導入。
對混凝土細觀模型中的各組分設置不同的材料屬性，在混凝土細觀研究中可選用EasyCDP_Mortar&ITZ插件生成混凝土損傷塑性模型材料。
采用四面體單元進行混凝土骨料的網格劃分。
建立不同骨料部件的裝配。
或是通過AutoCAD軟件對骨料進行處理后導出卵石狀骨料模型，并導入到ABAQUS內。
如需進行三維混凝土細觀受壓損傷開裂方面的仿真模擬也可參考ABAQUS三維混凝土細觀受壓損傷斷裂數值模擬視頻教程。
展開 COMSOL混凝土細觀模型骨料、砂漿、ITZ水化熱溫度變化分析
建立砂漿、骨料、界面過渡區（ITZ, Interface Transition Zone）的混凝土細觀模型對于深入理解水化熱溫度變化對混凝土材料的影響及其溫度應力導致的內應力損傷至關重要。
本案例介紹在COMSOL內通過球體粗骨料顆粒的堆積算法，建立包含骨料、ITZ、水泥砂漿在內的三相材料混凝土細觀三維模型，并進行混凝土內水化熱溫度變化的分析。
圓柱容器內的球體骨料堆積模型采用CAD球體密堆積_圓柱體試件3D V1.1版本插件建模生成，模型中的骨料通過球體重力堆積及二次振搗密實模擬，建立更加符合實際骨料分布狀態的混凝土細觀模型。
在AutoCAD內將骨料、ITZ、砂漿三部分分別導出為iges格式文件后導入到COMSOL內形成裝配建立混凝土細觀模型。
添加固體傳熱物理場并對混凝土細觀中的三組分分別設置材料屬性，完成網格劃分。
根據實際工況設置合理的初始條件及邊界后，添加瞬態研究并完成混凝土細觀模型的水化熱溫度變化仿真分析。
展開 ANSYS Workbench三維隨機多面體骨料混凝土細觀
在三維混凝土細觀的有限元模擬中，混凝土細觀幾何模型的建立是仿真前提，也是其難點。在ANSYS內高效的建立三維幾何模型以匹配混凝土中多面體骨料的外形、分布、級配等參數，是三維混凝土細觀有限元仿真模擬的關鍵。
隨機多面體骨料3D模型的建立可采用CAD隨機多面體3D插件在AutoCAD內參數化建模后導入Workbench，插件可指定多面體骨料的三組粒徑范圍，以實現不同級配的混凝土細觀模型；可設置每組粒徑的骨料數量，以實現不同的骨料比例；可設置多面體的面數，以匹配不同的骨料外形。
在AutoCAD內將隨機骨料模型導出為IGES格式后，即可導入到ANSYS Workbench內。導入的模型包含圖層信息，可在SpaceClaim內批量對不同部件進行賦值材料等修改操作。
打開模型，即可在ANSYS Workbench內對三維多面體骨料混凝土細觀模型進行后續的模擬操作。
模型導入后，ANSYS會自動設置骨料與外側基體的接觸對，如默認設置不符也可手動調整修改。
對模型施加荷載并進行仿真分析。
CAD隨機多面體3D插件
https://www.yqgqt.org.cn/post/1893948
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ANSYS Workbench隨機圓形骨料ITZ細觀混凝土模型
在ANSYS Workbench內建立混凝土細觀模型進行有限元分析是混凝土細觀研究的有效手段，混凝土細觀模型可簡化為隨機投放的圓形骨料、界面過渡區（ITZ）部件以及水泥漿體等部分組成，對不同的部分賦值相應的材料屬性，以更好的模擬混凝土相關性能。
在ANSYS Workbench內建立隨機圓形骨料混凝土細觀模型可采用CAD隨機圓形骨料插件V2.0實現，在插件內設置模型參數，運行即可自動在Auto CAD內完成模型草圖繪制。插件可支持設置骨料粒徑滿足截斷正態分布等分布模式，可控制骨料比例、間距，以滿足不同的級配要求，以及設定界面過渡區有無及厚度。
在CAD內將骨料、砂漿、過渡區分圖層后分別建立獨立的二維部件，并導出為IGES格式文件。
打開Workbench選擇相應的分析系統，將分析類型設置為2D，導入保存的模型并在SpaceClaim內對不同的部件賦值相應的材料。
打開模型，可在ANSYS內進行進一步分析求解。
CAD隨機圓形骨料插件 V2.0
https://www.yqgqt.org.cn/post/1851750
展開 ANSYS Workbench多邊形骨料及界面過渡區混凝土細觀模型
混凝土細觀模型是一種用來研究混凝土材料內部結構和性能的分析方法。它主要關注于混凝土中不同組分（如骨料、水泥漿體等）之間的相互作用以及這些相互作用如何影響整體材料的行為。在建立這樣的模型時，考慮到多邊形骨料及其與周圍基質之間形成的界面過渡區（ITZ, Interfacial Transition Zone），對于準確理解混凝土的力學性質非常重要。
在ANSYS Workbench內建立多邊形骨料、界面過渡區、及水泥漿體在內的三相材料混凝土細觀模型，可研究混凝土的微觀損傷引起宏觀破壞的機理。
混凝土細觀模型采用CAD隨機多邊形插件建模后導入ANSYS內。在插件內設置模型參數后運行插件在AutoCAD內完成混凝土細觀模型的建立。
在CAD內對骨料、界面過渡區、水泥砂漿分別建立面域部件，并使得每部分單獨占據一個圖層。
將模型整體導出為iges格式后，即可導入到Workbench內，并可在SpaceClaim內對每個圖層部件分別指派材料屬性。
可對細觀混凝土模型進行網格劃分及后續的模擬分析。
CAD隨機多邊形顆粒
https://www.yqgqt.org.cn/post/1787116
展開 ANSYS混凝土細觀3D模型-含界面過渡區的多面體骨料密堆積
混凝土細觀結構對其宏觀力學性能具有決定性影響。界面過渡區（ITZ）作為骨料與水泥基體間的薄弱相，顯著影響混凝土的力學行為與耐久性。基于ANSYS軟件構建含界面過渡區的多面體骨料密堆積3D模型，可有效表征混凝土細觀非均質特性，精確模擬骨料形態、分布及界面行為對材料性能的影響機制。該研究為揭示混凝土損傷演化規律提供理論支撐，對優化配合比設計、提升結構耐久性具有重要學術價值與工程應用前景。
三維混凝土細觀模型基于CAD多面體&過渡區密堆積3D插件構建，其中不同粒徑分組的骨料及界面過渡區（ITZ）均按圖層分組設置，同一模型中可批量配置七種不同材料相。
通過AutoCAD軟件將骨料、ITZ及水泥砂漿部件分別導出為IGES格式文件后，再以部件形式導入ANSYS，通過 Design Modeler導入外部幾何結構文件建立混凝土細觀有限元三維模型。
分析系統選擇顯示動力學，在模型中將建立的混凝土細觀幾何模型打開。
分別設置骨料、界面過渡區、水泥砂漿的材料屬性并完成網格劃分，根據研究內容進行后續的求解分析。
展開 ABAQUS基于CT斷層掃描的細觀混凝土三維重建數值模擬
本文介紹一種基于混凝土CT斷層掃描圖像在Abaqus有限元軟件內進行三維混凝土細觀模型的建模方法，實現混凝土粗骨料及砂漿的三維重構并對其采用塑性損傷模型（CDP）進行有限元模擬。
首先采用X射線CT技術獲取混凝土的斷層掃描圖像數據。
在Abaqus CAE軟件內，采用AbyssFish CT2Model 3D V1.0插件對CT斷層掃描文件在Abaqus內進行細觀混凝土三維重建。
三維重建的混凝土細觀模型包括粗骨料、砂漿基體雙相材料。
由于在混凝土中粗骨料強度遠高于砂漿部分，混凝土在發生破壞時粗骨料一般不斷裂，因此模型中僅對砂漿部分設置混凝土損傷塑性（Concrete Damaged Plasticity）材料參數。
對模型添加分析步，并設置場輸出及歷程輸出。
添加載荷，混凝土模型上表面指定一個位移，對下表面添加約束，以模擬混凝土試件的單軸受壓狀態。
創建并提交作業，查看混凝土細觀模型的破壞結果。
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