一种任意形状试件的三维混凝土细观模型建模方法

摘要

本发明公开一种任意形状试件的三维混凝土细观模型建模方法，步骤包括：S01.根据所需建模的混凝土试件形状，建立对应的三维混凝土均匀有限元模型，并建立基础有限元模型数据库；以及按照随机方式生成三维随机骨料混凝土模型细观参数，建立骨料信息数据库；S02.根据骨料信息数据库，对有限元模型数据库中每个单元所处的位置进行材料属性判定；S03.根据步骤S02中得到的判定结果，分别对有限元模型数据库中各单元赋予骨料或砂浆的材料属性，最终生成所需形状的混凝土三维随机骨料模型。本发明能够实现任意形状试件的三维混凝土细观模型构建，且具有实现方法简单、灵活性强、适用范围广以及建模效率与精度高等优点。

说明书

技术领域

本发明混凝土材料仿真模拟技术领域，尤其涉及一种任意形状试件的三维混凝土细观模型建模方法。

背景技术

混凝土作为应用最为广泛的建筑材料，充分了解其物理力学性能是保证建筑结构设计安全可靠的基础。虽然进行力学试验是了解混凝土本构关系和力学性能最为直接的方法，但由于试验条件的客观限制和人为因素的影响，其结果往往具有局限性，不能反映试件的材料特性。

由于混凝土材料中骨料形状的复杂性以及骨料分布的随机性，目前通常是将骨料和砂浆融为一体，在建模时并不单独地考虑骨料的作用，而是使用均匀的混凝土模型采用数值方法(如有限元方法)对混凝土材料进行数值模拟，以在一定条件下取代部分试验，进而研究混凝土材料的相关力学性能。但是由于混凝土是一种非均匀材料，其内部含有大量随机分布的粗骨料颗粒，使用均匀的混凝土模型来模拟实验会与真实实验结果存在偏差。

将混凝土视为由砂浆基体和粗骨料组成的双相复合材料来建立其细观有限元模型，可以更为逼近混凝土的真实结构。但是针对混凝土细观建模方法，目前通常大多仅着重于骨料的生成以及投放算法、效率，并不考虑试件形状的复杂性，因而现有技术中混凝土细观建模方法所适用的试件形状单一，往往仅局限于圆柱状或长方体状等边界条件相对简单的情况，不适用于形状复杂的异形混凝土构件，因而在实际工程中的应用范围较小。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种实现方法简单、灵活性强、适用范围广以及建模效率与精度高的任意形状试件的三维混凝土细观模型建模方法，能够实现任意形状试件的三维混凝土细观模型构建。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种任意形状试件的三维混凝土细观模型建模方法，步骤包括：

S01.根据所需建模的混凝土试件形状，建立对应的三维混凝土均匀有限元模型，并根据所述三维混凝土均匀有限元模型建立基础有限元模型数据库；以及按照随机方式生成三维随机骨料混凝土模型细观参数，建立骨料信息数据库；

S02.根据所述骨料信息数据库对所述有限元模型数据库中每个单元所处的位置进行材料属性判定；

S03.根据步骤S02中得到的判定结果，分别对所述有限元模型数据库中各单元赋予骨料或砂浆的材料属性，最终生成所需形状的混凝土三维随机骨料模型。

进一步的，所述步骤S01中建立基础有限元模型数据库的步骤包括：

S101.根据所需建模的混凝土试件形状建立对应的几何模型；

S102.对建立的所述几何模型进行有限元划分，建立得到所述对应的三维混凝土均匀有限元模型；

S103.获取所述三维混凝土均匀有限元模型的节点信息和单元信息，建立得到所述基础有限元模型数据库。

进一步的，所述步骤S01中按照随机方式生成三维随机骨料混凝土模型细观参数，建立骨料信息数据库的步骤包括：

S111.配置骨料颗粒参数，所述骨料颗粒参数包括体分比以及粒径范围，以当前时间为基准提供种子文件；

S112.基于当前配置的骨料颗粒参数，随机生成球形骨料颗粒的球形坐标和半径大小；

S113.判断骨料颗粒是否相交重叠，如果是则返回步骤S112以重新生成坐标，否则转入步骤S114；

S114.每当生成一颗骨料时判定当前生成的所有骨料体积是否低于预设体分比V

S115.确定所有骨料颗粒的球心位置以及半径，生成所述骨料信息数据库。

进一步的，所述步骤S111前还包括设定骨料生成的长方体区域的边界条件，以使得将所需建模的混凝土试件模型包裹在所述长方体区域内，所述边界条件包括参数X

进一步的，所述边界条件配置为所述长方体区域的边界值与混凝土试件边界值之差的绝对值大于等于骨料最大半径，即所述边界条件的表达式为：

|γ

其中，γ

进一步的，所述步骤S113中判断骨料颗粒是否相交重叠时，如果当前生成的第一骨料的球心坐标与当前所判定的第二骨料的球心坐标之间的距离不小于所述第一骨料与所述第二骨料的半径之和，则判定为不相交，否则判定为相交，即按照下式判断骨料颗粒是否相交重叠：

其中，R

进一步的，所述步骤S01中，对建立的几何模型进行有限元划分以建立所述基础有限元模型数据库与所述生成细观模型参数为同步执行。

进一步的，所述步骤S02包括：

S201.在所述有限元模型数据库中，根据每个单元的节点坐标值计算出每个单元的中心坐标；

S202.获取骨料信息数据库中的球心坐标以及球体半径，判断球心与所述有限元模型数据库中各单元中心的距离，若距离小于所述球体半径，则判定对应的单元的中心位于球体内部，即判定对应单元为骨料单元，否则判定为砂浆单元。

一种计算机设备，包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述计算机程序以执行如上述方法。

一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序执行时实现如上述的方法。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过将混凝土视为由砂浆基体和粗骨料组成的双相复合材料来建立细观有限元模型，以使得更为逼近混凝土的真实结构，在此基础上，通过先根据所需建模的混凝土试件形状，建立对应的三维混凝土均匀有限元模型，进而建立基础有限元模型数据库，同时生成三维随机骨料混凝土模型细观参数以建立骨料信息数据库，然后根据骨料信息数据库对有限元模型数据库中每个单元所处的位置进行材料属性判定，基于该判定结果对有限元模型数据库中各单元赋予骨料或砂浆的材料属性，从而最终生成所需形状的混凝土三维随机骨料模型，能够快速建立各种复杂形状混凝土构件的三维细观有限元模型，可以适用于任意复杂形状的异形混凝土构件的三维细观有限元模型构建，同时还可以大大提高适用范围，提高建模效率以及精度高。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是本发明实施例1中任意形状试件的三维混凝土细观模型建模方法的实现流程示意图。

图2是本发明实施例1在具体应用实施例中实现任意形状试件的三维混凝土细观模型建模的详细流程示意图。

图3是本发明实施例2得到的短圆柱形状的三维混凝土细观模型效果示意图。

图4是本发明实施例3得到的不同骨料含量的哑铃状混凝土细观模型(骨料体积含量分别为20.05％、25.17％、30.21％、35.11％、40.31％)效果示意图。

图5是本发明实施例2与实施例2中不同形状的混凝细观模型动态力学数值模拟结果示意图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。

本发明通过将混凝土视为由砂浆基体和粗骨料组成的双相复合材料来建立细观有限元模型，以使得更为逼近混凝土的真实结构，在此基础上，通过先根据所需建模的混凝土试件形状，建立对应的三维混凝土均匀有限元模型，进而建立基础有限元模型数据库，同时生成三维随机骨料混凝土模型细观参数以建立骨料信息数据库，然后根据骨料信息数据库对有限元模型数据库中每个单元所处的位置进行材料属性判定，基于该判定结果对有限元模型数据库中各单元赋予骨料或砂浆的材料属性，从而最终生成所需形状的混凝土三维随机骨料模型，能够快速建立各种复杂形状混凝土构件的三维细观有限元模型，可以适用于任意复杂形状的异形混凝土构件的三维细观有限元模型构建，同时还可以大大提高适用范围，提高建模效率以及精度高。

实施例1：

如图1所示，本实施例任意形状试件的三维混凝土细观模型建模方法的步骤包括：

S01.根据所需建模的混凝土试件形状，建立对应的三维混凝土均匀有限元模型，并根据三维混凝土均匀有限元模型建立基础有限元模型数据库；以及按照随机方式生成三维随机骨料混凝土模型细观参数，建立骨料信息数据库；

S02.根据骨料信息数据库对有限元模型数据库中每个单元所处的位置进行材料属性判定；

S03.根据步骤S02中得到的判定结果，分别对有限元模型数据库中各单元赋予骨料或砂浆的材料属性，最终生成所需形状的混凝土三维随机骨料模型。

本实施例通过上述步骤，可以生成适用于任意形状试件的混凝土细观模型以及不同骨料分布、不同骨料含量、不同骨料尺寸的混凝土细观模型，且可以适用于各类计算工况，大大提高了模型构建的灵活性以及适用范围。

本实施例步骤S01中建立基础有限元模型数据库的详细步骤包括：

S101.根据所需建模的混凝土试件形状建立对应的几何模型；

S102.对建立的几何模型进行有限元划分，建立得到对应的三维混凝土均匀有限元模型；

S103.获取三维混凝土均匀有限元模型的节点信息和单元信息，建立得到基础有限元模型数据库。

所需建模的混凝土试件形状可能是各类型的复杂形状，使用传统方法难以直接进行建模，如图2所示(右侧分支部分)，本实施例具体通过先根据所需要混凝土样品的复杂形状，直接建立相对应的几何模型，然后对几何模型进行有限元网格划分，建立该形状复杂的三维混凝土均匀有限元模型，导出所建立的形状复杂的三维混凝土均匀有限元模型节点信息和单元信息，即可建立基础有限元模型数据库。

本实施例步骤S01中具体按照随机方式生成三维随机骨料混凝土模型细观参数，细观模型参数具体包括骨料半径、骨料中心的空间坐标，如图2所示(左侧分支部分)，建立骨料信息数据库的详细步骤包括：

S111.配置骨料颗粒参数，骨料颗粒参数包括体分比以及粒径范围，以当前时间为基准提供种子文件；

S112.基于当前配置的骨料颗粒参数，随机生成球形骨料颗粒的球形坐标和半径大小；

S113.判断骨料颗粒是否相交重叠，如果是则返回步骤S112以重新生成坐标，否则转入步骤S114；

S114.每当生成一颗骨料时判定当前生成的所有骨料体积是否低于预设体分比V

S115.确定所有骨料颗粒的球心位置以及半径，生成骨料信息数据库。

本实施例步骤S111前还包括设定骨料生成的长方体区域的边界条件，以使得将所需建模的混凝土模型包裹在长方体区域内，边界条件包括参数X

本实施例通过以简单的长方体形状边界条件为基准来生成细观模型参数，在确保有效性的前提下，可以降低参数生成的复杂程度，后续再结合在所需要的形状复杂的均匀混凝土试件有限元模型的基础上，对每个单元所处的位置进行材料属性判定，最终即可快速生成所需要的复杂形状的混凝土三维随机骨料模型。

上述具体可利用Fortran程序进行球形骨料颗粒的生成，即在Fortran程序中随机生成球形骨料颗粒的球形坐标和半径大小。

本实施例上述边界条件具体可配置为长方体区域的边界值与混凝土试件边界值之差的绝对值大于等于骨料最大半径，即表达式为：

|γ

其中，γ

本实施例步骤S113中判断骨料颗粒是否相交重叠时，如果当前生成的第一骨料的球心坐标与当前所判定的第二骨料的球心坐标之间的距离不小于第一骨料与第二骨料的半径之和，则判定为不相交，否则判定为相交，即按照下式判断骨料颗粒是否相交重叠：

其中，R

如果不满足上式(2)则需要重新进行坐标生成，每生成一颗骨料后，首先判定当前生成的所有骨料体积是否超过给定体分比V

上述边界条件的具体设定规则以及判断骨料颗粒是否相交重叠的具体判定规则，也可以根据实际需求采用其他的规则或实现方式。

本实施例步骤S01中，对建立的几何模型进行有限元划分以建立基础有限元模型数据库与生成细观模型参数为同步执行，即复杂形状混凝土试件的有限元网格划分过程与细观模型参数生成的过程是同步执行的，使得该两个过程可以并行计算，大大提高了三维混凝土随机骨料模型的建模效率。

本实施例中步骤S02的详细步骤包括：

S201.在有限元模型数据库中，根据每个单元的节点坐标值计算出每个单元的中心坐标；

S202.获取骨料信息数据库中的球心坐标以及球体半径，判断球心与有限元模型数据库中各单元中心的距离，若距离小于球体半径，则判定对应的单元的中心位于球体内部，即判定对应单元为骨料单元，否则判定为砂浆单元。

本实施例通过上述步骤，利用骨料信息数据库中的球心坐标值和球体半径，判断有限元模型数据库中各单元是否位于球体内部，从而进行相应的属性(骨料或砂浆)的赋值，最终生成所需任意形状的三维混凝土细观模型。

如图2所示，本发明在具体应用实施例中实现任意形状试件的三维混凝土细观建模的详细步骤为：

步骤1，根据所需要混凝土样品的复杂形状，直接建立相对应的几何模型，并对其进行有限元网格划分，建立形状复杂的三维混凝土均匀有限元模型；

步骤2，导出所建立的形状复杂的三维混凝土均匀有限元模型节点信息和单元信息，建立基础有限元模型数据库；

步骤3，生成形状复杂的三维随机骨料混凝土模型细观参数，包括：

3.1设定骨料生成的长方体区域的边界条件X

3.2设定所生成骨料体分比V

3.3在Fortran程序中随机生成球形骨料颗粒的球形坐标和半径大小，并通过式(2)判断当前所生成的骨料颗粒与之前生成的骨料颗粒是否相交重叠：

3.4每生成一颗骨料，判定当前生成的所有骨料体积是否低于预设体分比V

3.5确定所有骨料颗粒的半径和球心坐标，生成骨料信息数据库。

步骤4，在骨料信息数据库的基础上，对有限元模型数据库中每个单元所处的空间位置进行判定，根据判定结果，分别赋予相应单元骨料或砂浆的材料属性；

步骤5，生成最终所需要的形状复杂的三维混凝土随机骨料模型，并根据实际工程进行加载计算。

通过上述步骤，可以生成适用于任意形状试件的混凝土细观模型以及不同骨料分布、不同骨料含量、不同骨料尺寸的混凝土细观模型。上述步骤1、3实际配置为并行执行，以提高执行效率。

本实施例还提供计算机设备，包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机程序，处理器用于执行计算机程序以执行上述方法。

本实施例还提供存储有计算机程序的计算机可读存储介质，计算机程序执行时实现如上述的方法。

实施例2:

本实施例为利用实施例1中方法生成短圆柱形状的混凝土三维随机骨料模型，以进一步对本发明进行说明。本实施例实现短圆柱形状的混凝土三维随机骨料模型的详细流程为：

步骤1.进行有限元划分，建立对应的三维混凝土均匀有限元模型，建立得到基础有限元模型数据库。

给定所需的混凝土试件特征尺寸，具体短圆柱试样的截面直径为75mm，高度为50mm，为典型的用于Hopkinson杆动态力学实验的样品尺寸。将短圆柱区域沿XZ平面和YZ平面划分为4个体以便于进行映射网格划分(如图3中(a)所示)，单元尺寸设置为1.2mm，网格划分结果如图3中(b)所示，共生成122880个六面体单元和128617个节点。导出有限元模型的节点信息和单元信息，建立基础有限元模型数据库。

步骤2.按照随机方式生成三维随机骨料混凝土模型细观参数，建立骨料信息数据库。

为了满足实验的应力均匀性假定，所生成的骨料粒径范围设置在5～10mm和10～20mm，骨料体积含量40.19％。以当前时间为基准提供种子文件，在Fortran程序中随机生成球形骨料颗粒的球形坐标和半径大小，建立骨料信息数据库。

步骤3.根据骨料信息数据库对所述有限元模型数据库中每个单元所处的位置进行材料属性判定。

在骨料信息库的基础上，对122880个六面体单元依次判定其所处的空间位置，若位于骨料颗粒内部则判定为骨料单元，否则为砂浆单元。判定结果如图3中(c)和图3中(d)所示，共生成了49152个骨料单元(如图3中(b)所示)，整个三维混凝土随机骨料模型的剖面图如图3中(d)所示。

步骤4.根据步骤3中得到的判定结果，分别对有限元模型数据库中各单元赋予骨料或砂浆的材料属性，最终生成所需形状的混凝土三维随机骨料模型。

本实施例无需生成可视化的几何模型，可以在基础有限元模型上直接进行单元属性判别，最终生成可以直接用于有限元计算的三维混凝土随机骨料模型。同时在本实施例中，为了更加直观地展示所建立的三维混凝土随机骨料模型，将骨料信息以ANSYS命令流的格式建立了其几何模型，如图3中(e)所示，可以看到所生成的每颗骨料与有限元模型是一一对应的。

实施例3:

本实施例为利用实施例1中方法几种不同骨料含量的哑铃形状的混凝土三维随机骨料模型，以进一步对本发明进行说明，属于本发明实现的一种特殊情形。

步骤1.进行有限元划分，建立对应的三维混凝土均匀有限元模型，建立得到基础有限元模型数据库。

给定所需的混凝土试件特征尺寸，哑铃状试样的两端由直径100mm，高度15mm两个短圆柱构成，截面缩颈区域由高度10mm的圆台组成，大端面直径100mm，小端面直径80mm，中间部位由直径80mm，高度50mm的圆柱组成，为典型的用于Hopkinson杆动态拉伸实验的样品尺寸。将每个部位沿XZ平面和YZ平面划分为4个体以便于进行映射网格划分(如图4中(a)所示)，单元尺寸设置为1.2mm，网格划分结果如图4中(b)所示，共生成1188000个六面体单元和1212231个节点。导出有限元模型的节点信息和单元信息，建立基础有限元模型数据库。

步骤2.按照随机方式生成三维随机骨料混凝土模型细观参数，建立骨料信息数据库。

为了满足实验的应力均匀性假定，所生成的骨料粒径范围设置在5～10mm和10～20mm，设定5种不同的骨料体积含量，分别为20.05％、25.17％、30.21％、35.11％、40.31％。以当前时间为基准提供种子文件，在Fortran程序中随机生成球形骨料颗粒的球形坐标和半径大小，建立骨料信息数据库。

步骤3.根据骨料信息数据库对所述有限元模型数据库中每个单元所处的位置进行材料属性判定。

在骨料信息库的基础上，对1188000个六面体单元依次判定其所处的空间位置，若位于骨料颗粒内部则判定为骨料单元，否则为砂浆单元。五种不同骨料含量的三维混凝土随机骨料模型的剖面图如图4中(c)～(g)所示。

进一步将将实施例2与实施例2中两种三维混凝土随机骨料模型应用于动态拉伸数值模拟中，破坏结果如图5所示。从图5中可以看出，本发明所建立的三维混凝土细观骨料模型能够良好地应用于数值模拟中。

本发明可以生成任意复杂形状的混凝土三维随机骨料模型，还可以自由设定所生成混凝土三维随机骨料模型的骨料颗粒尺寸范围以及骨料含量，能够良好地应用于多种工况下的数值模拟中(如图5所示)，进一步可以此为基础，研究骨料含量、骨料的随机分布以及骨料与砂浆的基础物理参数等细观因素对整个混凝土试件动态拉伸力学性能的影响。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。