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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。

模型采用CAD隨機(jī)多面體3D插件建立并導(dǎo)入ANSYS軟件。在ANSYS內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。ANSYS隨機(jī)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(jiàn)的球體干涉，本程序可達(dá)到更好的隨機(jī)度，以實(shí)現(xiàn)大粒徑與小粒徑的匹配度。

ITZ：骨料外側(cè)界面過(guò)渡區(qū)的厚度。當(dāng)設(shè)置為0時(shí)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)界面過(guò)渡區(qū)模型。 Margin：骨料或孔隙距離試件外表面的距離。當(dāng)設(shè)置為負(fù)數(shù)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)骨料及孔隙穿過(guò)試件外表面的效果。 Time：超時(shí)停止，單位秒。模型采用隨機(jī)投放算法，達(dá)到設(shè)定的時(shí)間后停止投放，并生成模型。此參數(shù)若設(shè)置過(guò)小可能會(huì)達(dá)不到設(shè)定的比例，應(yīng)根據(jù)骨料及孔隙比例適當(dāng)調(diào)整。

一般情況下骨料數(shù)量越多，程序運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，當(dāng)骨料數(shù)量設(shè)置過(guò)多或已超出理論的最大值后，將導(dǎo)致程序無(wú)法在有限的時(shí)間內(nèi)停止，因此需要用戶(hù)指定合理的迭代次數(shù)，當(dāng)程序到達(dá)指定的迭代次數(shù)后會(huì)根據(jù)已投放的數(shù)量自動(dòng)進(jìn)行建立模型，這確保了模型中骨料無(wú)論是否到達(dá)設(shè)計(jì)值都能被建立，這使得模型成功率極大提高，而不必過(guò)多的考慮設(shè)置參數(shù)之間自洽性。

1 引言 本文運(yùn)用CAD插件進(jìn)行模型建立，并將模型導(dǎo)入Abaqus內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)骨料模型建模，極大地簡(jiǎn)化了混凝土細(xì)觀力學(xué)研究的工作量。結(jié)合了參數(shù)化建模的思想，提出球形骨料生成算法，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出多面隨機(jī)剖切算法,生成了隨機(jī)凸型多面體骨料模型。同時(shí),采用干涉判別算法,分別對(duì)球形骨料和多面體骨料進(jìn)行了投放試驗(yàn)，形成包含骨料、砂漿、過(guò)渡區(qū)在內(nèi)的三相混凝土模型。

混凝土在細(xì)觀層面上由水泥砂漿、粗骨料和界面過(guò)渡區(qū)（ITZ）組成，在Abaqus內(nèi)基于粗骨料隨機(jī)投放建立混凝土細(xì)觀模型，是研究混凝土軸壓下的本構(gòu)關(guān)系及損傷演化的有效方法。本案例建立隨機(jī)圓形粗骨料及實(shí)體界面過(guò)渡區(qū)，對(duì)二維細(xì)觀混凝土在單軸壓縮下的力學(xué)行為進(jìn)行有限元模擬，展示混凝土的破壞形態(tài)。

</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(jù)骨料間的刺入深度向量計(jì)算出骨料間的排斥力和彈性勢(shì)能；按骨料所受排斥力合力的方向移動(dòng)骨料，逐步更新整個(gè)骨料模型的空間結(jié)構(gòu)，直至骨料間的重疊完全消失。

插件可通過(guò)控制切割面數(shù)目，根據(jù)用戶(hù)設(shè)定的面數(shù)，在三維球體上進(jìn)行切割操作，從而生成具有不同面數(shù)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(wǎng)干涉判別，與傳統(tǒng)的外接球碰撞檢測(cè)相比，該算法具有準(zhǔn)確性高，能達(dá)到更高的填充率的優(yōu)點(diǎn)，但也存在干涉判別計(jì)算量較大的不足。

在ANSYS Workbench內(nèi)建立混凝土細(xì)觀模型進(jìn)行有限元分析是混凝土細(xì)觀研究的有效手段，混凝土細(xì)觀模型可簡(jiǎn)化為隨機(jī)投放的圓形骨料、界面過(guò)渡區(qū)（ITZ）部件以及水泥漿體等部分組成，對(duì)不同的部分賦值相應(yīng)的材料屬性，以更好的模擬混凝土相關(guān)性能。

結(jié)果評(píng)估：根據(jù)模擬結(jié)果，評(píng)估不同投放方式對(duì)混凝土性能的影響，優(yōu)化骨料的分布設(shè)計(jì)，提高混凝土的力學(xué)性能和耐久性。 蒙特卡洛隨機(jī)投放模型有效性的重要前提是采用行之有效的隨機(jī)骨料投放方案，投放方案應(yīng)當(dāng)能夠充分符合實(shí)際工程中混凝土內(nèi)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(jiàn)的模型是均勻分布模型和堆積分布模型。

在混凝土細(xì)觀數(shù)值模擬中，粗骨料的分布狀態(tài)對(duì)其力學(xué)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(jī)分布在混凝土試件內(nèi)，而實(shí)際工程中混凝土試件在澆筑完成后的振搗操作會(huì)使得密度較大的粗骨料因重力作用發(fā)生沉降堆積。現(xiàn)有基于純隨機(jī)投放的算法難以真實(shí)反映這一物理過(guò)程，同時(shí)也難以實(shí)現(xiàn)工程中常見(jiàn)的較高粗骨料體積占比。

在AutoCAD軟件內(nèi)，采用CAD隨機(jī)多面體&過(guò)渡區(qū)3D V1.0插件建立隨機(jī)投放的多面體骨料、界面過(guò)渡區(qū)(ITZ)部件及水泥砂漿基體三維模型。插件在建模時(shí)已將不同組分分圖層繪制，方便批量導(dǎo)出及后續(xù)的材料指定。這里將砂漿、ITZ、不同粒徑的骨料分別導(dǎo)出為iges格式文件。

在AutoCAD軟件內(nèi)，采用CAD隨機(jī)球體顆粒&過(guò)渡區(qū)3D V1.0插件建立隨機(jī)投放的球體粗骨料、界面過(guò)渡區(qū)(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(dǎo)出為.iges格式文件備用。 將導(dǎo)出的模型文件以部件的形式導(dǎo)入到ABAQUS內(nèi)。

Minimum Aggregate Gap：圓形之間可能存在的最小間距，本參數(shù)設(shè)置是為了防止圓形之間距離過(guò)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(shè)置建議不要小于砂漿的最小單元尺寸。 Interfacial Transition Zone：界面過(guò)渡區(qū)部件的厚度。 Max Running steps：最大投放次數(shù)，模型采用隨機(jī)投放算法，達(dá)到設(shè)定的投放嘗試次數(shù)后停止。

混凝土細(xì)觀模型 構(gòu)建骨料、砂漿、界面過(guò)渡區(qū)三種組分的混凝土細(xì)觀模型，模型構(gòu)建采用CAD隨機(jī)多邊形顆粒插件進(jìn)行參數(shù)化建模生成，操作詳細(xì)步驟可參考：【COMSOL隨機(jī)多邊形骨料及界面過(guò)渡區(qū)ITZ建模】 插件中粗骨料采用多邊形模型，骨料的位置以隨機(jī)投放的算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，骨料多邊形形狀及邊數(shù)可通過(guò)參數(shù)進(jìn)行定義；界面過(guò)渡區(qū)（ITZ）采用單獨(dú)的部件，分布于粗骨料與砂漿之間，以此來(lái)獲得表征混凝土細(xì)觀特征的隨機(jī)骨料模型

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

本案例在ABAQUS軟件內(nèi)，建立隨機(jī)投放的三維球體骨料及圓柱體混凝土試件，基于損傷力學(xué)模型，進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)軸心受壓試驗(yàn)，研究混凝土圓柱試件的裂縫開(kāi)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(xì)觀模型。