一种再生混凝土椭圆形随机骨料模型的构建方法

摘要

本发明公开了一种再生混凝土椭圆形随机骨料模型的构建方法，具体按照如下步骤进行；步骤1：运用Python语言编写生成椭圆形骨料模型的语句，建立椭圆形再生骨料与椭圆形天然骨料；步骤2：运用随机抽样的方法抽取椭圆形再生骨料与椭圆形天然骨料，生成骨料粒径并利用Python语言编写粒径生成算法，生成分布粒径再生骨料，然后将其录入到粒径库；步骤3：按照从大到小的方式进行骨料的投放；步骤4：运用Python语句建模，步骤5：利用Python语言创建ABAQUS后处理步骤，保存模型。本发明操作简单快捷，可以灵活改变模型相关参数和材料属性，实现椭圆形再生混凝土随机骨料模型仿真模拟，更加符合实际模拟试验模型要求。

说明书

技术领域

本发明属于再生混凝土技术领域，具体涉及一种再生混凝土椭圆形随机骨料模型的构建方法。

背景技术

在当代建筑领域中，混凝土应用广泛。伴随着我国城镇化进程的发展，新旧建筑物的拆除带来了大量的混凝土废弃物。这些建筑垃圾可以循环再利用生成再生混凝土，道路工程、低层建筑和其他工程中都可以使用这种再生材料，从而可解决废弃混凝土所带来的污染问题和处理难题。

到现今为止，诸多学者对再生混凝土的研究应用进行了大量试验，如通过改变再生混凝土的配制等方法，研究不同骨料取代率及混凝土配制方法对再生混凝土基本力学性能的影响。通过再生混凝土基本力学性能试验，研究了不同再生骨料取代率下再生混凝土应力-应变本构关系。对再生混凝土试验研究大多集中在再生混凝土宏观力学性能研究方面，对再生混凝土骨料细观结构方面的相关试验研究较少，其主要原因是试验研究对于研究再生混凝土骨料细观结构具有一定的局限性。

计算机模拟方法对于研究再生混凝土骨料细观结构提供了很多便利，仿真模拟能够免除一些实际不可控的试验影响因素且能更深入细致的研究再生混凝土细观力学性能。近年来，诸多学者对再生混凝土细观性能进行了模拟计算研究，如通过基面力元法原理，推导了计算仿真模拟数值结果，但该方法计算过程比较复杂。运用C语言与PYTHON脚本混合编程的方式进行了再生混凝土建模，但需要借助于PRODESIGN软件生成材料微结构。利用MATLAB编程与COMSOL软件结合建立了二维再生混凝土细观模型。通过ANSYS有限元软件建模，建立圆形骨料模型等进行了再生混凝土性能分析。分析表明，提出了一些基于MATLAB等计算机语言的再生混凝土数值计算方法，取得了一定的成果，但还存在这样或那样的不足，如：再生混凝土骨料模型没有体现骨料随机性或未能考虑其多界面的特性，模型与再生混凝土真实细观结构差异较大；MATLAB等语言不具备定义材料属性、划分网格等功能，基于这些语言的再生混凝土骨料模型需要先建立骨料模型再导入有限元软件进行后续步骤，计算过程复杂，工作量很大，工程应用存在一定困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种再生混凝土椭圆形随机骨料模型的构建方法，解决了现有技术中椭圆形骨料模型的生成存在的计算过程复杂，工作量较大，工程应用存在一定困难的问题。

本发明所采用的技术方案是，

一种再生混凝土椭圆形随机骨料模型的构建方法，具体按照如下步骤进行；

步骤1：运用Python语言编写生成椭圆形骨料模型的语句，建立椭圆形再生骨料与椭圆形天然骨料；

步骤2：运用随机抽样的方法抽取椭圆形再生骨料与椭圆形天然骨料，生成骨料粒径并利用Python语言编写粒径生成算法，生成分布粒径再生骨料，然后将其录入到粒径库；

步骤3：，按照从大到小的方式进行骨料的投放；

步骤4：运用Python语句建模；

步骤5：利用Python语言创建ABAQUS后处理步骤，最后得到再生混凝土椭圆形随机骨料模型。

本发明的特点还在于，

步骤1具体包括：

步骤1.1：定义骨料粒径分布概率、骨料类型以及骨料参数类型；

步骤1.2：输入骨料模型的基本参数。

步骤1.2中，所述基本参数包括最外圈骨料百分比、再生骨料取代率、模型尺寸、粒径范围、骨料和老砂浆界面厚度、老砂浆厚度、老砂浆和新砂浆界面厚度、天然骨料和新浆区界面厚度、椭圆短轴与长轴的比值以及网格尺寸和所施加荷载值。

步骤2具体包括：

步骤2.1：将再生骨料粒径分为20～25mm、15～20mm、15～10mm和5～10mm四个粒径级配；

步骤2.2：当骨料累积体积与该级配最大骨料体积小于该级骨料体积总和时，继续增加骨料；

步骤2.3：计算每级骨料的长轴及短轴粒径，记录到总粒径数组中。

步骤3具体包括：

步骤3.1：存储粒径位置；

步骤3.2：指定有限的投放位置；

步骤3.3：记录投放失败的骨料个数和骨料粒径；

步骤3.4：从大到小依次投放骨料；最后记录投放的位置。

步骤4具体包括：

步骤4.1：循环生成椭圆形部件并进行刨分，定义材料，然后装配到装配体；

步骤4.2：随机旋转并平移到指定位置；

步骤4.3：创建方形体外框，用于包含骨料，赋予材料属性；

步骤4.4：合并所有，分批次进行合并，每批最多合并50个骨料，最后再二次合并。

步骤5具体包括：

步骤5.1：划分网格，首先定义全局网格尺寸且外边界设置网格尺寸为内部的两倍，然后删除多余的部件；

步骤5.2：创建分析步，修改输出；

步骤5.3：创建参考点，有用于耦合约束和输出；参考点历程输出；修改控制参数；参考点耦合约束

步骤5.4：固定约束；加载约束；创建任务；保存模型。

本发明的有益效果是，一种再生混凝土椭圆形随机骨料模型的构建方法，能够简洁方便的自动生成椭圆形骨料模型，操作简单快捷；

可以随意生成想要的再生椭圆形骨料取代率，便于实现再生椭圆形随机骨料取代率仿真模拟试验，更符合实际模拟试验模型要求；

可以将PYTHON程序脚本嵌入到ABAQUS有限元分析软件中运行脚本，自动生成椭圆形骨料模型并提交计算，可在脚本中修改想要实现的材料属性和具体试验参数，从而可以进行任意材料属性的再生椭圆形随机骨料模型模拟试验，为仿真模拟领域提供了更加准确便捷的方法。

附图说明

图1是本发明一种再生混凝土椭圆形随机骨料模型的构建方法中算法流程的示意图；

图2是本发明一种再生混凝土椭圆形随机骨料模型的构建方法中计算模型布置的示意图；

图3是本发明一种再生混凝土椭圆形随机骨料模型的构建方法中不同再生骨料取代率计算模型的示意图；

图4是本发明一种再生混凝土椭圆形随机骨料模型的构建方法中总应力云图；

图5是本发明一种再生混凝土椭圆形随机骨料模型的构建方法中S11应力云图；

图6是本发明一种再生混凝土椭圆形随机骨料模型的构建方法中S22应力云图；

图7是本发明一种再生混凝土椭圆形随机骨料模型的构建方法中S12应力云图；

图8是本发明一种再生混凝土椭圆形随机骨料模型的构建方法中受压损伤示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明一种再生混凝土椭圆形随机骨料模型的构建方法进行详细说明。

本发明一种再生混凝土椭圆形随机骨料模型的构建方法，具体按照如下步骤进行；

如图1所示，步骤1：运用Python语言编写生成椭圆形骨料模型的语句，建立椭圆形再生骨料与椭圆形天然骨料

定义骨料粒径分布概率

定义骨料类型与骨料参数类型：

type＝0天然骨料，type＝1再生骨料；

输入骨料模型基本参数，即最外圈骨料百分比、再生骨料取代率、模型尺寸、粒径范围、骨料和老砂浆界面厚度、老砂浆厚度、老砂浆和新砂浆界面厚度、天然骨料和新浆区界面厚度、椭圆短轴与长轴的比值及网格尺寸和所施加荷载值等基本参数值；

步骤2：运用随机抽样的方法生成随机骨料粒径并利用Python语言编写随机粒径生成算法，生成随机分布粒径再生骨料后记录到粒径库；

将再生骨料粒径分为25～20mm、20～15mm、15～10mm和10～5mm四个粒径级配

当骨料累积体积与该级配最大骨料体积小于该级骨料体积总和时，继续增加骨料；

计算每级骨料的长轴及短轴粒径，记录到总粒径数组中。

步骤3：骨料的投放，从大到小的方式进行投放

存储粒径位置；

指定有限的投放位置，减少计算量。将空间划分为均匀的小格子，骨料的投放位置只能在格子上，这样可以极大的提高投递速率，循环获得格子的中心位置；

记录投放失败的骨料个数和骨料粒径；

从大到小依次投放骨料，记录尝试投放次数并且复制尝试投放的位置并记录投放成败，默认为投放失败数值为0；

为了避免两个骨料太近，设置0.5的骨料间隙；

当随机投放次数小于1000次，且tryPosition内还有可以投放的位置，且投放失败，则继续投放；从tryPosition中获得挑选的位置，tryPosition数值减去已经挑选的点，避免重复挑选，尝试次数累加1；

当投放位置距离边界小于rd时，投放直接失败。投放失败则进入下一轮循环；

否则假设投放成功计算两个骨料的距离，如果骨料的距离小于两个骨料的半径和+一定容差(2倍外胶层厚度+0.5)，则投放失败，退出距离判断的循环，进入下个骨料的位置的尝试；当投放成功时，记录投放的位置。

步骤4：运用Python语句建模；

循环生成椭圆形部件并进行刨分，定义材料，然后装配到装配体；

随机旋转并平移到指定位置；

创建方形体外框，用于包含骨料，赋予材料属性；

合并所有，一次同时合并几百个部件，程序运行速度较慢，因此这里分批次进行合并，每批最多合并50个骨料，最后再二次合并，二次合并可以提高合并速率。

步骤5：利用Python语言创建ABAQUS后处理步骤：

网格划分，同一个部件采用这两种单元进行划分，在连接的交界面将不匹配，程序会自动用tie替换，但比人为定义要精确，首先定义全局网格尺寸且外边界设置网格尺寸为内部的两倍，然后删除多余的部件；

创建分析步，修改输出；

创建参考点，有用于耦合约束和输出；参考点历程输出；修改控制参数；参考点耦合约束；

固定约束；加载约束；创建任务；保存模型。

下面通过具体的实施例对本发明一种再生混凝土椭圆形随机骨料模型的构建方法进行进一步详细说明；

实施例；

如图1所示，(1)定义骨料粒径分布概率；

(2)定义骨料类型与骨料参数类型；

(3)定义骨料模型参数，所需赋参数算法如下：

percentage＝0.40，最外圈骨料百分比；

rockRadio＝[0.35，0.65]，所占骨料的百分比[天然骨料，再生骨料]；

boxx＝50，模型x方向尺寸；

boxy＝50，模型y方向尺寸；

dlevel＝[25，20，15，10]，椭圆的长轴的粒径范围；

stoneOldFace＝0.3，骨料和老砂浆界面的厚度；

hOldMortar＝0.8，老砂浆厚度；

oldNewFace＝0.4，老砂浆和新砂浆界面的厚度；

stoneNewFace＝0.3，天然骨料和新浆区界面的厚度；

radio＝[0.6，0.9]，椭圆短轴与长轴的比值范围；

meshSize＝2，网格尺寸；

dis＝0.06，施加的位移载荷；

(4)骨料粒径及骨料生成，并记录到粒径库；将再生骨料粒径分为25～20mm、20～15mm、15～10mm和10～5mm四个粒径级配，当骨料累积体积与该级配最大骨料体积小于该级骨料体积总和时，继续增加骨料，然后计算每级骨料的长轴及短轴粒径，记录到总粒径数组中。

(5)循环生成骨料部件并进行刨分和材料定义，装配到装配体，将模型空间划分为均匀的小格子，骨料的投放位置只能在格子上，这样可以极大的提高投递速率，然后将骨料按粒径从大到小进行投放，并随机旋转平移到指定位置，投放过程中须同时进行骨料侵入原则的判别，记录投放位置。

(6)创建方形体外框用于包含骨料，创建材料，循环生成骨料部件并材料定义，赋予模型材料属性，然后合并所有部件生成再生骨料模型。

(7)网格划分，创建分析步，创建耦合约束，固定约束，加载约束，创建任务，保存模型。

对比实验：

以取代率为45％、60％及75％的椭圆形再生骨料混凝土模型为例，进行再生混凝土随机骨料模型仿真模拟试验研究，然后进行对比分析。计算模型具体布置情况如图2所示；

从图2可以看出，再生骨料细观结构由五相材料组成，而天然骨料细观结构由三相材料组成，与真实再生骨料结构类似。模型上下边界均定义了耦合约束，其中上边界中点为施加荷载的参考点RP-1，施加位移荷载-0.06mm。

以取代率为45％、60％及75％的再生混凝土计算模型如图3所示；

从图3可以看出，本发明采用图(a)、(b)和(c)验证了算法的可行性及椭圆形随机取代率再生骨料模型的合理性。在40％的骨料含量情况下，随着再生骨料含量的增大，再生骨料颗粒数随之增多，且不同粒径骨料位置服从随机分布，满足算法的随机骨料模型要求。所示计算模型图验证了该发明算法所建模型的通用性和合理性。

以取代率60％的椭圆形随机再生骨料混凝土为例进行分析计算，计算结果如图4-8所示；

从图4可以看出，本发明采用图4验证了算法的可行性和有效性。图4可以看出再生骨料含量为60％时模型计算分析结果总应力分布，其中avg75％为ABAQUS软件默认平均阈值是用来进行平均变量的默认概率。仿真试验计算分析快捷高效，计算结果准确，说明该发明算法的正确性；

从图5可以看出，本发明采用图5说明对所建立的再生骨料含量为60％的椭圆形再生骨料模型进行仿真试验计算完成后，所获得的S11应力云图即X轴方向所得应力分布图，正(负)值为正(负)应力，验证了该算法的准确性；

从图6可以看出，本发明采用图6说明对所建立的再生骨料含量为60％的椭圆形再生骨料模型进行仿真试验计算完成后，所获得的S22应力云图即Y轴方向所得应力分布图，正(负)值为正(负)应力，验证了该算法的准确性；

从图7可以看出，本发明采用图7说明对所建立的再生骨料含量为60％的椭圆形再生骨料模型进行仿真试验计算完成后，所获得的S12应力云图即XY平面上沿Y轴向所得剪应力分布图，正(负)值为正(负)应力，验证了该算法的准确性。

通过对取代率60％的椭圆形再生骨料混凝土计算模型施加-0.06mm的单轴受压位移荷载后，模型形成图8(d)所示的倒V字形损伤分布，如图所示损伤主要分布在再生骨料老砂浆及界面过渡区等区域范围内且分布较均匀。

从图8(a)中可以看出，模型图中的损伤起初沿着再生骨料界面的薄弱面发生初始损伤开展。

从图8(b)中可以看出，损伤继续沿着再生骨料界面和老砂浆等薄弱区域发生。

从图8(c)中可以看出，模型图中的受压损伤急剧开展，已经不局限在再生骨料新旧界面与老砂浆区域等薄弱面，损伤面开始扩大，天然骨料亦受到损伤发展的波及。

通过图8的受压损伤发展过程图，说明本发明的准确性和高效性。

本发明一种再生混凝土椭圆形随机骨料模型的构建方法，可以将PYTHON程序脚本嵌入到ABAQUS有限元分析软件中运行脚本，然后进行操作，本发明的操作简单快捷，可以灵活改变模型相关参数和材料属性，实现椭圆形再生混凝土随机骨料模型仿真模拟，在一定程度上，更加符合实际模拟试验模型要求。