細觀骨料混凝土的案例
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(jīng)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(guān)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(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(jīng)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 輕骨料混凝土細觀損傷演化分析
(a)輕骨料混凝土骨料內(nèi)聚力單元 (b)界面過渡區(qū)內(nèi)聚力單元 (c)砂漿內(nèi)聚力單元
圖2 輕骨料混凝土細觀模型中內(nèi)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(nèi)嵌入內(nèi)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(nèi)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(gòu)關(guān)系
砂漿與骨料之間的界面過渡區(qū)（ITZ）、輕骨料內(nèi)界面和砂漿內(nèi)界面（MII）均采用內(nèi)聚力單元模擬，內(nèi)聚力模型采用了適用于模擬裂縫的牽引力-分離本構(gòu)關(guān)系，本文采用的是沒有幾何厚度的內(nèi)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(nèi)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(guān)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(jié)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(jié)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 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(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(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(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(guān)內(nèi)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 Abaqus纖維混凝土3D 泡沫混凝土 三維隨機幾何 三維混凝土細觀 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(nèi)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(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(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 
ANSYS混凝土三維隨機骨料 混凝土細觀 隨機球體 顆粒增強復合材料建模
研究進展
通過ANSYS進行混凝土細觀模型的構(gòu)建是進行混凝土性能分析的有效方法，在ANSYS內(nèi)構(gòu)建混凝土細觀模型是分析的前提。現(xiàn)階段在ANSYS內(nèi)進行隨機混凝土模型構(gòu)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(gòu)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(gòu)建混凝土隨機骨料。
模型構(gòu)建
1、CAD模型生成
首先采用CAD隨機球體顆粒插件在AutoCAD內(nèi)構(gòu)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(nèi)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(nèi)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
展開 COMSOL隨機多面體骨料 三維凸多面體骨料 無規(guī)則孔隙 三維混凝土細觀 三維骨料模型
混凝土模型
三維混凝土細觀模型的建立是進行混凝土性能模擬的有效方法，而在comsol建模過程中隨機凸多面體骨料的生成是幾何模型的難點。這里提供一種快速高效的三維凸多面體骨料建模的方案，以實現(xiàn)不同集配的混凝土模型。
建模教程
首先采用CAD隨機多面體3D插件在AutoCAD內(nèi)生成所需要的三維混凝土細觀模型。
將該模型分圖層導出為.iges格式文件，這里分圖層導出是為了可以分部件導入到comsol軟件內(nèi)，更方便材料賦值等操作。
本模型共導出四個iges文件，分別是帶有多面體孔洞的基體材料以及三種不同粒徑的多面體。
然后將iges文件分別導入到comsol內(nèi)，這里建議每導入一部分后緊接著進行材料賦值操作，材料賦值完成并將該部分隱藏，然后再導入另一部分，否則可能會出現(xiàn)材料賦值難以選取的問題。
最后進行網(wǎng)格劃分、邊界條件、模擬計算等操作即可。
這里再放一張賦值不同材料后的模型：
插件下載
CAD隨機多面體3D插件
模型樣圖
隨機多面體骨料_AbyssFish.rar
展開 ANSYS隨機多面體骨料 三維多面體投放 隨機骨料混凝土細觀模型
ANSYS隨機多面體骨料模型，采取精確的干涉判斷，采用多面體相交判別程序，不同于常見的球體干涉，本程序可達到更好的隨機度，以實現(xiàn)大粒徑與小粒徑的匹配度。
comsol聯(lián)合Matlab生成纖維、骨料細觀混凝土模型（附球形骨料代碼、纖維代碼） ￥99
本課程旨在介紹如何利用matlab與comsol連接，并利用matlab語言批量對comsol進行幾何建模，生成復雜、隨機的模型，如纖維、骨料等。可根據(jù)需要進行開裂分析等，效果圖如下：
寫在前面：[首先確定自己已安裝COMSOL Multiphysics 5.6 with MATLAB，
如果電腦上先安裝comsol，再安裝matlab的話一般不會出現(xiàn)這個程序。
解決方法：卸載已安裝的comsol，先安裝matlab，再安裝comsol，在安裝過程中會提示關(guān)聯(lián)matlab，安裝完成后即可出現(xiàn)該程序。]
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comsol與matlab連接之隨機球形骨料生成腳本教學
（1）運行COMSOL Multiphysics 5.6，并以此點擊模型向?qū)АS→完成。此時在模型開發(fā)器中右鍵幾何，選擇球體
此時我們可以定義球體半徑為2，坐標[x,y,z]為[3，4，5]并構(gòu)建選定對象，如下圖所示
至此為止，我們已在comsol中生成了1個球體，那么接下來介紹如何利用Matlab生成一定數(shù)量和半徑的球體。
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(gòu)建混凝土細觀結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)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(xiàn)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(shù)標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(wǎng)格劃分。
建立不同骨料部件的裝配。
或是通過AutoCAD軟件對骨料進行處理后導出卵石狀骨料模型，并導入到ABAQUS內(nèi)。
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(shù)值模擬視頻教程。
展開 ABAQUS隨機多邊形骨料及ITZ細觀混凝土CDP模型
混凝土的強度很大程度上取決于粗骨料與水泥砂漿之間的界面過渡區(qū)（ITZ）。本案例在ABAQUS內(nèi)建立隨機多邊形骨料模型，并設置界面過渡區(qū)部件，采用CDP材料建立骨料、砂漿、ITZ三相混凝土細觀模型，并研究模型的軸壓破壞情況。
混凝土細觀模型采用CAD隨機多邊形顆粒插件建模生成，將插件生成的CAD文件按照不同圖層內(nèi)容分三份以草圖的形式導入到ABAQUS內(nèi)。
在ABAQUS內(nèi)利用導入的草圖分別建立砂漿、界面過渡區(qū)、多邊形骨料三部分部件并進行裝配。
在本案例中采用EasyCDP插件快速生成不同強度的混凝土塑性損傷（CDP）材料，并將其分別指派到砂漿及ITZ部件，多邊形骨料不考慮損傷破壞。
選擇動力，顯式分析步，設置時間長度為5，將模型下部設置為固定約束，上部添加向下的位移作為載荷。
進行網(wǎng)格劃分，單元尺寸的設置推薦小于ITZ厚度及插件中設置的顆粒最小間距的較小值。
提交分析查看結(jié)果。
CAD隨機多邊形顆粒
https://www.yqgqt.org.cn/post/1787116
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(jié)構(gòu)中，粗骨料與水泥砂漿之間的界面過渡區(qū)（ITZ）是決定混凝土承受荷載能力的關(guān)鍵因素之一,研究表明，混凝土在承受外力時的破壞主要發(fā)生在界面過渡區(qū)的損傷。本案例介紹通過CAD隨機多面體&過渡區(qū)3D插件建立隨機分布的三維多面體骨料及界面過渡區(qū)細觀混凝土模型，并將模型導入ABAQUS內(nèi)進行多相材料的指定。
在AutoCAD軟件內(nèi)，采用CAD隨機多面體&過渡區(qū)3D V1.0插件建立隨機投放的多面體骨料、界面過渡區(qū)(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(xù)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(nèi)。
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(qū)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(qū)插件
https://www.yqgqt.org.cn/post/1909149
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(nèi)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(shù)，是三維混凝土細觀有限元仿真模擬的關(guān)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(nèi)參數(shù)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(xiàn)不同級配的混凝土細觀模型；可設置每組粒徑的骨料數(shù)量，以實現(xiàn)不同的骨料比例；可設置多面體的面數(shù)，以匹配不同的骨料外形。
在AutoCAD內(nèi)將隨機骨料模型導出為IGES格式后，即可導入到ANSYS Workbench內(nèi)。導入的模型包含圖層信息，可在SpaceClaim內(nèi)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(nèi)對三維多面體骨料混凝土細觀模型進行后續(xù)的模擬操作。
模型導入后，ANSYS會自動設置骨料與外側(cè)基體的接觸對，如默認設置不符也可手動調(diào)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
展開 ABAQUS纖維骨料ITZ孔隙細觀混凝土模型
本案例介紹在ABAQUS內(nèi)建立包含骨料、界面過渡區(qū)、纖維、孔隙在內(nèi)的多相材料二維纖維混凝土細觀模型。
采用CAD纖維混凝土2D插件在AutoCAD內(nèi)建立二維纖維混凝土模型，纖維混凝土模型的不同組分已分圖層進行繪制，需要對不同圖層內(nèi)容分別另存為dxf文件。
在Abaqus內(nèi)將建立的模型文件以草圖的形式分別導入，這里只展示骨料草圖內(nèi)容。
通過草圖建立二維部件模型，這里展示的是纖維部件。
其中界面過渡區(qū)部件需要將直接導入的過渡區(qū)與骨料進行一次切割幾何完成。
將各個部件裝配為整體，將模型中的孔隙部分進行挖除。
可對模型中的不同部分分別設置材料。
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(qū)（ITZ）組成，在Abaqus內(nèi)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(gòu)關(guān)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(qū)，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(tài)。
在Abaqus CAE軟件內(nèi)，采用AbyssFish RandomAggregate V3.2插件建立圓形粗骨料、實體界面過渡區(qū)、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(qū)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(tài)，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(cè)壓板固定，上側(cè)壓板添加豎直向下的位移。
對模型進行網(wǎng)格劃分。
創(chuàng)建作業(yè)提交分析并查看結(jié)果。
展開 ANSYS/LS-DYNA三相細觀骨料混凝土SHPB沖擊壓縮模擬
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，以此為基礎對材料的動態(tài)破壞過程及更為復雜的工況進行模擬研究，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、高應變率荷載作用下裂紋擴展及損傷規(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.《基于三維隨機細觀模型的珊瑚混凝土力學性能模擬》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用前景，可用于靜態(tài)力學試驗、動態(tài)力學試驗、爆破領(lǐng)域、建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域等。
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