混凝土三維細觀模擬
關注創建者：ORG-1 創建時間：2020-09-01
混凝土三維細觀模擬的視頻教程
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
可能會說，即使這樣纖維仍然還會有很多的區域可以投放，但混凝土中存在著成百上千甚至上萬個的骨料，投放纖維之前遍歷已有骨料的坐標后，再按照這樣局限的方法進行判斷，纖維存在的區域勢必大大降低，生成出來的纖維分布狀態并不樂觀。 詳情觀看帖子三維隨機纖維-球體骨料細觀混凝土模型/細觀混凝土/纖維混凝土
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三維細觀隨機骨料混凝土數值模擬/python前處理建立隨機骨料混凝土
后處理可導出混凝土損傷演變過程及立方體抗壓力-位移曲線。 課程中會提到一些參數的設置思路，學習完本課程后，可以大致掌握三維細觀混凝土模型的建立方法，了解數值模擬的建立思路，入門細觀混凝土模型學習。 此視頻與本人上傳的另一課程內容一致，購買過的朋友請勿重復購買！后續將更新其他類型視頻。
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三維隨機球體骨料細觀混凝土模型/基于Python的Abaqus二次開發應用/三維細觀混凝土
后處理可導出混凝土損傷演變過程及立方體抗壓力-位移曲線。 課程中會提到一些參數的設置思路，學習完本課程后，可以大致掌握三維細觀混凝土模型的建立方法，了解數值模擬的建立思路，入門細觀混凝土模型學習。 此視頻與本人上傳的另一課程內容一致，購買過的朋友請勿重復購買！后續將更新其他類型視頻。
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混凝土三維細觀模擬的實例教程
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 模型實例
以下是Abaqus內纖維混凝土的模型，纖維是采用三維圓柱體模擬的，混凝土內的骨料采用的是實體的球體。纖維及骨料均可設置不同的尺寸，并且各類型的數目不受限制，即可設置多種纖維及球體骨料大小。
研究進展
在Abaqus內建立混凝土細觀模型，如鋼纖維混凝土、不干涉球體骨料、多面體骨料模型等，是進行混凝土性能研究的主流方法之一。而在進行Abaqus混凝土細觀模擬時，隨機骨料及隨機纖維等幾何模型的構件是主要的難點所在。
為了在Abaqus內建立混凝土模型，有學者采用Abaqus命令的方式，但這需要有一定的程序設計基礎，并且需要反復改參、調試，極為不便。也有采用Abaqus混凝土建模插件實現的方式，這極大的節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入到Abaqus內的方式?？蓪崿F多種混凝土模型的快速構建。CAD導入Abaqus的方法簡單，將CAD文件輸出為.sat格式，然后在Abaqus內選擇導入部件，選擇對應的.sat文件即可。
下面是通過該方法建立的Abaqus隨機幾何模型。
插件介紹
本插件可以生成多種形式的隨機三維幾何，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，可進行模型簡化的，均可采用這種方式進行建模。
插件的詳細介紹及下載見下方鏈接：
CAD隨機幾何3D插件
展開 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 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高精度有限元模型三維重建，精準劃分骨料及水泥砂漿區域，構建三維再生骨料混凝土細觀模型。施加單軸壓縮荷載，動態追蹤再生混凝土的損傷演化過程，揭示裂紋的萌生及擴展機制。本案例基于真實結構的三維重建，突破傳統隨機模型的局限性，為再生混凝土的性能優化提供可靠理論依據。
獲取混凝土內部切片圖像數據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據，反演生成三維內部結構圖像；二是物理切片法，將試件切割成薄片，并對切片進行圖像采集。
獲取到試件切片圖像數據后，對圖像進行預處理以區分骨料及砂漿區域，然后即可在ABAQUS內直接采用CT2Model 3D插件將切片圖像進行混凝土細觀模型的三維重建。
由于需要考慮再生骨料及砂漿的細觀損傷斷裂，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，設置分析步并施加軸心受壓載荷，需要注意載荷應施加到試件成型時的側面。
建立并提交作業，查看模擬結果。
可觀察到裂紋開展穿過再生骨料。
展開 研究進展
通過ANSYS進行混凝土細觀模型的構建是進行混凝土性能分析的有效方法，在ANSYS內構建混凝土細觀模型是分析的前提?，F階段在ANSYS內進行隨機混凝土模型構建的主流方法是通過APDL命令流等形式，這要求研究者應具有一定的程序設計能力。
為了方便快捷的構建出混凝土細觀幾何模型，這里提出另一種建模方案，通過AutoCAD模型導入的方式，實現無編程構建混凝土隨機骨料。
模型構建
1、CAD模型生成
首先采用CAD隨機球體顆粒插件在AutoCAD內構建三維球體幾何模型：
插件可指定生成隨機分布的不相交的球體顆粒，同時生成與球體顆粒裝配的帶有孔洞的長方體基體。同時對顆粒的粒徑大小、比例等都能進行控制。
將生成的三維球體幾何模型導出為.sat格式文件備用。
2、ANSYS Workbench 導入
打開ANSYS Workbench，在幾何內進行導入預先保存的.sat文件：
后續進行網格劃分等操作，在ANSYS Workbench內進行即可：
插件下載
建模用到的CAD插件下載：
CAD隨機球體顆粒插件
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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。
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上篇文章介紹了基于圖像進行混凝土細觀模型的幾何重構法，詳細步驟可查看下面的連接。
ABAQUS二維混凝土細觀模型的數字化重建技術(一)幾何重構
https://www.yqgqt.org.cn/post/1990726
本篇介紹二維混凝土細觀模型在ABAQUS
在基于ABAQUS開展混凝土細觀力學模擬時，數字化重建技術是構建能夠真實反映混凝土內部多相結構（如骨料、砂漿、界面過渡區ITZ及孔隙等）的關鍵前置步驟?；炷良氂^模型研究中主流的數字化重建方法主要分為以下兩類：一是幾何重構法，從CT或照片圖像中提取真實骨料輪廓，通過AutoCAD等軟件重建混凝土骨料、ITZ幾何模型，再導入ABAQUS進行網格劃分；二是圖像映射法，將混凝土高分辨率掃描圖像通過預處理將不同材料進行顏色區分后
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。
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