細觀混凝土的案例
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 LSDYNA聚能射流侵徹細觀混凝土靶 ￥50
算例為聚能射流侵徹細觀混凝土。細觀混凝土靶由程序生成。
炸藥為8701；殼體為鋁，PK模型；藥型罩為銅，JC模型；
相比于均質化模型，細觀模型能夠較好的呈現混凝土在射流侵徹作用下的裂紋演化過程。
Abaqus混凝土梁三點彎曲開裂模擬基于隨機多邊形骨料及界面過渡區模型
在細觀混凝土開裂研究中，仿真可直觀揭示混凝土中多相材料的破壞特征及微觀裂縫的發展規律。本案例建立包含隨機多邊形粗骨料、界面過渡區（ITZ）及水泥砂漿在內的細觀混凝土梁二維模型，對混凝土梁在三點彎曲工況下進行有限元模擬，展示混凝土梁跨中部位的裂縫發展情況。
在Abaqus CAE軟件內，采用AbyssFish RandomPolygon2D V2.0插件建立多邊形粗骨料、實體界面過渡區、水泥砂漿三部件混凝土細觀模型。由于只考慮梁的跨中開裂情況，為了簡化模型的復雜度，這里只建立了跨中部分的細觀混凝土模型。
為實現長方形梁模型，手動建立長方形部件，并與插件建立的細觀混凝土模型裝配為整體，并進行相應的材料指派。
建立梁支座，并將下部支座設置為固定約束，跨中添加豎直向下的位移，進行混凝土梁的三點彎曲試驗模擬。
對模型進行網格劃分，跨中部分適當加密網格。
創建作業提交分析并查看結果。
展開 ABAQUS三維隨機多面體骨料及ITZ細觀混凝土建模
在混凝土結構中，粗骨料與水泥砂漿之間的界面過渡區（ITZ）是決定混凝土承受荷載能力的關鍵因素之一,研究表明，混凝土在承受外力時的破壞主要發生在界面過渡區的損傷。本案例介紹通過CAD隨機多面體&過渡區3D插件建立隨機分布的三維多面體骨料及界面過渡區細觀混凝土模型，并將模型導入ABAQUS內進行多相材料的指定。
在AutoCAD軟件內，采用CAD隨機多面體&過渡區3D V1.0插件建立隨機投放的多面體骨料、界面過渡區(ITZ)部件及水泥砂漿基體三維模型。插件在建模時已將不同組分分圖層繪制，方便批量導出及后續的材料指定。這里將砂漿、ITZ、不同粒徑的骨料分別導出為iges格式文件。
將導出的iges模型文件以部件的形式導入到ABAQUS內。
可對多面體骨料、ITZ、砂漿分別手動設置材料，也可采用EasyCDP插件快速生成混凝土損傷塑性材料后，再指派到砂漿及ITZ部件。
在裝配中將兩組多面體骨料、水泥砂漿、過渡區部件進行裝配，完成三維細觀混凝土模型的建模。
CAD_隨機多面體&過渡區插件
https://www.yqgqt.org.cn/post/1909149
展開 
細觀混凝土建模
可生成任意形狀（外部輪廓）的細觀混凝土幾何模型與網格，分離式建模
支持多種軟件計算
有意私聊
ABAQUS隨機球體骨料及界面過渡區混凝土軸壓破壞
混凝土中粗骨料與水泥砂漿之間的界面過渡區（ITZ）損傷是混凝土在荷載下發生破壞的主要因素，骨料與水泥漿體的粘結界面層損傷規律對混凝土細觀損傷研究具有重要意義。本案例通過CAD隨機球體顆粒&過渡區3D插件建立球體骨料及界面過渡區三維細觀混凝土模型，并將模型導入ABAQUS內，通過Concrete Damaged Plasticity Model，研究細觀混凝土在軸壓荷載下ITZ及水泥砂漿的損傷演化規律。
在AutoCAD軟件內，采用CAD隨機球體顆粒&過渡區3D V1.0插件建立隨機投放的球體粗骨料、界面過渡區(ITZ)部件及水泥砂漿基體三維模型，并將粗骨料、ITZ與水泥砂漿分別導出為.iges格式文件備用。
將導出的模型文件以部件的形式導入到ABAQUS內。
對骨料、ITZ、砂漿分別指定材料，其中砂漿及界面過渡區均采用CDP模型。
新建離散剛體殼部件，作為試件的荷載施加板，并將其與試件裝配為整體。設置相互作用，通過參考點創建耦合約束，設置加載板與試件的接觸，接觸類型選用表面與表面接觸，并設置罰。
將下板設置為固定約束，上板添加豎向位移。
對球體骨料及界面過渡區混凝土模型劃分網格。
創建并提交作業，查看結果。
展開 ABAQUS三維多面體骨料密堆積混凝土細觀抗壓模擬
在混凝土細觀數值模擬中，粗骨料的分布狀態對其力學性能具有顯著影響。以往研究多采用蒙特卡羅算法將粗骨料隨機分布在混凝土試件內，而實際工程中混凝土試件在澆筑完成后的振搗操作會使得密度較大的粗骨料因重力作用發生沉降堆積。現有基于純隨機投放的算法難以真實反映這一物理過程，同時也難以實現工程中常見的較高粗骨料體積占比。
為解決當前混凝土細觀模型中骨料分布不合理及粗骨料占比偏低等問題，本文提出采用重力堆積算法構建三維多面體粗骨料細觀混凝土模型，并在此基礎上采用ABAQUS進行受壓試驗的數值模擬。該方法能夠更準確地復現實際工程中混凝土試件的內部結構特征，對于細觀尺度下混凝土材料參數的標定及損傷機理研究具有重要的參考價值和指導意義。
混凝土骨料堆積模型采用CAD多面體密堆積3D插件建模。模型參數設置方面，根據《混凝土結構設計標準》GB/T 50010-2010（2024年版）4.1.1條，立方體抗壓強度試驗試件尺寸邊長設置150 mm；根據《建設用卵石、碎石》GB/T14685-2011，粗骨料尺寸大于4.75 mm，本模型中設置骨料最小粒徑4.8 mm，最大粒徑25 mm；骨料分三組設置，每組設置的粒徑區間及數量應根據混凝土配合比及顆粒級配綜合確定，相關內容可參照《普通混凝土配合比設計規程》JGJ55-2011及《建設用卵石、碎石》GB/T14685-2011第7.3條顆粒級配篩分試驗；骨料面數、最小邊長等參數可根據工程中采用的骨料真實形態進行極大似然估計確定。
參數設置完成后運行插件，進行三維骨料重力堆積模擬，到達設定的堆積運行時間后，插件自動進行AutoCAD的模型繪制。
展開 ABAQUS基于CT斷層掃描的細觀混凝土三維重建數值模擬
計算機斷層掃描（CT）可以無損獲取混凝土試件內部結構圖像，并以一系列橫截面的形式顯示混凝土的內部結構。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。
展開 ABAQUS基于切片掃描的三維混凝土細觀模型（骨料、砂漿、ITZ）重建
本案例介紹在ABAQUS內基于真實混凝土試件的切片圖像重建包含骨料、砂漿、ITZ三相材料在內的三維混凝土細觀模型。
首先將混凝土試件進行切片，并掃描獲取切片后的圖像文件，可采用BatchImageCropper 批量圖像裁剪軟件僅保留混凝土圖像的有效部分。
為控制細觀混凝土模型在ABAQUS三維重建后的總單元數量，通過BatchImageResizer批量圖像縮放軟件對混凝土切片掃描圖像降低分辨率。
為在掃描圖像中將砂漿基體與骨料進行精確區分，通過BatchImageColorReducer 批量圖像減色軟件將混凝土切片圖像處理為兩種顏色，白色為骨料部分，黑色為砂漿基體。
通過BatchImageEdge 批量圖像邊界軟件將界面過渡區ITZ部分添加到混凝土切片掃描圖像中。
在ABAQUS內采用CT2Model3D Multi-Material插件，選擇添加邊界后的文件夾內的任意一張圖像，即可基于背景網格方式完成包含骨料、砂漿、ITZ在內的三維混凝土細觀有限元模型重建。
下篇文章將介紹通過混凝土損傷塑性材料模型對重建后的混凝土試件進行受壓模擬。
展開 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 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 
Abaqus隨機圓形骨料ITZ細觀混凝土CDP軸壓模型
混凝土在細觀層面上由水泥砂漿、粗骨料和界面過渡區（ITZ）組成，在Abaqus內基于粗骨料隨機投放建立混凝土細觀模型，是研究混凝土軸壓下的本構關系及損傷演化的有效方法。本案例建立隨機圓形粗骨料及實體界面過渡區，對二維細觀混凝土在單軸壓縮下的力學行為進行有限元模擬，展示混凝土的破壞形態。
在Abaqus CAE軟件內，采用AbyssFish RandomAggregate V3.2插件建立圓形粗骨料、實體界面過渡區、水泥砂漿三部件混凝土細觀模型。
對各部件進行材料截面的指派，其中水泥砂漿部分采用CDP模型；界面過渡區采用弱化的砂漿模型；骨料部分不考慮其損傷破壞。
為模擬模型的軸壓狀態，新建長方形部件作為壓力機的鋼制壓板，設置壓板與混凝土試件間的接觸，并將下側壓板固定，上側壓板添加豎直向下的位移。
對模型進行網格劃分。
創建作業提交分析并查看結果。
展開 Abaqus混凝土損傷塑性材料插件：EasyCDP V2版本 ￥168
Plasticity：混凝土塑性參數。建議通過文獻或試驗標定，也可采用插件默認值。
Precision：數據精度?？刂剖軌?#x2F;受拉行為的小數點位數，推薦保留默認設置以確保計算穩定性。
應用案例
三維多面體骨料混凝土抗壓模擬—— 基于EasyCDP生成20 MPa砂漿基體材料模型，分析骨料分布對力學性能影響。
三維多面體骨料密堆積混凝土細觀抗壓模擬
https://www.yqgqt.org.cn/post/1978427
功能梯度多孔材料軸壓模擬—— 通過EasyCDP定義C20混凝土，研究梯度參數對失效機制的影響。
三維功能梯度多孔結構材料FGM軸壓模擬
https://www.yqgqt.org.cn/post/1978427
細觀混凝土三相模型軸壓破壞—— 利用EasyCDP為砂漿/ITZ分配CDP材料，驗證界面過渡區作用。
隨機多邊形骨料及ITZ細觀混凝土CDP模型
https://www.yqgqt.org.cn/post/1969097
泡沫混凝土多孔結構軸壓分析—— EasyCDP生成C30材料，模擬多孔結構壓縮破壞行為。
展開 基于CAD-Abaqus的混凝土三維細觀模型建立(三)
第一部分查看：
基于CAD-Abaqus的混凝土三維細觀模型建立(一)
https://www.yqgqt.org.cn/post/1931155
第二部分查看：
基于CAD-Abaqus的混凝土三維細觀模型建立(二)
https://www.yqgqt.org.cn/post/1931552
4 骨料分布理論
在混凝土中，骨料之間會發生一定程度的堆積。當混凝土制備時，水泥、骨料和水混合后形成漿體，骨料會被均勻地分散其中。在澆筑混凝土并振實后，骨料會受到重力的作用逐漸堆積在一起，形成了混凝土的堅固結構。因此，在混凝土中，骨料之間會在一定程度上發生堆積，這提高了混凝土的密實性和強度。在模擬中，正確的骨料分布理論是確保混凝土模型有效性的重要前提。現有的混凝土骨料分布理論主要有以下幾種。
1). 最密填充理論：認為在給定體積內，骨料顆粒應當按照最密方式填充，以達到最佳的力學性能。
2). Fuller和Thompson理論：該理論提出了一種骨料分布曲線，即Fuller-Thompson曲線，用于描述混凝土中骨料的分布情況。
3). Mortar Theory：該理論考慮了混凝土中水泥漿體與骨料之間的相互作用，提出了一種更加綜合的骨料分布理論。
這些骨料分布理論在混凝土模擬中起著至關重要的作用，它們為構建準確的混凝土模型提供了理論基礎，有助于預測和優化混凝土的性能。
在細觀混凝土模擬領域中，Monte Carlo方法可以用于模擬隨機骨料的投放過程，從而研究骨料在混凝土中的分布情況。以下是一個簡單的Monte Carlo隨機混凝土骨料投放模型的基本步驟：
1).
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.
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