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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。

模型采用CAD隨機多面體3D插件建立并導入ANSYS軟件。在ANSYS內進行網格劃分。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，以實現大粒徑與小粒徑的匹配度。

ITZ：骨料外側界面過渡區的厚度。當設置為0時，可實現無界面過渡區模型。 Margin：骨料或孔隙距離試件外表面的距離。當設置為負數時，可實現骨料及孔隙穿過試件外表面的效果。 Time：超時停止，單位秒。模型采用隨機投放算法，達到設定的時間后停止投放，并生成模型。此參數若設置過小可能會達不到設定的比例，應根據骨料及孔隙比例適當調整。

一般情況下骨料數量越多，程序運行時間越長，當骨料數量設置過多或已超出理論的最大值后，將導致程序無法在有限的時間內停止，因此需要用戶指定合理的迭代次數，當程序到達指定的迭代次數后會根據已投放的數量自動進行建立模型，這確保了模型中骨料無論是否到達設計值都能被建立，這使得模型成功率極大提高，而不必過多的考慮設置參數之間自洽性。

1 引言 本文運用CAD插件進行模型建立，并將模型導入Abaqus內，實現了隨機骨料模型建模，極大地簡化了混凝土細觀力學研究的工作量。結合了參數化建模的思想，提出球形骨料生成算法，在此基礎上進一步提出多面隨機剖切算法,生成了隨機凸型多面體骨料模型。同時,采用干涉判別算法,分別對球形骨料和多面體骨料進行了投放試驗，形成包含骨料、砂漿、過渡區在內的三相混凝土模型。

混凝土在細觀層面上由水泥砂漿、粗骨料和界面過渡區（ITZ）組成，在Abaqus內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關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，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。

</p><p>骨料投放算法的主要原理：首先把骨料全部投放到容器中，允許骨料重疊；將骨料間的重疊視為擠壓彈性變形，根據骨料間的刺入深度向量計算出骨料間的排斥力和彈性勢能；按骨料所受排斥力合力的方向移動骨料，逐步更新整個骨料模型的空間結構，直至骨料間的重疊完全消失。

插件可通過控制切割面數目，根據用戶設定的面數，在三維球體上進行切割操作，從而生成具有不同面數的多面體骨料模型。 3.2多面體骨料的投放 多面體骨料的投放采用空間三角網干涉判別，與傳統的外接球碰撞檢測相比，該算法具有準確性高，能達到更高的填充率的優點，但也存在干涉判別計算量較大的不足。

在ANSYS Workbench內建立混凝土細觀模型進行有限元分析是混凝土細觀研究的有效手段，混凝土細觀模型可簡化為隨機投放的圓形骨料、界面過渡區（ITZ）部件以及水泥漿體等部分組成，對不同的部分賦值相應的材料屬性，以更好的模擬混凝土相關性能。

結果評估：根據模擬結果，評估不同投放方式對混凝土性能的影響，優化骨料的分布設計，提高混凝土的力學性能和耐久性。 蒙特卡洛隨機投放模型有效性的重要前提是采用行之有效的隨機骨料投放方案，投放方案應當能夠充分符合實際工程中混凝土內骨料分布特征。 4.1骨料均勻分布與堆積模型 骨料在混凝土中的分布可以采用不同的模型，其中兩種常見的模型是均勻分布模型和堆積分布模型。

在混凝土細觀數值模擬中，粗骨料的分布狀態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，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生沉降堆積。現有基于純隨機投放的算法難以真實反映這一物理過程，同時也難以實現工程中常見的較高粗骨料體積占比。

在AutoCAD軟件內，采用CAD隨機多面體&過渡區3D V1.0插件建立隨機投放的多面體骨料、界面過渡區(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。

在AutoCAD軟件內，采用CAD隨機球體顆粒&過渡區3D V1.0插件建立隨機投放的球體粗骨料、界面過渡區(ITZ)部件及水泥砂漿基體三維模型，并將粗骨料、ITZ與水泥砂漿分別導出為.iges格式文件備用。 將導出的模型文件以部件的形式導入到ABAQUS內。

Minimum Aggregate Gap：圓形之間可能存在的最小間距，本參數設置是為了防止圓形之間距離過小造成模型中存在小邊，而影響到后期的網格劃分，此參數設置建議不要小于砂漿的最小單元尺寸。 Interfacial Transition Zone：界面過渡區部件的厚度。 Max Running steps：最大投放次數，模型采用隨機投放算法，達到設定的投放嘗試次數后停止。

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建模】 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

插件可確保多面體、過渡區、試件三者之間不發生干涉且裝配合理，確保生成的模型導入有限元軟件后幾何合理有效。插件采用參數化建模的方式，可指定的參數有試件的尺寸、四種粒徑范圍、每種粒徑的投放個數、多面體的面數以及過渡區的厚度等參數。插件以分圖層的方式對模型中不同的部件進行繪制，可方便導入有限元軟件后進行材料賦值、網格劃分等批量管理。

本案例在ABAQUS軟件內，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，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。