一种基于APDL语言开发的混凝土细观模型分析方法

摘要

一种基于APDL语言开发的混凝土细观模型分析方法，属于混凝土力学分析领域，具体涉及一种混凝土细观模型分析方法。本发明以APDL参数化设计语言为平台，通过输入混凝土各组分的材料属性和试件的加载方式，进行建模及智能网格划分，然后求解模型，判断加载后读取的单元信息，如果满足单元破坏的条件，则杀死该单元，最后得到输出结果，包括混凝土宏观指标的数据以及混凝土的力学行为和破坏过程。本发明解决了混凝土细观模型进行模拟分析时运算成功率低、运算时间较长或是使用者操作不便的问题。本发明可运用于混凝土力学分析。

说明书

技术领域

本发明属于混凝土力学分析领域，具体涉及一种混凝土细观模型分析方法。

背景技术

随着混凝土材料在人们生活中、工程领域应用中日益普及和深入，人们对其生产、设计的精度要求也越来越高。于是就需要生产人员、设计人员以及研究人员能够更深入地了解混凝土材料在一定工况下的响应规律及其本质。而主要研究尺度在10纳米到毫米量级范围内的细观力学，因其能够合理、全面地解释毫米量级以上，即宏观尺度上混凝土的力学行为，而受到多方研究人员的重视，具体来讲，细观尺度上的研究手段能够达到以下目的：一、通过各组分的材料(即骨料、水泥砂浆以及骨料与水泥砂浆之间界面)各自内部以及相互之间的作用解释混凝土在宏观尺度上现象的成因；在已知组份的性能及组成比例的条件下，预测混凝土宏观尺度上的性能指标或行为，如强度、刚度、开裂趋势等。其中一个非常重要的细观力学研究手段，就是将混凝土视为骨料、水泥砂浆以及两者之间界面组合而成的三相混合物，在计算机平台上构造合理的分析模型，应用有限元方法并对其进行分析，以方便研究人员获取相关的数据结果。

由于混凝土细观模型的几何性质具有一定的复杂性，以及组成成分的材料属性具有相当大的随机性、离散性，导致对混凝土细观模型进行模拟的难度较高。为此，研究人员构造了多种对混凝土细观模型进行模拟分析的方法，也包括基于各种分析软件的普通混凝土细观模型分析方法。但是这些传统方法或是不容易收敛，导致运算成功率低；或是计算效率不高；或是需要输入的参数以及人为设定的参数过多，导致应用效果不好、使用者操作不便。

混凝土材料有关领域对建立一个适宜的、高效的混凝土细观分析方法非常有必要，因此，提出一种运算成功率高、运算速度快同时便于使用者理解的混凝土细观模型分析方法成为了迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明为了解决对混凝土细观模型进行模拟分析时，运算效率低、运算时间较长或是分析效果不好的问题，提供了一种基于APDL语言开发的混凝土细观模型分析方法。

本发明所述一种基于APDL语言开发的混凝土细观模型分析方法，通过以下技术方案实现：

步骤一、参数输入：需要输入的参数包括混凝土各组分的材料属性和试件的加载方式；各组分的材料包括：骨料、水泥砂浆以及骨料与水泥砂浆之间界面；各组分的材料属性包括：骨料的弹性模量，水泥砂浆的弹性模量，水泥砂浆的抗拉强度，水泥砂浆的抗压强度，骨料与水泥砂浆之间界面的弹性模量、粘结力、摩擦角、抗拉强度以及抗剪强度；

步骤二、建模及网格划分：

网格划分使用APDL系统框架内的智能网格划分，由智能网格划分操作，得到处理对象的有限元模型，即将模型划分为有限个通过节点相连且被赋予了不同材料属性的单元所组成的模型，划分之后的单元均为线弹性单元且均具有单元生死的功能；

步骤三、求解模型：先根据步骤一中输入的加载方式，将荷载分为若干荷载步，再按序加载；每次加载完成后均读取单元的信息，所述单元的信息包括各个单元内部各向切应力、第一主应力和第三主应力，然后根据获取的信息对单元进行分析判断，如果单元满足破坏的条件，则杀死该单元，再进入下一荷载步进行后续求解，直至加载完成；

步骤四、结果输出：

使用者可在APDL框架内根据需求自行选择输出结果的方式，获取结果包括两类：一类是混凝土宏观指标的数据结果，包括混凝土的强度、弹性模量、荷载位移曲线；另一类是混凝土的力学行为和破坏过程。

本发明与现有技术相比较，最为突出的特点和显著的有益效果是：

由于本发明模型内所有组份均设定为线性，所以对模型进行有限元分析时具有如下优点：

模型单元均为线弹性单元且均具有单元生死的功能，而杀死单元的本质是给单元本身的材料属性乘以一个极小的数，如1.0*10^-14，同时单元仍然会继续参与计算，从而能够避免出现因单元缺失而导致的几何非线性的现象，其计算方式仍然在线性求解范围内，不需要多次迭代；同时也能避免求解过程中数值突变的现象，保证求解收敛效果好，速度快。

另外，线性求解的本质上是单层循环，非线性求解的本质上是多层循环，线性求解速度远高于非线性求解。

综上所述，本发明具有收敛效果好、收敛速度快，使得运算效率高、运算速度快的有点。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是本发明GUI方式输入参数的操作界面；

图3是本发明参数化程序语言输入参数的操作界面；

图4是本发明智能划分网格后几何模型外观效果；

图5是本发明骨料模型外观效果；

图6是本发明隐藏了部分网格之后的有限元模型外观；

图7是应用本发明输出的Z向应变云图；

图8是应用本发明输出的破坏形态图；

图9是应用本发明输出的另一方向视图的破坏形态图；

图10是应用本发明输出的荷载位移曲线图。

1.水泥砂浆单元，2.骨料与水泥砂浆之间界面单元，3.骨料单元。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式给出的一种基于APDL语言开发的混凝土细观模型分析方法，具体是按照以下步骤进行的：

步骤一、参数输入：需要输入的参数包括混凝土各组分的材料属性和试件的加载方式；各组分的材料包括：骨料、水泥砂浆以及骨料与水泥砂浆之间界面；各组分的材料属性包括：骨料的弹性模量，水泥砂浆的弹性模量，水泥砂浆的抗拉强度，水泥砂浆的抗压强度，骨料与水泥砂浆之间界面的弹性模量、粘结力、摩擦角、抗拉强度以及抗剪强度；其输入方式如图2所示，包括两种输入方式，即图2所示的GUI方式输入；图3所示的参数化程序语言输入。

步骤二、建模及网格划分：

使用者可以根据需求自行选择建立几何模型的方法。因通常被模拟的骨料具有一定的级配，其大小各不相同且具有相当的随机性，同时骨料的尺寸分布还会对水泥砂浆的几何形状造成影响，故网格划分使用APDL系统框架内的智能网格划分。如图4、图5、图6所示，由智能网格划分操作，可以得到处理对象的有限元模型，即将模型划分为有限个通过节点相连且被赋予了不同材料属性的单元所组成的模型，划分之后的单元均为线弹性单元且均具有单元生死的功能；

步骤三、求解模型：如图1所示，求解模型实际上包括如下步骤：先根据步骤一中输入的加载方式，将荷载分为若干荷载步，再按序加载；每次加载完成后均读取单元的信息，具体来讲，本发明所述单元的信息包括各个单元内部各向切应力、第一主应力和第三主应力，然后根据获取的信息对单元进行分析判断，如果单元满足破坏的条件，则杀死该单元，再进入下一荷载步进行后续求解，直至加载完成；杀死单元、单元的生死都是APDL软件内的术语，来源于软件内部的操作KILL；这个操作是先将单元本身的属性乘以一个非常小的系数(系统默认是10的负14次方，也可以由使用者自行设定)，然后再让这个单元参与计算；这样的好处是，杀死单元之后，被杀死的单元实际上还在这个位置，能够保证后续计算继续考虑这个单元，而不至于因为出现突变而导致系统内部的迭代计算不能继续进行，但是又因为单元本身已经被乘上了一个非常小的系数，所以其对于整体计算的贡献小到可以忽略不计，从而形成“好像没有这个单元”的效果。

步骤四、结果输出：

使用者可在APDL框架内根据需求自行选择输出结果的方式，获取结果包括两类：一类是混凝土宏观指标的数据结果，包括混凝土的强度、弹性模量、荷载位移曲线；另一类是混凝土的力学行为和破坏过程。如图7所示为输出的Z向应变云图，图8、图9是输出的破坏形态图，图10是输出的荷载位移曲线图。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤三中所述单元满足破坏的条件具体为：

分别对混凝土的各组分的材料进行判断；

(1)对骨料单元进行判断：骨料单元在分析过程中始终保持弹性状态，骨料单元不满足破坏的条件；

(2)对水泥砂浆单元进行判断：当水泥砂浆单元内部的主拉应力超过输入的水泥砂浆的抗拉强度或水泥砂浆单元内部的主压应力超过输入的水泥砂浆的抗压强度时，满足破坏的条件，则杀死该单元；其中，主拉应力为第一主应力和第三主应力中数值较大的一个，若第一主应力和第三主应力符号均为负，则主拉应力取值为0；主压应力为第一主应力和第三主应力中数值较小的一个，若第一主应力和第三主应力符号均为正，则主压应力值取为0；

(3)对骨料与水泥砂浆之间界面单元进行判断：当骨料与水泥砂浆之间界面单元内的主拉应力、任一方向的切应力满足下列不等式组中的任意一项，则满足破坏的条件，并杀死该单元：

其中，τ为切应力；σ为单元内主应力，σ等于第一主应力和第三主应力中绝对值较大的一个；c为骨料与水泥砂浆之间界面的粘结力；φ为骨料与水泥砂浆之间界面的摩擦角；χ为骨料与水泥砂浆之间界面的抗拉强度；σ_tensile为主拉应力；f为骨料与水泥砂浆之间界面的抗剪强度。

其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

实施例

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

步骤一、参数输入。

需要输入的参数包括混凝土各组分的材料属性和试件的加载方式；各组分的材料属性包括：骨料的弹性模量，水泥砂浆的弹性模量，水泥砂浆的抗拉强度，水泥砂浆的抗压强度，骨料与水泥砂浆之间界面的弹性模量、粘结力、摩擦角、抗拉强度以及抗剪强度；本实施例采用如图2所示的GUI方式输入，输入的各参数数值如下所示：

表格1弹性范围有关材料属性数值

其约束及加载方式为：底面节点约束全部位移；施加轴向压荷载。

步骤二、建模及网格划分。

建立如图4所示几何模型，其中骨料部分几何模型如图5所示，使用APDL系统框架内的智能网格划分进行操作，得到处理对象的有限元模型(即将模型划分为有限个通过节点相连且被赋予了不同材料属性的单元所组成的模型)，其网格划分效果如图4所示。为显示效果，图6隐藏了部分网格，划分之后的单元均视为线弹性单元且均具有单元生死的功能。

步骤三、求解模型。

如图1所示，先根据步骤一中输入的加载方式，将荷载分为若干荷载步，再按序加载；每次加载完成后均读取单元的信息，所述单元的信息包括各个单元内部各向切应力、第一主应力和第三主应力，然后根据获取的信息对单元进行分析判断，如果单元满足破坏的条件，则杀死该单元，再进入下一荷载步进行后续求解，直至加载完成。

单元满足破坏的条件具体为：

分别对混凝土的各组分的材料进行判断；

(1)对骨料单元进行判断：骨料单元在分析过程中始终保持弹性状态，骨料单元不满足破坏的条件；

(2)对水泥砂浆单元进行判断：当水泥砂浆单元内部的主拉应力超过输入的水泥砂浆的抗拉强度或水泥砂浆单元内部的主压应力超过输入的水泥砂浆的抗压强度时，满足破坏的条件，则杀死该单元；其中，主拉应力为第一主应力和第三主应力中符号为正、数值较大的一个，若第一主应力和第三主应力符号均为负，则主拉应力取值为0；主压应力为第一主应力和第三主应力中符号为负、绝对值较大的一个，若第一主应力和第三主应力符号均为正，则主压应力值取为0；

(3)对骨料与水泥砂浆之间界面单元进行判断：当骨料与水泥砂浆之间界面单元内的主拉应力、任一方向的切应力满足下列不等式组中的任意一项，则满足破坏的条件，并杀死该单元：

具体实现可通过命令流实现，部分伪代码如下：

模块四：结果输出。

使用者可在APDL框架内根据需求自行选择输出结果的方式，本实施例输出得到的混凝土弹性模量为361MPa、强度为38.49MPa；如图7为由本发明得到的混凝土受到轴压荷载作用下，最终破坏后的轴向(即Z向)的应变云图；如图8、图9是应用本发明得到的混凝土立方块破坏形态图；如图10是应用本发明得到的荷载位移曲线图。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。