comsol細觀混凝土的案例
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 COMSOL基于切片掃描的混凝土細觀模型三維重建
本案例介紹在COMSOL內基于立方體混凝土試件的切片掃描圖像數據進行混凝土骨料及砂漿基體細觀模型的三維重建。
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，并通過圖像識別前處理以區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內進行實體模型的三維重建。
將AutoCAD混凝土模型中的骨料及水泥砂漿基體部分分別導出iges格式文件后再導入到COMSOL內。
可對三維重建后的混凝土細觀模型進行網格劃分，并完成后續的仿真模擬。
展開 COMSOL細觀混凝土砂漿及界面過渡區受壓損傷破壞
混凝土是一種由水泥漿體、粗細骨料組成的復合材料，其中水泥漿與骨料之間的界面過渡區被認為是影響混凝土整體性能的關鍵。建立砂漿、骨料、界面過渡區（ITZ, Interface Transition Zone）的混凝土細觀模型對于深入理解混凝土材料的性能及其損傷破壞機理至關重要。本案例介紹在COMSOL內建立包含多邊形骨料及ITZ的混凝土細觀模型，并對其受壓損傷破壞進行研究。
隨機多邊形骨料混凝土細觀模型采用CAD隨機多邊形顆粒插件建模，將模型中的骨料、ITZ、基體分別另存為dxf格式文件。此CAD樣圖也可在以下鏈接中下載獲取。
CAD隨機多邊形顆粒
將導出的dxf文件依次導入到COMSOL內，并通過布爾操作形成混凝土細觀模型。
對模型進行材料指定，對骨料、砂漿、ITZ分別設置對應密度、楊氏模量及泊松比，同時設置損傷參數，并對模型進行網格劃分。
模型下表面設置為固定約束，上表面指定位移，模擬混凝土試塊受壓狀態，提交計算完成研究。
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 
COMSOL細觀混凝土微裂紋毛細吸水模型
本案例通過COMSOL建立二維混凝土細觀微裂紋模型，模型可進行吸水及離子擴散等方面的研究。幾何模型包括水泥砂漿、粗骨料、砂漿骨料界面過渡區（ITZ）及隨機分布于水泥砂漿內的微裂紋毛細管網四部分，旨在探究通過多插件聯合創建復雜模型的可行性。
多邊形骨料混凝土細觀模型通過CAD隨機多邊形插件2D專業版參數化建模生成。
在AutoCAD混凝土細觀模型的基礎上，在0圖層中新建立與原試件尺寸相同的正方形，并將界面過渡區圖像所在圖層更改為“hole”，以確保采用CAD二維圖形Voronoi劃分插件時可以精準識別外形與孔洞。采用Voronoi算法在砂漿中建立的隨機毛細管網如下。
將生成的模型文件另存為dxf格式，并將其導入COMSOL內，需注意導入時應選定相應的層，并利用布爾運算建立對應的幾何。
對模型中的不同組分設置相應的材料屬性。
劃分網格及完成后續的仿真分析。
展開 COMSOL建立多邊形骨料ITZ二維混凝土細觀模型
混凝土細觀模型在有限元分析中突破傳統均質假設，通過精確模擬骨料、水泥漿體及界面過渡區的多相結構，精準預測微裂縫萌生、擴展與貫通過程。它顯著提升數值模擬精度，揭示損傷演化機制，為混凝土性能預測、結構優化設計提供科學依據，實現微觀結構到宏觀性能的精準關聯，有效支撐混凝土工程的可靠評估與創新設計。本案例介紹在COMSOL內建立包含骨料、砂漿、ITZ在內的多組分混凝土細觀有限元二維模型。
混凝土細觀模型中的粗骨料及界面過渡區ITZ幾何圖形通過CAD隨機多邊形插件2D專業版建模生成。在AutoCAD中建立混凝土細觀模型草圖后，將已分圖層繪制的各組分內容分別另存為dxf格式文件，以備導入到COMSOL內。
將保存的混凝土各組分圖形分別導入到COMSOL，并通過布爾運算建立多邊形骨料、ITZ、水泥砂漿基體混凝土細觀模型。具體操作步驟可參考下圖左側模型開發器中組件下的幾何模塊。
對混凝土細觀模型中的各組分分別設置材料屬性。
添加研究并劃分網格。
后續可根據研究的需要完成混凝土細觀有限元模型的仿真模擬。
展開 COMSOL混凝土細觀模型骨料、砂漿、ITZ水化熱溫度變化分析
混凝土是一種由水泥漿體、粗細骨料組成的復合材料，其中水泥漿與骨料之間的界面過渡區被認為是影響混凝土整體性能的關鍵。建立砂漿、骨料、界面過渡區（ITZ, Interface Transition Zone）的混凝土細觀模型對于深入理解水化熱溫度變化對混凝土材料的影響及其溫度應力導致的內應力損傷至關重要。
本案例介紹在COMSOL內通過球體粗骨料顆粒的堆積算法，建立包含骨料、ITZ、水泥砂漿在內的三相材料混凝土細觀三維模型，并進行混凝土內水化熱溫度變化的分析。
圓柱容器內的球體骨料堆積模型采用CAD球體密堆積_圓柱體試件3D V1.1版本插件建模生成，模型中的骨料通過球體重力堆積及二次振搗密實模擬，建立更加符合實際骨料分布狀態的混凝土細觀模型。
在AutoCAD內將骨料、ITZ、砂漿三部分分別導出為iges格式文件后導入到COMSOL內形成裝配建立混凝土細觀模型。
添加固體傳熱物理場并對混凝土細觀中的三組分分別設置材料屬性，完成網格劃分。
根據實際工況設置合理的初始條件及邊界后，添加瞬態研究并完成混凝土細觀模型的水化熱溫度變化仿真分析。
展開 CAD_隨機多面體&過渡區插件 ￥2099
有限元模型
插件生成的幾何模型支持Comsol、ANSYS、Abaqus、Fluent、LS_DYNA、HFSS等多款有限元軟件，以下僅為細觀混凝土骨料砂漿ITZ三相材料的部分樣圖：
ANSYS隨機骨料及過渡區ITZ
Abaqus細觀混凝土隨機多面體骨料及過渡區ITZ
Comsol細觀混凝土骨料砂漿過渡區ITZ
樣圖下載
隨機多面體ITZ樣圖.rar
說明提醒
插件免安裝，支持AutoCAD2010~2023版本，不支持精簡版CAD或其他CAD軟件。
打開CAD軟件并新建繪圖界面后運行插件會自動參數化繪圖。
CAD隨機多面體&過渡區插件需要注冊，注冊后可永久使用，版本更新不影響注冊狀態，注冊請聯系QQ：1135122921。
展開 COMSOL混凝土細觀3D模型-含界面過渡區的多面體骨料密堆積
混凝土的宏觀力學性能主要受其細觀結構控制，其中骨料與水泥基體間的界面過渡區（ITZ）作為薄弱相，顯著影響材料的力學行為與耐久性。本文基于COMSOL Multiphysics有限元軟件，構建含ITZ的多面體骨料密堆積三維細觀模型，有效表征混凝土的非均質特性，準確反映骨料形態、分布及界面行為對整體性能的影響機制，為揭示混凝土損傷演化規律、優化配合比設計及提升結構耐久性提供理論支撐。
本研究采用CAD多面體&過渡區密堆積3D插件生成混凝土三維細觀幾何模型。模型中骨料按粒徑劃分為三個組別，并通過堆積算法實現高填充率的隨機密堆積排布，同時在每顆骨料外圍自動生成可設置厚度的ITZ層。插件分別對不同粒徑范圍的骨料、對應的ITZ以及水泥砂漿基體分圖層繪制，便于后續材料賦值與處理分析。
利用AutoCAD軟件將骨料、ITZ及水泥砂漿三類幾何部件分別導出為IGES格式文件。在COMSOL中通過“幾何-導入”功能依次導入各IGES文件，并在幾何中設置長度單位，形成裝配以構建完整的混凝土三維細觀實體模型。
在COMSOL中分別為骨料、ITZ和水泥砂漿指定材料屬性。
采用四面體網格對模型進行網格劃分，單元大小設置為細化。
展開 COMSOL混凝土細觀單軸拉伸斷裂模擬基于相場損傷模型
混凝土細觀模型
構建骨料、砂漿、界面過渡區三種組分的混凝土細觀模型，模型構建采用CAD隨機多邊形顆粒插件進行參數化建模生成，操作詳細步驟可參考：【COMSOL隨機多邊形骨料及界面過渡區ITZ建?！?插件中粗骨料采用多邊形模型，骨料的位置以隨機投放的算法進行實現，骨料多邊形形狀及邊數可通過參數進行定義；界面過渡區（ITZ）采用單獨的部件，分布于粗骨料與砂漿之間，以此來獲得表征混凝土細觀特征的隨機骨料模型。
相場斷裂理論
現階段在有限元框架下模擬裂紋擴展的數值分析方法主要有單元刪除法、界面單元法、擴展有限元 (XFEM)等；相場理論是通過在尖銳裂縫擴展的邊界引入0~1的相場來反映材料的損傷或斷裂程度，通過相場的控制方程來實現變量的演化。相場 (phase-field) 斷裂模型是一種彌散式裂紋模型，是基于傳統 Griffith理論, 通過能量平衡理論研究裂紋的擴展行為，與其他斷裂理論相比，相場理論具有便于描述裂紋的形成、分岔等復雜情況，網格敏感性較小等優點。
模型樣圖
建模采用的CAD模型樣圖可在下面鏈接下載：
https://www.yqgqt.org.cn/post/1787116
展開 COMSOL混凝土細觀模型之圓形骨料及界面過渡區ITZ建模教程
模型總覽
建模教程
1、CAD模型構建
采用CAD隨機圓形插件建立CAD模型：
將每個圖層上的圖形另存為.dxf格式文件：
2、comsol建模
打開comsol軟件，導入事先保存的dxf文件1與文件2，并做差集：
同樣的操作，導入dxf文件2、文件3并做差集：
定義自己需要的三種材料（這里隨便取了三種）分別作為基體、界面過渡區、骨料的材料，對基體及界面過渡區進行材料賦值：
點擊“單擊和隱藏”，暫時將模型全部隱藏，然后導入dxf文件3，并對導入的模型賦值材料參數：
最后顯示全部就完成模型的構建了~
comsol聯合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?？筛鶕枰M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聯matlab，安裝完成后即可出現該程序。]
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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，并以此點擊模型向導→三維→完成。此時在模型開發器中右鍵幾何，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生成一定數量和半徑的球體。
展開 COMSOL隨機多面體骨料 三維凸多面體骨料 無規則孔隙 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，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，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，否則可能會出現材料賦值難以選取的問題。
最后進行網格劃分、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
展開 細觀混凝土建模
可生成任意形狀（外部輪廓）的細觀混凝土幾何模型與網格，分離式建模
支持多種軟件計算
有意私聊
