細觀骨料混凝土
關注創(chuàng)建者：汴京抓魚人 創(chuàng)建時間：2023-06-10
細觀骨料混凝土的視頻教程
三維細觀隨機骨料混凝土數(shù)值模擬/python前處理建立隨機骨料混凝土
細觀混凝土模型可將混凝土看作由骨料、砂漿和兩者之間的界面過渡區(qū)（itz），以及其他組分等組成的多相復合模型。本視頻為最入門的三維隨機球體骨料細觀混凝土模型，模型組成如圖示。 視頻以混凝土立方體靜力抗壓試驗為例進行教學，在ABAQUS中運行腳本后可以輸入混凝土模型參數(shù)：混凝土長寬高、保護層厚度、隨機骨料粒徑范圍、骨料率和itz厚度。
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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(fā)應用/三維細觀混凝土
細觀混凝土模型可將混凝土看作由骨料、砂漿和兩者之間的界面過渡區(qū)（itz），以及其他組分等組成的多相復合模型。本視頻為最入門的三維隨機球體骨料細觀混凝土模型，模型組成如圖示。 視頻以混凝土立方體靜力抗壓試驗為例進行教學，在ABAQUS中運行腳本后可以輸入混凝土模型參數(shù)：混凝土長寬高、保護層厚度、隨機骨料粒徑范圍、骨料率和itz厚度。
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ANSYS/LS-dyna細觀骨料混凝土模型動態(tài)劈裂數(shù)值模擬
《原創(chuàng)》ANSYS/LS-dyna細觀骨料混凝土模型動態(tài)劈裂數(shù)值模擬 需其他尺寸可私
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細觀骨料混凝土的實例教程
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(shù)據(jù)，再與已存儲的球體數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(qū)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(tài)，這根纖維就將被認為不能放在混凝土中。
展開 (a)輕骨料混凝土骨料內聚力單元 (b)界面過渡區(qū)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(wǎng)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(qū)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(qū)，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(tài)分析，且加載過程中采用速度平滑加載來實現(xiàn)準靜態(tài)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(shù)值模型單軸受壓如圖3所示。
圖3 輕骨料混凝土細觀數(shù)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(qū)（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(shù)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(shù) 來表示位移參數(shù)，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(shù)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(shù)選取的合理性。
展開 在混凝土細觀數(shù)值模擬中，粗骨料的分布狀態(tài)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(fā)生沉降堆積。現(xiàn)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(xiàn)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(shù)值模擬。該方法能夠更準確地復現(xiàn)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(shù)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(shù)設置方面，根據(jù)《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(jù)《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(qū)間及數(shù)量應根據(jù)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(guī)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(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)進行極大似然估計確定。
參數(shù)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 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(shù)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(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入到Abaqus內的方式。可實現(xiàn)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 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。現(xiàn)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(xiàn)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(xù)進行網(wǎng)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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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(shù)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
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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(xiàn)視頻
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