混凝土細(xì)觀數(shù)值模擬的案例
ABAQUS三維多面體骨料密堆積混凝土細(xì)觀抗壓模擬
在混凝土細(xì)觀數(shù)值模擬中，粗骨料的分布狀態(tài)對其力學(xué)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(jī)分布在混凝土試件內(nèi)，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(fā)生沉降堆積。現(xiàn)有基于純隨機(jī)投放的算法難以真實反映這一物理過程，同時也難以實現(xiàn)工程中常見的較高粗骨料體積占比。
為解決當(dāng)前混凝土細(xì)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(gòu)建三維多面體粗骨料細(xì)觀混凝土模型，并在此基礎(chǔ)上采用ABAQUS進(jìn)行受壓試驗的數(shù)值模擬。該方法能夠更準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)實際工程中混凝土試件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，對于細(xì)觀尺度下混凝土材料參數(shù)的標(biāo)定及損傷機(jī)理研究具有重要的參考價值和指導(dǎo)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(shù)設(shè)置方面，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50010-2010（2024年版）4.1.1條，立方體抗壓強(qiáng)度試驗試件尺寸邊長設(shè)置150 mm；根據(jù)《建設(shè)用卵石、碎石》GB/T14685-2011，粗骨料尺寸大于4.75 mm，本模型中設(shè)置骨料最小粒徑4.8 mm，最大粒徑25 mm；骨料分三組設(shè)置，每組設(shè)置的粒徑區(qū)間及數(shù)量應(yīng)根據(jù)混凝土配合比及顆粒級配綜合確定，相關(guān)內(nèi)容可參照《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》JGJ55-2011及《建設(shè)用卵石、碎石》GB/T14685-2011第7.3條顆粒級配篩分試驗；骨料面數(shù)、最小邊長等參數(shù)可根據(jù)工程中采用的骨料真實形態(tài)進(jìn)行極大似然估計確定。
參數(shù)設(shè)置完成后運(yùn)行插件，進(jìn)行三維骨料重力堆積模擬，到達(dá)設(shè)定的堆積運(yùn)行時間后，插件自動進(jìn)行AutoCAD的模型繪制。
展開 【原創(chuàng)成果】細(xì)觀混凝土、UHPC數(shù)值建模與非線性斷裂模擬
作為典型的非均質(zhì)工程復(fù)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(fù)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(kuò)展至融合為宏觀裂縫的過程，該過程橫跨微觀、細(xì)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(jìn)行研究成為自然的選擇。現(xiàn)有國內(nèi)外研究一般將這些復(fù)合材料等效為各向同性均勻介質(zhì)，建立模型比較方便，能夠獲得結(jié)構(gòu)的宏觀響應(yīng)例如荷載-位移曲線等。但這些宏觀均質(zhì)模型未模擬隨機(jī)分布的骨料、纖維、界面及孔洞等細(xì)觀特征，較難精確闡明材料破壞的多尺度機(jī)理。與宏觀均質(zhì)模擬相比，細(xì)觀計算模擬目前具有兩方面挑戰(zhàn)：一方面需要模擬復(fù)雜的細(xì)觀各相材料及其相互作用；另一方面需要求解大規(guī)模非線性方程，準(zhǔn)確模擬損傷斷裂中的材料軟化現(xiàn)象。
目前，混凝土、UHPC細(xì)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(tài)和分布予以假設(shè)的隨機(jī)骨料、隨機(jī)纖維模型，這種比較多見；另一種是近來國內(nèi)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(fā)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(xiàn)，歡迎大家批評指正。
還有一種非直接的細(xì)觀模擬方法， 即采用隨機(jī)場理論，也可以間接模擬細(xì)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 混凝土細(xì)觀模型壓縮拉伸數(shù)值模擬
基于Python語言對abaqus進(jìn)行二次開發(fā)，從細(xì)觀層面建立混凝土細(xì)觀模型，根據(jù)瓦拉文公式計算出多級配骨料含量，實現(xiàn)多級配骨料隨機(jī)投放與干涉檢驗，建立圓形，多邊形骨料模型。基于細(xì)觀模型壓縮，拉伸數(shù)值模擬調(diào)試收斂。需要幫助私聊我QQ827590183
ABAQUS基于CT斷層掃描的細(xì)觀混凝土三維重建數(shù)值模擬
計算機(jī)斷層掃描（CT）可以無損獲取混凝土試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像，并以一系列橫截面的形式顯示混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。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(nèi)進(jìn)行三維混凝土細(xì)觀模型的建模方法，實現(xiàn)混凝土粗骨料及砂漿的三維重構(gòu)并對其采用塑性損傷模型（CDP）進(jìn)行有限元模擬。
首先采用X射線CT技術(shù)獲取混凝土的斷層掃描圖像數(shù)據(jù)。
在Abaqus CAE軟件內(nèi)，采用AbyssFish CT2Model 3D V1.0插件對CT斷層掃描文件在Abaqus內(nèi)進(jìn)行細(xì)觀混凝土三維重建。
三維重建的混凝土細(xì)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(qiáng)度遠(yuǎn)高于砂漿部分，混凝土在發(fā)生破壞時粗骨料一般不斷裂，因此模型中僅對砂漿部分設(shè)置混凝土損傷塑性（Concrete Damaged Plasticity）材料參數(shù)。
對模型添加分析步，并設(shè)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(tài)。
創(chuàng)建并提交作業(yè)，查看混凝土細(xì)觀模型的破壞結(jié)果。
展開 
ABAQUS基于CT掃描重建與CDP模型的混凝土細(xì)觀損傷斷裂三維數(shù)值模擬
上篇文章介紹了ABAQUS通過CT或切片數(shù)據(jù)重建混凝土多組分三維細(xì)觀模型。本案例介紹采用CDP材料對三維重建的混凝土細(xì)觀模型進(jìn)行損傷斷裂數(shù)值模擬有限元分析。
ABAQUS模型重建完成后，在屬性里建立骨料、砂漿、ITZ材料參數(shù)，并替換截面內(nèi)原有的空材料，這里砂漿及ITZ可使用EasyCDP插件直接生成混凝土損傷塑性材料，由于不考慮骨料的損傷破壞，因此不必設(shè)置骨料的損傷參數(shù)。
將混凝土細(xì)觀部件進(jìn)行裝配，添加分析步，并在載荷中設(shè)置受壓載荷。
建立并提交作業(yè)，查看最終的模擬結(jié)果。
展開 ABAQUS切片掃描三維重建再生骨料混凝土細(xì)觀損傷斷裂數(shù)值模擬
本案例基于ABAQUS AbyssFish CT2Model 3D V2.0插件，利用混凝土立方體試件的切片掃描圖像實現(xiàn)高精度有限元模型三維重建，精準(zhǔn)劃分骨料及水泥砂漿區(qū)域，構(gòu)建三維再生骨料混凝土細(xì)觀模型。施加單軸壓縮荷載，動態(tài)追蹤再生混凝土的損傷演化過程，揭示裂紋的萌生及擴(kuò)展機(jī)制。本案例基于真實結(jié)構(gòu)的三維重建，突破傳統(tǒng)隨機(jī)模型的局限性，為再生混凝土的性能優(yōu)化提供可靠理論依據(jù)。
獲取混凝土內(nèi)部切片圖像數(shù)據(jù)的方法主要有以下兩種：一是X射線斷層掃描（CT/XRM），其原理是利用X射線穿透混凝土試件，通過采集多角度投影數(shù)據(jù)，反演生成三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像；二是物理切片法，將試件切割成薄片，并對切片進(jìn)行圖像采集。
獲取到試件切片圖像數(shù)據(jù)后，對圖像進(jìn)行預(yù)處理以區(qū)分骨料及砂漿區(qū)域，然后即可在ABAQUS內(nèi)直接采用CT2Model 3D插件將切片圖像進(jìn)行混凝土細(xì)觀模型的三維重建。
由于需要考慮再生骨料及砂漿的細(xì)觀損傷斷裂，因此采用EasyCDP插件分別生成兩種損傷塑性材料模型，砂漿材料20 MPa，再生骨料15.8 MPa，并將CT2Model 3D插件建模時生成的Section中的空材料替換為CDP材料。
將模型裝配，設(shè)置分析步并施加軸心受壓載荷，需要注意載荷應(yīng)施加到試件成型時的側(cè)面。
建立并提交作業(yè)，查看模擬結(jié)果。
可觀察到裂紋開展穿過再生骨料。
展開 三維隨機(jī)纖維-球體骨料細(xì)觀混凝土模型/細(xì)觀混凝土/纖維混凝土 ￥369
在前面的視頻中已經(jīng)有了三維隨機(jī)球體骨料的細(xì)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(xì)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(xué)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(guān)于在三維細(xì)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(jī)纖維-球體骨料細(xì)觀混凝土模型——四相（砂漿、骨料、ITZ和纖維）組分的復(fù)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(jī)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(jī)生成一個球體特征數(shù)據(jù)，再與已存儲的球體數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)據(jù)庫中，進(jìn)行下一個球體的生成與判斷；若小于，則不存儲，進(jìn)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(jìn)行相應(yīng)的判斷。只需要生成隨機(jī)的纖維，用纖維端點坐標(biāo)與骨料球心坐標(biāo)，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(qū)域已經(jīng)大大縮小了。如下圖所示，當(dāng)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(tài)，這根纖維就將被認(rèn)為不能放在混凝土中。
展開 《原創(chuàng)》ANSYS/ls-dyna考慮骨料、砂漿、ITZ細(xì)觀混凝土模型動態(tài)劈裂數(shù)值模擬 ￥100
關(guān)于SHPB數(shù)值模擬的研究已較為深入，模擬優(yōu)勢主要在于可通過修正參數(shù)使模擬結(jié)果與實際一致，以此為基礎(chǔ)對材料的動態(tài)破壞過程及更為復(fù)雜的工況進(jìn)行模擬研究，主要研究對象主要分為混凝土、巖石、金屬、陶瓷等材料，并通過LS-DYNA中的RHT、HJC、JC、K&C、CSC等材料模型來模擬上述材料在中高、高應(yīng)變率荷載作用下裂紋擴(kuò)展及損傷規(guī)律，試件往往采用的是均質(zhì)模型。
近年來，關(guān)于非均質(zhì)模型的研究已取得一些進(jìn)展：
1.《Study of concrete damage mechanism under hydrostatic pressure by numerical simulations》一文中建立了考慮骨料、砂漿的兩相混凝土模型，并采用“背景投影法（網(wǎng)格映射法）”建立了六面體非均質(zhì)混凝土有限元模型。
2.《3D mesoscopic investigation of the specimen aspect-ratio effect on the compressive behavior of coral aggregate concrete》一文中建立了考慮界面層（ITZ）、骨料、砂漿的三相混凝土模型，并采用“背景投影法（網(wǎng)格映射法）”建立了六面體非均質(zhì)混凝土有限元模型。
3.《基于三維隨機(jī)細(xì)觀模型的珊瑚混凝土力學(xué)性能模擬》一文中建立了考慮界面層（ITZ）、骨料、砂漿的三相混凝土模型，并采用“背景投影法（網(wǎng)格映射法）”建立了六面體非均質(zhì)混凝土有限元模型。
相比均質(zhì)有限元模型，非均質(zhì)有限元模型的仿真結(jié)果可信度更高，仿真效果更好，與實際破壞情況更為吻合，該方法具有廣泛的運(yùn)用前景，可用于靜態(tài)力學(xué)試驗、動態(tài)力學(xué)試驗、爆破領(lǐng)域、建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域等。
展開 ABAQUS三維多面體骨料密堆積混凝土細(xì)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(gòu)建混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)隨機(jī)分布模型與實際骨料沉降行為的偏差，更精準(zhǔn)反映骨料在混凝土中的分布特征，可實現(xiàn)高骨料占比下的力學(xué)響應(yīng)模擬，為混凝土損傷機(jī)理研究、材料參數(shù)標(biāo)定及多尺度耦合分析提供可靠依據(jù)。本案例介紹在ABAQUS內(nèi)建立三維混凝土多面體骨料重力密堆積模型。
混凝土細(xì)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(nèi)建立模型后將骨料導(dǎo)出為iges格式文件。
在ABAQUS CAE中將骨料模型導(dǎo)入建立部件，如需對不同骨料分別設(shè)置材料屬性也可將骨料分為三個部件分別導(dǎo)入。
對混凝土細(xì)觀模型中的各組分設(shè)置不同的材料屬性，在混凝土細(xì)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(jìn)行混凝土骨料的網(wǎng)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(jìn)行處理后導(dǎo)出卵石狀骨料模型，并導(dǎo)入到ABAQUS內(nèi)。
如需進(jìn)行三維混凝土細(xì)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(xì)觀受壓損傷斷裂數(shù)值模擬視頻教程。
展開 Abaqus纖維混凝土3D 泡沫混凝土 三維隨機(jī)幾何 三維混凝土細(xì)觀 多面體骨料建模
模型實例
以下是Abaqus內(nèi)纖維混凝土的模型，纖維是采用三維圓柱體模擬的，混凝土內(nèi)的骨料采用的是實體的球體。纖維及骨料均可設(shè)置不同的尺寸，并且各類型的數(shù)目不受限制，即可設(shè)置多種纖維及球體骨料大小。
研究進(jìn)展
在Abaqus內(nèi)建立混凝土細(xì)觀模型，如鋼纖維混凝土、不干涉球體骨料、多面體骨料模型等，是進(jìn)行混凝土性能研究的主流方法之一。而在進(jìn)行Abaqus混凝土細(xì)觀模擬時，隨機(jī)骨料及隨機(jī)纖維等幾何模型的構(gòu)件是主要的難點所在。
為了在Abaqus內(nèi)建立混凝土模型，有學(xué)者采用Abaqus命令的方式，但這需要有一定的程序設(shè)計基礎(chǔ)，并且需要反復(fù)改參、調(diào)試，極為不便。也有采用Abaqus混凝土建模插件實現(xiàn)的方式，這極大的節(jié)省了模型建立的耗時，如Abaqus混凝土多邊形或Abaqus混凝土三維球體骨料插件等，但其實現(xiàn)的模型較為簡單，幾何模型單一。
建模方案
這里介紹一種通過AutoCAD軟件建立纖維混凝土三維模型后導(dǎo)入到Abaqus內(nèi)的方式。可實現(xiàn)多種混凝土模型的快速構(gòu)建。CAD導(dǎo)入Abaqus的方法簡單，將CAD文件輸出為.sat格式，然后在Abaqus內(nèi)選擇導(dǎo)入部件，選擇對應(yīng)的.sat文件即可。
下面是通過該方法建立的Abaqus隨機(jī)幾何模型。
插件介紹
本插件可以生成多種形式的隨機(jī)三維幾何，用于Abaqus混凝土模型的建立，也可用于再生骨料混凝土、泡沫混凝土、加氣混凝土等方面。理論上講，只要幾何存在相似性，可進(jìn)行模型簡化的，均可采用這種方式進(jìn)行建模。
插件的詳細(xì)介紹及下載見下方鏈接：
CAD隨機(jī)幾何3D插件
展開 混凝土細(xì)觀模擬中如何實現(xiàn)材料的速率效應(yīng)？
利用CEB規(guī)范中的公式計算出混凝土DIF值，將其作為參數(shù)計算出混凝土在不同應(yīng)變率下的材料特性，以此考慮材料率相關(guān)效應(yīng)。請問如何在abaqus中實現(xiàn)呢？
LSDYNA鋼球沖擊細(xì)觀混凝土模擬 ￥50
<p><br></p><p>算例為鋼球沖擊含骨料混凝土。骨料為多面體，由程序生成。</p><p>鋼球為JC模型，混凝土與骨料均為RHT模型。沖擊速度100m/s。</p><p>模型能夠清晰呈現(xiàn)沖擊荷載下含骨料混凝土的損傷演化情況。
ABAQUS泡沫混凝土細(xì)觀有限元模擬
在ABAQUS中構(gòu)建含水泥砂漿基體與大量隨機(jī)分布孔隙的三維泡沫混凝土幾何模型，對深入探究其微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)具有重要理論價值。通過孔隙尺寸、形態(tài)及空間分布特征的研究，有效模擬泡沫混凝土在載荷下的強(qiáng)度衰減規(guī)律與破壞演化機(jī)制，克服傳統(tǒng)均質(zhì)模型預(yù)測的局限性。
泡沫混凝土細(xì)觀模型通過CAD隨機(jī)球體插件專業(yè)版V1.3建模生成，泡沫混凝土試件設(shè)置為邊長為150 mm的立方體試件，為保證有限元模擬中的網(wǎng)格能有效劃分，泡沫孔隙的最小間距設(shè)置為1 mm，泡沫孔隙的直徑設(shè)置為5 mm，模型共建立了10000余個不相交的孔隙。
在AutoCAD中將泡沫混凝土導(dǎo)出為iges格式文件后，以部件的形式導(dǎo)入到ABAQUS內(nèi)。
如需考慮內(nèi)部泡沫材料屬性對泡沫混凝土仿真結(jié)果的影響，也可將球體圖層內(nèi)容導(dǎo)入ABAQUS，并對內(nèi)部球體賦值材料。
通過EasyCDP Mortar&ITZ插件對泡沫混凝土中的水泥砂漿部分設(shè)置混凝土損傷塑性材料。
將泡沫混凝土建立裝配體設(shè)置分析步并施加受壓載荷。
進(jìn)行泡沫混凝土細(xì)觀模型的網(wǎng)格劃分，本案例中采用二次四面體單元（C3D10M），全局種子尺寸2 mm，總單元數(shù)量為677萬個。
建立作業(yè)后可采用CDED插件設(shè)置對混凝土受損傷的失效單元進(jìn)行刪除，提交作業(yè)并完成模擬。
展開 基于相場損傷模型的混凝土細(xì)觀壓縮斷裂模擬
緒論
斷裂是混凝土材料破壞的主要模式。可靠、高效的混凝土斷裂模型在橋梁、隧道、大壩等土木工程結(jié)構(gòu)的安全評估中發(fā)揮著重要作用。對混凝土斷裂的研究,尤其對其裂紋萌生和擴(kuò)展的研究,引起了國內(nèi)外學(xué)者越來越多的關(guān)注。混凝土斷裂的數(shù)值模擬與斷裂理論、物理試驗相互印證與補(bǔ)充,并隨著科技發(fā)展不斷地提高著混凝土斷裂問題模擬的準(zhǔn)確性。近年發(fā)展起來的斷裂相場法,通過場變量的自動演化獲取裂紋路徑,可方便地模擬出裂紋的動態(tài)擴(kuò)展過程。因此本案列將采用基于<a href="/major/<a href="/major/ABAQUS的斷裂相場模型實現(xiàn)對混凝土斷裂問題的模擬分析并探討該模型的工程實際適用性
理論基礎(chǔ)
相場法是一種以經(jīng)典熱、動力學(xué)理論為基礎(chǔ),由耦合的非線性的力平衡方程和相場梯度型演化方程組合而成的唯象方法。該方法引入一組場變量來描述結(jié)構(gòu)的相變過程。與銳界面法中場變量的不連續(xù)性相反的是,相場法中場變量在界面區(qū)域具有連續(xù)性,可以用來描述材料初始時和完全破壞之間的平滑過渡。相場變量能分成保守的場變量與非保守的場變量兩種,總量在物體結(jié)構(gòu)演化中保持不變的為保守的場變量,如原子和電荷的濃度場;總量在物體結(jié)構(gòu)演化中為不守恒的并從0到1變化的是非保守的場變量,如馬氏相變。
Frankfort和Marigo基于能量最小化原理提出了Griffith理論的變分形式。描述斷裂的相場法中材料勢能分為兩部分，彈性應(yīng)變能和表面能，分別對應(yīng)于完好相和斷裂相。Griffith理論的泛函形式可以表達(dá)為:
其中是對稱的小應(yīng)變張量，代表裂紋面，Ω為求解區(qū)域。斷裂問題系統(tǒng)自由能由彈性應(yīng)變能(等號右邊第一項)和斷裂表面能(等號右邊第二項)構(gòu)成，裂紋的擴(kuò)展受自由能最小化原理控制。通過求能量泛函的極值可以獲得材料系統(tǒng)的控制方程。
采用有限寬度的彌散區(qū)域來近似表征離散裂紋面，如圖 1所示。
展開 ABAQUS混凝土細(xì)觀單軸受壓模擬
采用隨機(jī)骨料分布，模擬混凝土單軸受壓力學(xué)行為。
