混凝土3D打印仿真的案例
GE混凝土3D打印風力發電機基座，復合材料3D打印葉片
如果將可以節約制造成本、縮短生產時間的3D打印引入葉片生產，效果會如何？
2022年4月23日，南極熊獲悉，基于在航空發動機及燃機零部件3D打印上的豐富經驗，通用電氣旗下的再生能源公司開啟了一個新的項目，使用大型的混凝土3D機來建造風力渦輪發電機的基座，由此來減少運輸成本和人力成本。根據測算，通過將一個高度為80米的5MW風機提高至160米的高度，風電場運營商可以增加至少30%的發電量。
風能被認為是一種清潔無公害的可再生能源，隨著全球變暖等環境問題越來越嚴重，風力發電成為了一些國家的重點發展項目。為了能夠充分應用風能，風力渦輪發電機都建的比較大。建造時，需要先打地基，就是挖出一個足夠深的坑，再在其中搭建鋼筋結構，最后澆筑混凝土，整個過程需要大量的工人協同完成。
再生能源公司希望通過混凝土3D打印的方式來建造地基。目前，他們將以現有的混凝土3D打印技術為基礎，進行優化，目標是5年內實現商用。
再生能源公司表示，通過3D打印，可以改變目前的渦輪風力發電機的結構，實現創新。目前，渦輪風力發電機的基座都和地面齊平，在上面搭建大型的金屬圓柱體。再生能源公司的設想是不僅打印基座，還會打印一部分的塔身（原來金屬圓柱的部分）。這樣就能減少大型圓柱體的運輸，節約運輸成本，并降低風力渦輪發電機的搭建難度。
讓風機變得更高后，更輕則是下一個追求。最近，GE與美國能源部建立合作，研究使用3D打印制造風機葉片。這個為期25個月、耗資670萬美元的項目將重點研究如何通過低成本的熱塑性材料和3D打印技術制造一套風機葉片的葉尖部分。完成后，GE團隊及其合作伙伴——橡樹嶺國家實驗室和美國國家可再生能源實驗室將對產品的結構特性進行測試，并將三套葉尖安裝到風機上。
展開 綜述：混凝土3D打印技術的研究與發展
由于 3D 打印建筑物中缺少鋼筋骨架的支撐，結構構件需要達到較高的強度來承受外部荷載，Le等人選用硅酸鹽水泥作為混凝土的膠凝材料，試驗研究表明其層間抵抗彎矩、剪力的能力不足。單選用了普通硅酸鹽水泥作為 3D 打印混凝土膠凝材料，不能達到 3D 打印混凝土所需要的各項性能。而孫建智等人實驗室數據表明，可以通過摻加聚合物等乳液對硅酸鹽水泥的性能進行改性，減少收縮，提高黏結性。
2) 骨料
骨料，是混凝土中占比最大的材料，3D 打印混凝土對骨料的要求比傳統混凝土更高。強度高、密度小、顆粒形貌接近球型的骨料是最適合 3D 打印混凝土使用的，同時 3D 打印混凝土建筑是由一層一層的混凝土堆疊而成，每一層混凝土都比較薄，加上 3D 打印混凝土是通過噴嘴噴出成型，如骨料的粒徑過大，噴嘴可能會被堵塞。但粒徑過小，則包裹骨料表面所需的漿體量大，加之水化速率快，單位時間內釋放的水化熱也高，將會導致混凝土各項性能的惡化。
因此，根據噴嘴的大小選取合適的骨料粒徑至關重要。同時，骨料的細度、顆粒級配、含泥量等指標也需嚴格把控。這些都是由 3D 打印混凝土的特殊性所決定。
3) 礦物摻合料
礦物摻合料有粉煤灰、硅粉、礦粉、陶瓷拋光磚粉等，其活性成分可大幅提高打印構件的強度及結構的致密度，提高材料的耐久性能及結構的使用壽命。對于 3D 打印混凝土的可建造性，早期強度的快速增長尤為重要，Tregger 等人的研究證實，在3D 打印混凝土中摻入納米黏土，有利于提高混凝土的濕壓強度（green strength，或者稱“塑性強度”）。
展開 綜述：混凝土3D打印技術的研究與發展
由于 3D 打印建筑物中缺少鋼筋骨架的支撐，結構構件需要達到較高的強度來承受外部荷載，Le等人選用硅酸鹽水泥作為混凝土的膠凝材料，試驗研究表明其層間抵抗彎矩、剪力的能力不足。單選用了普通硅酸鹽水泥作為 3D 打印混凝土膠凝材料，不能達到 3D 打印混凝土所需要的各項性能。而孫建智等人實驗室數據表明，可以通過摻加聚合物等乳液對硅酸鹽水泥的性能進行改性，減少收縮，提高黏結性。
2) 骨料
骨料，是混凝土中占比最大的材料，3D 打印混凝土對骨料的要求比傳統混凝土更高。強度高、密度小、顆粒形貌接近球型的骨料是最適合 3D 打印混凝土使用的，同時 3D 打印混凝土建筑是由一層一層的混凝土堆疊而成，每一層混凝土都比較薄，加上 3D 打印混凝土是通過噴嘴噴出成型，如骨料的粒徑過大，噴嘴可能會被堵塞。但粒徑過小，則包裹骨料表面所需的漿體量大，加之水化速率快，單位時間內釋放的水化熱也高，將會導致混凝土各項性能的惡化。
因此，根據噴嘴的大小選取合適的骨料粒徑至關重要。同時，骨料的細度、顆粒級配、含泥量等指標也需嚴格把控。這些都是由 3D 打印混凝土的特殊性所決定。
3) 礦物摻合料
礦物摻合料有粉煤灰、硅粉、礦粉、陶瓷拋光磚粉等，其活性成分可大幅提高打印構件的強度及結構的致密度，提高材料的耐久性能及結構的使用壽命。對于 3D 打印混凝土的可建造性，早期強度的快速增長尤為重要，Tregger 等人的研究證實，在3D 打印混凝土中摻入納米黏土，有利于提高混凝土的濕壓強度（green strength，或者稱“塑性強度”）。
展開 研究人員評估不同類型混凝土3D打印的可能性
要3D打印混凝土，必須滿足幾個參數。它必須能夠通過噴嘴擠出，一旦沉積就保持其形狀，并且還能夠在連續層的重量下保持不變。近日，在一篇名為“3D打印混凝土中的可加工性參數評估”的論文中，一組研究人員根據四種不同的測試來測量新混凝土用于3D打印的可操作性：“流動臺，ICAR流變儀，Vicat以及在實驗室中應用的實驗測量旋轉螺桿擠出機的電機的電力消耗。“
對于他們的材料，研究人員使用碎石灰石和硅質河砂各自的一半的組合。用他們開發了原型3D打印系統來測試材料。“生產出使用不同骨料，粘合劑和不同量的水和超塑化劑生產的混凝土混合物，根據四種不同的測試進行可加工性測試并印刷，以便獲得廣泛的測量可加工性參數數據范圍，并最終確定其特征的閾值一種可印刷的混凝土混合物，“研究人員說。
研究人員建立了可印刷性和可建造性的四個標準：
可以通過噴嘴擠出混合物
良好的印刷質量意味著沒有空隙，沒有擠壓材料的尺寸變化
可以實現五層印刷材料而不會塌陷
第1層的高度與第5層的高度~1
很難找到符合所有四個標準的混合物。調整石灰石作為骨料和水泥作為粘合劑的混合物，以達到三種不同的可加工性水平，高，中和低，但沒有一種被認為是可印刷的，因為沒有一種符合所有四個既定標準。
研究人員還評估了隨時間推移的可使用性損失。在混合后0,15和30分鐘測量具有三種不同聚集體（石灰石，河砂和兩者的混合物）的混合物的膨脹。研究人員表示，“石灰石填料混凝土的可加工性比河砂或石灰巖和河砂的混凝土損失率高。這可以用聚合物的粒度來解釋。石灰石填料含有更多的細粉，從混合物中吸收更多的水。
展開 
"瞬間成形"新型混凝土3D打印房屋，COBOD和CEMEX強強聯手
然而，盡管這個項目很成功，但它在很大程度上是一個概念驗證的舉措，是西麥斯材料的3D打印測試案例，因此為了幫助擴大技術的應用，它現在已經與經驗豐富的COBOD展開合作。
"COBOD早在2017年就開始了3D建筑打印，而我們也有自己制作的混凝土配方，"COBOD創始人Henrik Lund-Nielsen解釋說。"我們不得不使用很多的配方水泥來使材料發揮作用，其結果并不像我們所期望的那樣高效。然而，我們繼續尋找普通混凝土的解決方案，這對我們技術的大規模應用至關重要。我們非常高興Cemex公司接受了這一挑戰，并為我們合作開發新的解決方案感到自豪。"
△一名團隊成員慶祝Be More 3D公司的3D打印平房完工。照片來自Be More 3D。
可以3D打印的混凝土
目前，許多建筑3D打印公司使用專有的混凝土混合物，在逐層工作流程中建造結構，這對那些在3D打印行業工作的人來說無疑是熟悉的。例如，早期的市場領導者ICON公司已經開發了一種 "Lavacrete"材料，用于其大型Vulcan機器，而Mighty Buildings公司則提出了自己的石質建筑礦物。
由于使用普通混凝土時出現的流動性問題，這些公司實際上被迫開始嘗試自己配制建筑材料，但這種自行開發的混凝土也能夠幫助他們摒棄傳統施工過程中使用的廢棄模具和框架，從而提高他們技術的成本節約潛力。
然而，COBOD和CEMEX表示新材料開發成功后，他們現在已經克服了阻礙普通混凝土3D打印的路障。具體來說，西麥斯已經想出了一種使其更具流動性和延展性的方法：通過在預拌混凝土中加入專有的D.fab系列添加劑，使混凝土能夠被定制，并在3D打印期間促進沉積。
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。可實現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 混凝土建筑3D打印，英國將建高速HS2鐵路運輸網
鑒于HS2的失誤，HS2公司決定采用3D打印技術，現在可以被視為試圖讓項目回到正軌，特別是考慮到該技術的速度和自動化潛力。
△ChangeMaker3D公司的混凝土3D打印技術正在運行中。照片來自HS2
Printfrastructure 3D打印
SCS JV是Skanska、Costain和STRABAG的合資公司，負責建設HS2的倫敦隧道，現在已經轉向ChangeMaker 3D及其技術來優化這一過程。被稱為 "Printfrastructure"的新型建造技術是HS2公司的專有工藝，它涉及使用計算機控制的機器人安裝的3D打印機，以精確地創建復雜的混凝土結構的規格。
人們普遍認為，一旦在HS2的倫敦終點站現場完成部署，這些機器人將能夠進入其他工藝受物理限制而不能作業的區域，減少了對復雜和昂貴的物流計劃的需求。ChangeMaker 3D程序的自動化性質也使其有可能減少任何建筑引起的旅行中斷，因為通常必須暫停服務以保證工人安全。
此外，作為一個額外的好處，承包商預計該技術將能夠創建內部網狀結構，這不僅起到加固作用，而且使用更少的材料。考慮到這一點，承包商們還與Versarien合作，將石墨烯整合到3D打印混凝土中，可能使他們能夠減少整個項目的碳排放。
最終，SCS JV認為，部署ChangeMaker3D的技術可以使隧道的混凝土和碳排放量減少高達50%。更重要的是，該公司認為由于從建造流程中移除了鋼材并減少對耗油卡車的依賴，采用3D打印技術可以幫助其整個運營更加生態友好。
HS2的創新經理Rob Cairns說："SCS JV和ChangeMaker 3D正在合作的項目是HS2實現的那種意義深遠的創新的一個絕妙證明。"
展開 滿橋行人，這座3D打印混凝土橋也hold得住~
? 造價僅為普通橋梁造價的三分之二
整體橋梁工程的打印用了兩臺機器臂3D打印系統，共用450小時打印完成全部混凝土構件；與同等規模的橋梁相比，它的造價只有普通橋梁造價的三分之二；該橋梁主體的打印及施工未用模板，未用鋼筋，大大節省了工程花費。
? 實時監測系統
與此同時，該橋預埋有實時監測系統，包括振弦式應力監控和高精度應變監控系統，可以即時收集橋梁受力及變形狀態數據，對于跟蹤研究新型混凝土材料性能以及打印構件的結構力學性能具有實際作用。
差不多同一時間，美國軍方工程研究與發展中心的科研人員在加利福尼亞南部地區Camp Pendleton也3D打印了一座現代版貝利橋。據了解，這座鋼筋混凝土橋可承載一輛坦克車的重量。
未來，3D打印在建造橋梁方面還會有哪些新突破？讓我們拭目以待~
來源：3D打印世界
展開 基于ABAQUS的【2D-3D】巖石混凝土CDP的SHPB壓縮仿真 ￥25
附件為基于ABAQUS的【2D】及【3D】巖石混凝土的SHPB壓縮仿真模型，混凝土使用CDP（ Concrete Damaged Plasticity）混凝土損傷塑性模型本構。
附件：SHPB2D-3D.cae，Job-2D-CDP.inp，Job-3D-CDP.inp，Result.opju
ANSYS Workbench纖維混凝土3D
在ANSYS Workbench建立三維纖維混凝土模型可采用CAD隨機幾何3D插件建模后導入，模型包含球體粗骨料、圓柱體長纖維、水泥砂漿基體等不同組分。
在CAD隨機幾何3D插件內設置模型參數后運行，即可在AutoCAD內建立三維纖維混凝土模型，插件支持任意多組纖維或骨料的尺寸設置，可滿足不同級配的纖維混凝土模型。
在CAD內將模型導出為IGES格式文件，并導入到ANSYS Workbench內。可對幾何結構進行編輯，分圖層批量賦值材料屬性等。
在分析系統內對纖維混凝土模型進行后續的模擬。
CAD隨機幾何3D插件
https://www.yqgqt.org.cn/post/1873573
展開 Abaqus混凝土周期性邊界代表體單元插件：Random Sphere RVE 3D (Mesh) - AbyssFish ￥698
插件介紹
Random Sphere RVE 3D (Mesh) - AbyssFish 插件可在Abaqus生成三維具備周期性邊界條件(Periodic Boundary Conditions, PBC)的隨機球體骨料及骨料-水泥界面過渡區(Interfacial Transition Zone, ITZ)模型。即采用周期性代表性體積單元法(Periodic Representative Volume Element，PRVE)，以代表體積單元(Representative Volume Element，RVE)或稱為表征單元體(Representative Elemental Volume, REV)微觀結構的計算來準確地模擬和預測混凝土材料的宏觀行為。插件采用體素網格方式，通過背景網格將砂漿、骨料、ITZ劃分為三個集（Set），并對單元映射三種空材料。
插件支持設置長方體部件的長度(Length)、寬度(Width)、高度(Height)，以及在網格劃分中單元的尺寸(Element size)。可設置生成球體的最小粒徑(D_min)及最大粒徑(D_max)，即球體尺寸的分布范圍，球體占整個長方體試件的比例(Ratio)，界面過渡區的厚度(ITZ)，以及超時終止參數(Time)。
模型可分為砂漿基體、界面層、球體骨料三相材料。
插件生成的模型均滿足周期性分布邊界條件。
可對每個集(Set) 批量插入嵌入0厚度cohesive粘結單元（注：需要自行添加，本插件不具備此功能）。
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展開 
ABAQUS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。
三維混凝土細觀模型通過CAD多面體&過渡區密堆積3D插件建立，模型中不同粒徑分組的骨料及ITZ均已分圖層，同一模型中最高支持設置七相不同種類的材料。
通過AutoCAD軟件將骨料、ITZ、水泥砂漿部件分別導出為iges格式文件后，再以部件的形式導入到ABAQUS內建立混凝土細觀有限元三維模型。
分別設置骨料、界面過渡區、水泥砂漿的材料屬性，并進行指派截面。
可根據研究的需要設置分析步、相互作用及載荷，并進行混凝土細觀模型的裝配操作。
進行混凝土細觀三維模型的網格劃分，本案例中采用二次四面體單元（C3D10）,單元數量為362萬個。
在使用插件建立混凝土細觀三維幾何模型時，應合理設置建模參數，以確保網格劃分的質量。
展開 ANSYS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。
三維混凝土細觀模型基于CAD多面體&過渡區密堆積3D插件構建，其中不同粒徑分組的骨料及界面過渡區（ITZ）均按圖層分組設置，同一模型中可批量配置七種不同材料相。
通過AutoCAD軟件將骨料、ITZ及水泥砂漿部件分別導出為IGES格式文件后，再以部件形式導入ANSYS，通過 Design Modeler導入外部幾何結構文件建立混凝土細觀有限元三維模型。
分析系統選擇顯示動力學，在模型中將建立的混凝土細觀幾何模型打開。
分別設置骨料、界面過渡區、水泥砂漿的材料屬性并完成網格劃分，根據研究內容進行后續的求解分析。
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 PFC3D 5.0代碼 可破碎的cluster，可模擬碎石、礦渣混凝土材料 ￥150
計算結果如圖：
第一步：建立單軸壓縮模型
new
title 'Testing Bonded Particle Model'
def canshu
width = 0.05
height = 0.1
rmax= 1.66e-3
rmin= 1e-3
poro= 0.3
end
@canshu
; Set the domain extent
domain extent -0.03 0.03 -0.03 0.03 -0.06 0.06 condition destroy
cmat default model linear method deformability emod 1.0e9 kratio 1.0
cmat default property dp_nratio 0.5
; create walls extending past the edges of the sample
wall generate id 1 plane dip 0 dd 0 position 0 0 0.05
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wall generate
展開 