comsol細(xì)觀混凝土
關(guān)注創(chuàng)建者：淵魚 創(chuàng)建時(shí)間：2023-06-13
comsol細(xì)觀混凝土的視頻教程
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
可能會(huì)說(shuō)，即使這樣纖維仍然還會(huì)有很多的區(qū)域可以投放，但混凝土中存在著成百上千甚至上萬(wàn)個(gè)的骨料，投放纖維之前遍歷已有骨料的坐標(biāo)后，再按照這樣局限的方法進(jìn)行判斷，纖維存在的區(qū)域勢(shì)必大大降低，生成出來(lái)的纖維分布狀態(tài)并不樂(lè)觀。 詳情觀看帖子三維隨機(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
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三維隨機(jī)球體骨料細(xì)觀混凝土模型/基于Python的Abaqus二次開發(fā)應(yīng)用/三維細(xì)觀混凝土
細(xì)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(guò)渡區(qū)（itz），以及其他組分等組成的多相復(fù)合模型。本視頻為最入門的三維隨機(jī)球體骨料細(xì)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(yàn)為例進(jìn)行教學(xué)，在ABAQUS中運(yùn)行腳本后可以輸入混凝土模型參數(shù)：混凝土長(zhǎng)寬高、保護(hù)層厚度、隨機(jī)骨料粒徑范圍、骨料率和itz厚度。
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ABAQUS細(xì)觀混凝土高溫后軸壓性能試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)——三維骨料細(xì)觀混凝土立方體試塊高溫作用后靜力分析
三維骨料細(xì)觀混凝土由于考慮了骨料、ITZ、砂漿不同的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)，用于高溫作用后軸壓性能分析有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。高溫作用后混凝土的強(qiáng)度、彈性模量減低原因主要有兩方面：一是內(nèi)部材料熱膨脹系數(shù)差異性使得混凝土升溫后發(fā)生不均勻變形導(dǎo)致受拉損傷，二是高溫作用后混凝土分子間作用力降低。由于力加載發(fā)生在試件高溫冷卻后，因此直接將材料性能與當(dāng)前溫度耦合會(huì)導(dǎo)致加載時(shí)材料分子間作用力不受溫度影響。
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comsol細(xì)觀混凝土的實(shí)例教程
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(jiǎn)單三維球體細(xì)觀模型的課程已更新一年半有余，后臺(tái)私信和留言中有不少同學(xué)咨詢“怎么添加纖維/有沒(méi)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(lái)潮，那么今天就寫了這個(gè)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(jiǎn)單，只需要使用python代碼隨機(jī)生成一個(gè)球體特征數(shù)據(jù)，再與已存儲(chǔ)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(chǔ)在骨料數(shù)據(jù)庫(kù)中，進(jìn)行下一個(gè)球體的生成與判斷；若小于，則不存儲(chǔ)，進(jìn)行下一個(gè)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(gè)思路放到纖維與骨料之間的判斷中來(lái)，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(diǎn)坐標(biāo)與骨料球心坐標(biāo)，計(jì)算出球心到直線的距離就可以了，如下圖所示。
使用點(diǎn)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(méi)啥問(wèn)題，但其實(shí)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(shí)，雖然纖維與骨料并沒(méi)有相交，但簡(jiǎn)單地使用點(diǎn)到直線的距離公式，會(huì)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 本案例通過(guò)COMSOL建立二維混凝土細(xì)觀微裂紋模型，模型可進(jìn)行吸水及離子擴(kuò)散等方面的研究。幾何模型包括水泥砂漿、粗骨料、砂漿骨料界面過(guò)渡區(qū)（ITZ）及隨機(jī)分布于水泥砂漿內(nèi)的微裂紋毛細(xì)管網(wǎng)四部分，旨在探究通過(guò)多插件聯(lián)合創(chuàng)建復(fù)雜模型的可行性。
多邊形骨料混凝土細(xì)觀模型通過(guò)CAD隨機(jī)多邊形插件2D專業(yè)版參數(shù)化建模生成。
在AutoCAD混凝土細(xì)觀模型的基礎(chǔ)上，在0圖層中新建立與原試件尺寸相同的正方形，并將界面過(guò)渡區(qū)圖像所在圖層更改為“hole”，以確保采用CAD二維圖形Voronoi劃分插件時(shí)可以精準(zhǔn)識(shí)別外形與孔洞。采用Voronoi算法在砂漿中建立的隨機(jī)毛細(xì)管網(wǎng)如下。
將生成的模型文件另存為dxf格式，并將其導(dǎo)入COMSOL內(nèi)，需注意導(dǎo)入時(shí)應(yīng)選定相應(yīng)的層，并利用布爾運(yùn)算建立對(duì)應(yīng)的幾何。
對(duì)模型中的不同組分設(shè)置相應(yīng)的材料屬性。
劃分網(wǎng)格及完成后續(xù)的仿真分析。
展開 混凝土細(xì)觀模型在有限元分析中突破傳統(tǒng)均質(zhì)假設(shè)，通過(guò)精確模擬骨料、水泥漿體及界面過(guò)渡區(qū)的多相結(jié)構(gòu)，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)微裂縫萌生、擴(kuò)展與貫通過(guò)程。它顯著提升數(shù)值模擬精度，揭示損傷演化機(jī)制，為混凝土性能預(yù)測(cè)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)到宏觀性能的精準(zhǔn)關(guān)聯(lián)，有效支撐混凝土工程的可靠評(píng)估與創(chuàng)新設(shè)計(jì)。本案例介紹在COMSOL內(nèi)建立包含骨料、砂漿、ITZ在內(nèi)的多組分混凝土細(xì)觀有限元二維模型。
混凝土細(xì)觀模型中的粗骨料及界面過(guò)渡區(qū)ITZ幾何圖形通過(guò)CAD隨機(jī)多邊形插件2D專業(yè)版建模生成。在AutoCAD中建立混凝土細(xì)觀模型草圖后，將已分圖層繪制的各組分內(nèi)容分別另存為dxf格式文件，以備導(dǎo)入到COMSOL內(nèi)。
將保存的混凝土各組分圖形分別導(dǎo)入到COMSOL，并通過(guò)布爾運(yùn)算建立多邊形骨料、ITZ、水泥砂漿基體混凝土細(xì)觀模型。具體操作步驟可參考下圖左側(cè)模型開發(fā)器中組件下的幾何模塊。
對(duì)混凝土細(xì)觀模型中的各組分分別設(shè)置材料屬性。
添加研究并劃分網(wǎng)格。
后續(xù)可根據(jù)研究的需要完成混凝土細(xì)觀有限元模型的仿真模擬。
展開 本案例介紹在COMSOL內(nèi)基于立方體混凝土試件的切片掃描圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行混凝土骨料及砂漿基體細(xì)觀模型的三維重建。
首先需要獲取混凝土試件的切片掃描圖像，這里采用物理切片的方式，逐層掃描尺寸為150×150×150的立方體混凝土試件斷面圖像，并通過(guò)圖像識(shí)別前處理以區(qū)分混凝土中的骨料及砂漿部分。
采用CAD斷層掃描三維重建插件將混凝土試件的斷層掃描文件在AutoCAD內(nèi)進(jìn)行實(shí)體模型的三維重建。
將AutoCAD混凝土模型中的骨料及水泥砂漿基體部分分別導(dǎo)出iges格式文件后再導(dǎo)入到COMSOL內(nèi)。
可對(duì)三維重建后的混凝土細(xì)觀模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并完成后續(xù)的仿真模擬。
展開 模型實(shí)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(shí)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(shí)，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(diǎn)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(jì)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(shí)現(xiàn)的方式，這極大的節(jié)省了模型建立的耗時(shí)，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(shí)現(xiàn)的模型較為簡(jiǎn)單，幾何模型單一。
建模方案
這里介紹一種通過(guò)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(shí)現(xiàn)多種混凝土模型的快速構(gòu)建。CAD導(dǎo)入Abaqus的方法簡(jiǎn)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(duì)應(yīng)的.sat文件即可。
下面是通過(guò)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(jiǎn)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(jiàn)下方鏈接：
CAD隨機(jī)幾何3D插件
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混凝土的宏觀力學(xué)性能主要受其細(xì)觀結(jié)構(gòu)控制，其中骨料與水泥基體間的界面過(guò)渡區(qū)（ITZ）作為薄弱相，顯著影響材料的力學(xué)行為與耐久性。本文基于COMSOL Multiphysics有限元軟件，構(gòu)建含ITZ的多面體骨料密堆積三維細(xì)觀模型，有效表征混凝土的非均質(zhì)特性，準(zhǔn)確反映骨料形態(tài)、分布及界面行為對(duì)整體性能的影響機(jī)制，為揭示混凝土損傷演化規(guī)律、優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)及提升結(jié)構(gòu)耐久性提供理論支撐。
混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)其宏觀力學(xué)性能具有決定性影響。界面過(guò)渡區(qū)（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(xué)行為與耐久性。基于ANSYS軟件構(gòu)建含界面過(guò)渡區(qū)的多面體骨料密堆積3D模型，可有效表征混凝土細(xì)觀非均質(zhì)特性，精確模擬骨料形態(tài)、分布及界面行為對(duì)材料性能的影響機(jī)制。該研究為揭示混凝土損傷演化規(guī)律提供理論支撐，對(duì)優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)、提升結(jié)構(gòu)耐久性具有重要學(xué)術(shù)價(jià)值與工程應(yīng)用前景。
上篇文章介紹了基于圖像進(jìn)行混凝土細(xì)觀模型的幾何重構(gòu)法，詳細(xì)步驟可查看下面的連接。
ABAQUS二維混凝土細(xì)觀模型的數(shù)字化重建技術(shù)(一)幾何重構(gòu)
https://www.yqgqt.org.cn/post/1990726
本篇介紹二維混凝土細(xì)觀模型在ABAQUS
在基于ABAQUS開展混凝土細(xì)觀力學(xué)模擬時(shí)，數(shù)字化重建技術(shù)是構(gòu)建能夠真實(shí)反映混凝土內(nèi)部多相結(jié)構(gòu)（如骨料、砂漿、界面過(guò)渡區(qū)ITZ及孔隙等）的關(guān)鍵前置步驟。混凝土細(xì)觀模型研究中主流的數(shù)字化重建方法主要分為以下兩類：一是幾何重構(gòu)法，從CT或照片圖像中提取真實(shí)骨料輪廓，通過(guò)AutoCAD等軟件重建混凝土骨料、ITZ幾何模型，再導(dǎo)入ABAQUS進(jìn)行網(wǎng)格劃分；二是圖像映射法，將混凝土高分辨率掃描圖像通過(guò)預(yù)處理將不同材料進(jìn)行顏色區(qū)分后
混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)其宏觀力學(xué)性能具有決定性影響。界面過(guò)渡區(qū)（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(xué)行為與耐久性。在ABAQUS中構(gòu)建含界面過(guò)渡區(qū)的多面體骨料密堆積3D模型，能夠真實(shí)反映混凝土細(xì)觀非均質(zhì)特性，精確模擬骨料形態(tài)、分布及界面行為對(duì)材料性能的影響機(jī)制。該研究為揭示混凝土損傷演化規(guī)律提供理論支撐，對(duì)優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)、提升結(jié)構(gòu)耐久性具有重要學(xué)術(shù)價(jià)值與工程應(yīng)用前景。
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ABAQUS三維多面體骨料密堆積建模通過(guò)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(shí)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(shí)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
ABAQUS二維隨機(jī)多邊形骨料及界面過(guò)渡區(qū)（ITZ）的混凝土細(xì)觀建模研究，可有效揭示混凝土內(nèi)部多相復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)機(jī)理。該模型能夠真實(shí)反映骨料隨機(jī)分布特征及ITZ對(duì)裂縫萌生與擴(kuò)展的影響，為準(zhǔn)確模擬混凝土損傷演化過(guò)程、預(yù)測(cè)宏觀力學(xué)性能提供理論基礎(chǔ)，對(duì)提升混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與安全性具有重要意義。本案例介紹在ABAQUS內(nèi)建立多邊形骨料、界面過(guò)渡區(qū)（ITZ）、水泥砂漿基體多相材料混凝土細(xì)觀有限元模型。
COMSOL建立多邊形骨料ITZ二維混凝土細(xì)觀模型7個(gè)月前
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