隨機三維球體模型的案例
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(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 ANSYS Workbench隨機球體多孔結構三維模型
三維多孔結構廣泛存在于材料科學、生物醫(yī)學工程、土木工程等領域，如泡沫金屬、骨組織、過濾介質等，通過ANSYS Workbench對三維多孔結構進行有限元模擬，是對其進行性能分析的有效手段。
在ANSYS內(nèi)建立多孔結構模型可采用CAD隨機球體插件專業(yè)版參數(shù)化建立模型后再將模型導入到Workbench內(nèi)實現(xiàn)。
具體操作步驟為在AutoCAD內(nèi)將生成的多孔結構模型導出為.sat格式文件，再通過Workbench幾何結構-導入幾何模型，將模型導入到Workbench內(nèi)。
可對模型進行網(wǎng)格劃分。
后續(xù)可根據(jù)研究內(nèi)容對模型進行有限元模擬分析。
CAD隨機球體插件 專業(yè)版
https://www.yqgqt.org.cn/post/1945446
展開 CAD隨機球體顆粒插件 三維孔隙模型 ￥299
功能說明
CAD隨機球體顆粒插件用于在AutoCAD軟件指定大小的長方體區(qū)域內(nèi)生成隨機分布的無干涉球體顆粒，同時生成與球體顆粒適配的帶有孔洞的長方體基體。
球體顆?？梢灾付ㄈN粒徑范圍，并可以分別定義各個粒徑所占的比例，同時插件支持球體總體積的比例控制，也就是具有控制長方體基體孔隙率的功能。
插件生成的三維球體之間及與長方體基體之間均不會發(fā)生相交，可導入ANSYS、Ls-Dyna、ABAQUS、COMSOL、Fluent等有限元軟件進行裝配操作，用于模擬多孔或孔隙介質或顆粒復合材料。
插件在生成基體部件及每一個粒徑范圍的球體顆粒時，均采用不同的CAD圖層繪制，方便使用者的后續(xù)處理及不同材料類型的分批次導入。
CAD隨機球體插件為免安裝的exe可執(zhí)行文件，但需要有Autodesk公司的AutoCAD軟件作為支持，插件對CAD2008~2022全面兼容。
插件具有中文界面，界面參數(shù)等信息明了易懂，同時提供人性化的運行狀態(tài)提示功能，可實時了解運行狀態(tài)。插件對異常的參數(shù)信息具有初步鑒別功能，可有效防止參數(shù)設置失誤造成的程序崩潰。
說明提醒
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(tài)，注冊請聯(lián)系QQ：1135122921。
CAD樣圖
在購買插件前可查看下列插件生成的CAD三維球體及孔隙基體的樣圖，并可嘗試樣圖導入有限元軟件的情況，如無問題可購買。樣圖參數(shù)如下：
三維隨機球體及孔隙材料樣圖CAD文件.rar
展開 comsol隨機幾何 隨機分布顆粒 纖維混凝土 不干涉模型 隨機球體 隨機裂縫
comsol隨機幾何模型
在常見的材料中，嚴格來講均質單一性的材料并不常見，更多的是隨機材料。這就使得在幾何建模時需要考慮材料的隨機性，這里講介紹幾種常見的隨機材料模型及在comsol內(nèi)構建該模型的方法。
comsol多類隨機裂隙，帶厚度裂隙：
comsol纖維隨機分布，復合材料：
comsol隨機分布顆粒：
comsol隨機孔隙：
comsol不干涉隨機幾何構建
在comsol內(nèi)主流的隨機分布幾何構建方法是通過COMSOL with Matlab連接，通過Matlab代碼實現(xiàn)模型的建立。但是采用 LiveLink for MATLAB的方案對于初學者要求較高，需要掌握MATLAB語法基礎并具有一定的程序設計能力。這里介紹另一種快速建模的方法，通過CAD文件導入到COMSOL內(nèi)。
而在CAD內(nèi)建立隨機幾何可通過其他軟件設置好參數(shù)后一鍵生成，從而無需編程操作。下面是能構建以上幾種模型CAD軟件。
下載鏈接：CAD隨機幾何3D
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(nèi)構建混凝土細觀模型是分析的前提?，F(xiàn)階段在ANSYS內(nèi)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(nèi)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(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 Abaqus隨機球體三維建模插件 ￥98
插件介紹
AbyssFish_RandomSphere3D V2.0 插件可在Abaqus內(nèi)參數(shù)化生成隨機分布的球體部件及與之適配的多孔長方體部件。插件可用于構建球體骨料混凝土細觀、隨機彈丸、泡沫混凝土、多孔結構模型等，可設置模型的尺寸、球體的粒徑分布、球體比例等參數(shù)。
模型說明
插件采用部件（Part）裝配方式，分別建立隨機分布的球體及帶有孔洞的長方體部件，并進行模型裝配。
插件建立的模型中每個球體為一個獨立的部件，且插件已對所有球體進行空材料的指派，用戶可批量更改球體的截面屬性。
模型中所有球體可以批量進行網(wǎng)格劃分，方便用戶使用。
注意，插件僅完成了幾何部件的裝配操作，并未指定材料屬性、分析步、相互作用、載荷、網(wǎng)格等，此部分內(nèi)容需要用戶根據(jù)模擬內(nèi)容自行設置。
參數(shù)說明
Length、Width、Height：設置模型的長寬高尺寸，分別對應坐標軸x， y，z方向。單位全局統(tǒng)一即可。
Radius_Max、Radius _Mid、Radius _Min：大中小三種粒徑球體的半徑分布區(qū)間。粒徑區(qū)間設置可連續(xù)也可不連續(xù)，可指定所有粒徑大小一致。
Ratio：當前組球體占所有球體的比例，比例為體積比。
Volume ratio：所有球體的體積占長方形體積的比例。
Gap_min：球體之間可能存在的最小間距，本參數(shù)設置是為了防止球體之間距離過小造成模型中存在小邊，而影響到后期的網(wǎng)格劃分，此參數(shù)設置建議大于外側長方體的最小單元尺寸。
Timeout：最大投放次數(shù)，模型采用隨機投放算法，達到設定的投放嘗試次數(shù)后停止。
展開 Abaqus隨機球體三維圓柱體試件建模插件 ￥98
插件介紹
AbyssFish Random Sphere Cylinder 3D V2.0 插件可在Abaqus內(nèi)參數(shù)化生成隨機分布的球體部件及圓柱體試件三維模型。插件可用于構建球體骨料混凝土細觀、球體彈丸、泡沫混凝土、多孔結構模型等，可設置模型的尺寸、球體的粒徑分布、球體比例等參數(shù)。
模型說明
插件采用多部件（Part）裝配方式，分別建立隨機分布的球體及帶有孔洞的圓柱體部件，并進行模型裝配。
插件建立的模型中每個球體為一個獨立的部件，且插件已對所有球體進行空材料的指派，用戶可批量更改球體的截面屬性。
模型中所有球體可以批量進行網(wǎng)格劃分，方便用戶使用。
注意，插件僅完成了幾何部件的裝配操作，并未指定材料屬性、分析步、相互作用、載荷、網(wǎng)格等，此部分內(nèi)容需要用戶根據(jù)模擬內(nèi)容自行設置。
參數(shù)說明
Diameter、Height：設置圓柱體模型的直徑及高度。單位全局統(tǒng)一即可。
Diameter Min、Diameter Max：球體的直徑分布區(qū)間。隨機球體均勻分布在設定的參數(shù)值范圍內(nèi)。
Sphere ratio：所有球體的體積占圓柱體體積的比例。
Gap_min：球體之間可能存在的最小間距，本參數(shù)設置是為了防止球體之間距離過小造成模型中存在小邊，而影響到后期的網(wǎng)格劃分。
Steps_max：最大投放次數(shù)，模型采用隨機投放算法，達到設定的投放嘗試次數(shù)后停止。此參數(shù)若設置過小可能會達不到設定的球體百分比，應根據(jù)球體數(shù)量適當調整。
適用版本
插件可運行在Windows10、11系統(tǒng)上，支持Abaqus2024及以上版本。
展開 ABAQUS插件——三維隨機球體生成 ￥98
Abaqus插件，可用于生成指定空間內(nèi)指定大小的隨機分布球體。
可用于混凝土隨機骨料模型、混凝土細觀的建立等方面的研究。
已對所有生成的部件賦值空材料截面信息，替換截面材料后可批量修改。
注：插件僅用于生成空間隨機分布球體，力學計算等需自行處理。
插件界面：
生成球體：（2332個）
基體部件：
注意：軟件需要注冊，將注冊編號發(fā)給作者獲取注冊文件。
可聯(lián)系作者QQ：1135122921獲取軟件及完成注冊，價格一致。
注冊編號見插件運行后Abaqus下方的信息提示欄。
使用說明：
插件解壓后將文件夾置于C:\Users\“用戶名”\abaqus_plugins文件夾；或abaqus工作目錄\abaqus_plugins下。打開軟件Plug-ins菜單下運行。
工作目錄查看方式：右擊AbaqusCAE-屬性-快捷方式-起始位置。
展開 CAD隨機球體插件 專業(yè)版 ￥1799
插件介紹
CAD隨機球體插件專業(yè)版可用于在AutoCAD內(nèi)建立隨機分布的球體三維模型。
模型說明
模型尺寸中長度、寬度、高度：設定隨機球體生成的長方體區(qū)域，及生成的長方體部件尺寸。
建模控制中球體內(nèi)包參數(shù)為限定球體是否會穿過模型的邊界。當球體內(nèi)包打開時，所有球體均位于長方體部件內(nèi)部，與長方體邊界不相交；當球體內(nèi)包關閉時，球體可跨越長方體邊界。
最小間距參數(shù)為控制球體之間可能存在的最小距離，間距指球體外表面之間的最小距離，可同時限定球體與長方體模型外邊緣的最小距離。當最小間距設置為非負數(shù)時，所有球體之間均不會發(fā)生相交；當設置為負數(shù)時，球體可能出現(xiàn)干涉。可控制此參數(shù)的值來實現(xiàn)連通孔隙或封閉孔隙。
迭代指數(shù)為單個球體的投放嘗試次數(shù)，模型采用隨機投放算法生成，適當加大迭代指數(shù)可確保模型能有效構建。
粒徑比例參數(shù)可設置球體的最小直徑、最大直徑、體積比參數(shù)，體積比指當前組球體的總體積占長方體試件體積的比例。插件通過右側的添加按鈕可設置任意多組粒徑比例，以實現(xiàn)如正態(tài)分布、富勒曲線、連續(xù)級配、間斷級配等較為復雜的粒徑分布模型。
AutoCAD內(nèi)對粒徑比例中每組序號的球體分圖層繪制，便于批量管理。
繪圖完成后，插件輸出包含模型孔隙率、每組粒徑范圍的球體數(shù)量、球體比例在內(nèi)的整個模型信息。
展開 ANSYS Workbench隨機球體及過渡區(qū)三維混凝土細觀建模
在ANSYS Workbench內(nèi)建立隨機球體及ITZ界面層混凝土細觀模型可采用CAD隨機球體顆粒&過渡區(qū)3D插件建模后將模型導入。
在插件內(nèi)設置好模型參數(shù)后運行，插件會自動完成隨機球體、界面過渡區(qū)、基體模型的建立。插件已將不同部件分圖層進行建模，將模型整體導出為IGES格式文件。
在ANSYS Workbench內(nèi)選擇幾何結構-導入幾何模型，選擇保存的IGES文件并導入，通過SpaceClaim打開，可對不同圖層內(nèi)容進行批量管理并賦值材料屬性。
打開模型，可對混凝土細觀模型進行有限元仿真模擬。
CAD隨機球體顆粒&過渡區(qū)3D插件
https://www.yqgqt.org.cn/post/1916053
展開 ABAQUS隨機球體骨料細觀混凝土三維圓柱試件軸壓開裂
本案例在ABAQUS軟件內(nèi)，建立隨機投放的三維球體骨料及圓柱體混凝土試件，基于損傷力學模型，進行準靜態(tài)軸心受壓試驗，研究混凝土圓柱試件的裂縫開展。
在Abaqus CAE軟件內(nèi)，采用AbyssFish RandomSphere Cylinder 3D V2.0插件建立球體骨料、圓柱體試件三維混凝土細觀模型。
建立圓柱體部件作為壓力試驗機加載板，并將其與插件生成的試件模型裝配為整體，設置兩者之間的相互作用。
添加材料，插件已將模型中的所有球體統(tǒng)一賦值截面屬性，只需替換截面中的材料，即可實現(xiàn)所有球體的材料批量賦值。
建立分析步，將上部板添加位移，下部板設置為固定約束，模擬試驗機的荷載施加。
對模型各部分進行網(wǎng)格劃分。
創(chuàng)建作業(yè)提交分析查看結果。
展開 
ANSYS隨機骨料 纖維混凝土 三維隨機纖維骨料 隨機纖維 隨機裂縫 隨機幾何模型
1、ANSYS三維纖維骨料混凝土：
2、ANSYS球形試件隨機模型：
3、ANSYS隨機裂縫巖石節(jié)理裂隙
建模插件：
CAD隨機幾何3D插件
COMSOL三維隨機裂紋 裂縫模型 隨機裂隙 隨機纖維建模
在COMSOL中可采用CAD模型導入的方式實現(xiàn)隨機裂紋或是纖維材料的建模。首先需要在CAD內(nèi)生成所需的三維纖維模型，這里用到了CAD_隨機纖維3D插件。模型建立如下圖所示。注意這里的纖維采用的是線，而非實體。
將長方體基體導出為.sat文件，同時將刪除基體后的線狀纖維另存為.dwg文件。
打開COMSOL軟件，在幾何菜單下選擇導入三維CAD文件，選擇剛剛保存的.dwg文件，并將要導入的對象更改為曲線和點，可選擇合并曲線對象。構建對象，這樣三維的線就導入到COMSOL軟件內(nèi)了。
下一步我們將長方體的基體材料也導入到COMSOL內(nèi)，其實這一步也可以在COMSOL中直接建模完成。還是選擇導入，選擇剛剛保存的.sat文件，在這里要導入的對象需要選擇實體。
到這一步纖維跟基體就全部導入到COMSOL內(nèi)了。
如果想再COMSOL內(nèi)模擬線性的裂縫，需要將基體進行分割操作，選擇布爾操作和分割-差集。要添加的對象選擇基體，要減去的對象選擇纖維。
構建對象后，基體材料就被纖維分割完成，形成了基體內(nèi)的線狀裂縫。
后面進行網(wǎng)格剖分分析等，可根據(jù)自己的要求進行。
最后看一下GIF效果圖：
在建模過程中所采用的AutoCAD插件可以在這里下載得到：
CAD_隨機纖維3D插件
如需2D版本可通過下面鏈接下載：
CAD隨機纖維2D插件
展開 ABAQUS圓柱容器內(nèi)三維球體重力堆積含有ITZ界面模型
本案例介紹在ABAQUS內(nèi)建立球體重力密堆積三維模型，模型采用圓柱體試件，包含界面過渡區(qū)ITZ部件，可用于超高骨料占比的混凝土細觀幾何建模。
圓柱體試件內(nèi)的球體密堆積及ITZ等部件采用CAD球體密堆積_圓柱體試件3D插件在AutoCAD軟件內(nèi)參數(shù)化建模生成。插件可設置三組粒徑范圍的球體顆粒，并可指定每組粒徑的占比。在本案例中為方便網(wǎng)格劃分，將球體間的最小間距設置為2毫米，界面過渡區(qū)ITZ厚度設置為1毫米，如需獲取更高的骨料占比，可將上述兩個參數(shù)調小，來實現(xiàn)更為密集的骨料堆積狀態(tài)。
將CAD中生成的球體密堆積骨料、空心球ITZ部件、圓柱體水泥砂漿基體分別導出為iges格式文件，三部分模型在CAD內(nèi)分圖層繪圖，可方便的批量導出。
將三份iges文件以部件的形式導入到ABAQUS內(nèi)，建立混凝土細觀中的砂漿、粗骨料、ITZ部件。
為各個部件分別設置材料，如水泥砂漿及界面過渡區(qū)ITZ均可采用混凝土損傷塑性材料參數(shù)，這里使用EasyCDP插件快速設置CDP材料屬性。
將混凝土細觀中的骨料、砂漿、ITZ部件進行裝配，插件建模時已將各部件的位置進行了對齊，因此裝配后無需再次移動。
根據(jù)模擬工況的需要設置分析步并施加載荷邊界條件等，并進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分時建議單元尺寸應接近建模時在插件中設置的最小間距及界面層厚參數(shù)，以確保網(wǎng)格質量。
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
模型采用CAD隨機多面體3D插件建立并導入ANSYS軟件。
在ANSYS內(nèi)進行網(wǎng)格劃分。
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。
