一种自适应的混凝土细观建模方法技术

本发明专利技术公开一种自适应的混凝土细观建模方法，包括下述步骤：1)根据混凝土骨料级配生成所需圆形边界，在圆形边界内生成凸多边形骨料，然后对其面积进行延拓，同时进行延拓点侵入判断，生成凸多边形骨料混凝土模型；2)在各凸多边形骨料内部设置内多边形网格过渡圈，骨料‑砂浆界面过渡带与水泥砂浆之间设置外多边形网格过渡圈，对骨料的极半径进行调整，获得骨料‑砂浆界面过渡带及内外网格过渡圈顶点坐标，依据骨料粒径设置骨料‑砂浆界面过渡带厚度，同时设定内外网格过渡圈上的网格尺寸，得到网格自适应的混凝土多相细观模型。该方法可实现细观模型中骨料的随机投放和自适应网格的生成，保证模型内不同区域计算精度的同时提高计算效率。

An adaptive meso modeling method for concrete

The invention discloses an adaptive meso concrete modeling method, which comprises the following steps: 1) according to the concrete aggregate gradation to generate the required circular boundary, generating convex polygon aggregate in circular boundary, and then the area of extension, and extension point intrusive judgment, generating convex polygon aggregate model of concrete in 2); the convex polygon aggregate arranged inside the polygon mesh transition ring is arranged outside the interface transition zone between aggregate mortar and cement mortar mesh transition ring, polar radius for aggregate adjustment, obtained aggregate mortar interface transition zone and transition zone inside and outside the grid vertex coordinates, based on the aggregate size set aggregate mortar interface transition zone thickness at the same time, and set the transition ring grid grid size, grid adaptive get concrete multiphase micromechanical model. This method can realize the random delivery of aggregate and meshing in mesoscopic model, and ensure the accuracy of computation in different regions of the model, and at the same time, improve the computation efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种自适应的混凝土细观建模方法
本专利技术涉及一种细观建模技术，具体涉及一种自适应的混凝土细观建模方法，属于混凝土损伤破坏的细观模拟

技术介绍
随着计算机技术的发展，细观层次的数值模拟方法被广泛应用于混凝土损伤破坏的分析。其中，细观模型的建立是一个重要的组成部分。面对混凝土复杂的内部结构，合理的细观建模方式是分析混凝土损伤破坏的关键。模型精细程度的提高意味着与实际情况更加接近，但也提升了计算规模，由此产生了如何平衡模型的精细化程度与计算规模的问题。若考虑骨料-砂浆界面过渡带(ITZ)的实际几何形式，计算规模将由于单元尺寸的减小而大幅增加，若对ITZ厚度作一定假设而降低计算规模，又与实际产生一定偏差。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有细观建模方法存在的不足，本专利技术提供一种自适应的混凝土细观建模方法，通过该方法可建立网格自适应的多边形骨料混凝土随机细观模型，对混凝土损伤破坏进行高效且精确的批量模拟。技术方案：本专利技术所述的一种自适应的混凝土细观建模方法，包括下述步骤：1)根据混凝土骨料级配生成所需圆形边界，在圆形边界内生成凸多边形骨料，然后对其面积进行延拓，同时进行延拓点侵入判断，生成凸多边形骨料混凝土模型；2)在各凸多边形骨料内部设置内多边形网格过渡圈，骨料-砂浆界面过渡带与水泥砂浆之间设置外多边形网格过渡圈，对凸多边形骨料的极半径进行调整，获得骨料-砂浆界面过渡带及内、外多边形网格过渡圈顶点坐标，依据骨料粒径设置骨料-砂浆界面过渡带厚度，同时设定内、外多边形网格过渡圈上的网格尺寸，得到网格自适应的混凝土多相细观模型。上述步骤1)中，凸多边形骨料的生成方法为：在圆形边界上随机取点作为多边形骨料的第一个顶点，并依据极角与极半径依次生成第2到第n个顶点坐标，根据骨料顶点的生成顺序进行凸性判断，使每个骨料顶点满足凸性条件。其中，凸性判断的方法为：通过最近生成的3个骨料顶点的有向面积的正负实现凸性条件的判断，当有向面积为正数时，说明组成有向面积的三角形的第3顺序点为凸性点，当所有骨料顶点经判断后都可以保证多边形为凸多边形时，骨料生成完毕。对凸多边形骨料面积进行延拓的方法为：将各多边形骨料的顶点坐标由极坐标转换为笛卡尔坐标，分别计算多边形各边边长并存入数组，然后获得数组中最大的边长值aiai-1；再以最长边为直径的圆周上随机取延拓点P，其坐标参数如下：式中：aiai-1为延拓边边长，η为(0，1)内均匀分布函数，γ为(0，2π)内的随机数。对凸多边形骨料进行面积延拓时，需确保延拓点与延长边相邻两边构成的三角形有向面积S都大于零；从而可保证延拓点为凸性点。为保证延拓点不侵入其它骨料，限定延拓点与骨料圆心之间的距离在相应骨料对应级配最大粒径rmax的范围以内。判断延拓点P是否侵入其它骨料的方法为：当判断骨料B的延拓点P是否侵入骨料A时，将骨料A的顶点按逆时针排序，分别计算有向面积SnPn+1的正负(n＝1，2，3)，当SnPn+1的值都为负时，说明P点侵入骨料A内部，当SnPn+1的值正负不一时，说明A、B两骨料相离。上述步骤2)中，由凸多边形骨料顶点坐标(ρi，θi)获得骨料-砂浆界面过渡带顶点坐标以及内、外多边形网格过渡圈顶点坐标参数表达式：式中，αi为骨料-砂浆界面过渡带厚度或内、外多边形网格过渡圈厚度。骨料-砂浆界面过渡带厚度随骨料粒径线性变化，为0.02mm到0.05mm；内、外多边形网格过渡圈厚度分别设置为骨料粒径的0.7倍和1.2倍；内、外多边形网格过渡圈上的网格尺寸与过渡圈周长成正比。进一步的，内、外多边形网格过渡圈上的网格尺寸L由下式确定：式中，A为对应的内、外网格过渡圈周长，B为骨料-砂浆界面过渡带周长，I为骨料-砂浆界面过渡带的网格尺寸，I的值等于或略小于骨料-砂浆界面过渡带的厚度。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术在有限元模拟技术、混凝土材料学、损伤力学理论的基础上，兼顾了计算效率与精度，设计了一体化的多边形骨料混凝土随机细观模型建模方法，该方法考虑了ITZ的实际厚度及其随骨料粒径的变化，利用该方法可以实现细观模型中骨料的随机投放以及自适应网格的生成，从而保证模型内不同区域计算精度的同时提高计算效率；该方法能够建立更加符合实际的高效计算模型，也为批量数值模拟提供了便利，通过该方法所建立的混凝土细观模型非常适合于混凝土损伤破坏的模拟。附图说明图1为本专利技术的一种自适应的混凝土细观模型的建模流程；图2为圆形骨料的随机生成及投放流程图；图3为多边形凸性条件判断示意图；图4为凸多边形骨料面积延拓示意图；图5为凸多边形骨料侵入判断示意图，图中，A、B两骨料相离；图6为凸多边形骨料混凝土模型随机生成流程图；图7为实施例中生成的凸多边形骨料混凝土模型示意图；图8为凸多边形骨料的内外多边形网格过渡圈设置示意图；图9(a)为实施例中最终建立的混凝土有限元模型，图9(b)为图9(a)中单个凸多边形骨料的ITZ及内外网格过渡圈的网格划分示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术的技术方案作进一步说明。本专利技术的一种自适应的混凝土细观建模方法，在多边形骨料生成的基础上进行ITZ区建立与自适应网格设定，通过在多边形骨料周围自动设定多边形网格过渡圈，在ITZ与水泥砂浆和骨料间形成网格过渡带，形成自适应的网格过渡，使ITZ可以按实际几何形式建立于细观模型之中，从而解决了原有多边形骨料混凝土细观建模技术中难以同时保证计算效率与计算精度的问题。如图1，本专利技术的一种自适应的混凝土细观建模方法包括以下步骤：1)根据混凝土骨料级配生成所需圆形边界，利用多边形骨料顶点的极坐标(ri，θi)在圆形边界内确定骨料顶点的位置，使其满足凸性条件，再对多边形骨料进行延拓，同时进行侵入判断；2)对骨料极半径进行调整，获得ITZ及内外网格过渡圈顶点坐标，依据骨料粒径设置ITZ厚度，同时设定内外网格过渡圈上的网格密度，得到网格自适应的混凝土多相细观模型。实施例步骤1)：(a)确定模型边界坐标，假设为(xl，yl)，(xr，yr)。计算截面内颗粒粒径D小于筛孔D0范围内的概率Pc(D＜D0)：式中，Pk为混凝土试件中骨料体积占总体积的百分比。计算各粒径的骨料颗粒数，如下式：其中，ni为某一粒径范围内的颗粒数；Ai、A分别为骨料面积及截面面积，对于直径为D的圆形骨料，其面积为：A＝πD2/4。(b)随机生成在各级配范围内的骨料粒径ri。(c)在模型边界范围内生成骨料几何中心坐标(x，y)及相应粒径范围内的骨料粒径ri，其关系如下式：其中u为骨料与边界间的距离。这样就可以保证生成的任意圆形不会与试件边界相交，两圆形的相离判断只需使两圆心间距离大于圆半径之和：式中v为两圆之间的最小距离。圆形骨料的随机生成及投放流程图如图2。(d)在步骤(c)中生成的圆周上随机取点作为多边形骨料的第一个顶点(r，θ)，其坐标参数如下：式中λ为(0，1)内的随机数。第2至第n个顶点坐标(ri，θi)的取值方式如下：为避免针状骨料的生成，设定极角与极半径的取值范围：rb为(0，0.5r0)、θb为范围内的随机数。(e)如图3，在已生成点1、2的情况下，为保证点3满足多边形凸性条件，借助Δ123的有向面积S的正负判断来实现，SΔ123的计算式如下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自适应的混凝土细观建模方法，其特征在于，包括如下步骤：1)根据混凝土骨料级配生成所需圆形边界，在圆形边界内生成凸多边形骨料，然后对其面积进行延拓，同时进行延拓点侵入判断，生成凸多边形骨料混凝土模型；2)在各凸多边形骨料内部设置内多边形网格过渡圈，骨料‑砂浆界面过渡带与水泥砂浆之间设置外多边形网格过渡圈，对凸多边形骨料的极半径进行调整，获得骨料‑砂浆界面过渡带及内、外多边形网格过渡圈顶点坐标，依据骨料粒径设置骨料‑砂浆界面过渡带厚度，同时设定内、外多边形网格过渡圈上的网格尺寸，得到网格自适应的混凝土多相细观模型。

【技术特征摘要】
1.一种自适应的混凝土细观建模方法，其特征在于，包括如下步骤：1)根据混凝土骨料级配生成所需圆形边界，在圆形边界内生成凸多边形骨料，然后对其面积进行延拓，同时进行延拓点侵入判断，生成凸多边形骨料混凝土模型；2)在各凸多边形骨料内部设置内多边形网格过渡圈，骨料-砂浆界面过渡带与水泥砂浆之间设置外多边形网格过渡圈，对凸多边形骨料的极半径进行调整，获得骨料-砂浆界面过渡带及内、外多边形网格过渡圈顶点坐标，依据骨料粒径设置骨料-砂浆界面过渡带厚度，同时设定内、外多边形网格过渡圈上的网格尺寸，得到网格自适应的混凝土多相细观模型。2.根据权利要求1所述的自适应的混凝土细观建模方法，其特征在于，步骤1)中，所述凸多边形骨料的生成方法为：在圆形边界上随机取点作为多边形骨料的第一个顶点，并依据极角与极半径依次生成第2到第n个顶点坐标，根据骨料顶点的生成顺序进行凸性判断，使每个骨料顶点满足凸性条件。3.根据权利要求2所述的自适应的混凝土细观建模方法，其特征在于，所述凸性判断的方法为：通过最近生成的3个骨料顶点的有向面积的正负实现凸性条件的判断，当有向面积为正数时，说明组成有向面积的三角形的第3顺序点为凸性点，当所有骨料顶点经判断后都可以保证多边形为凸多边形时，骨料生成完毕。4.根据权利要求1所述的自适应的混凝土细观建模方法，其特征在于，步骤1)中，所述对凸多边形骨料面积进行延拓的方法为：将各多边形骨料的顶点坐标由极坐标转换为笛卡尔坐标，分别计算多边形各边边长并存入数组，然后获得数组中最大的边长值aiai-1；再以最长边为直径的圆周上随机取延拓点P，其坐标参数如下：式中：aiai-1为延拓边边长，η为(0，1)内均匀分布函数，γ为(0，2π)内的随机数。5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭小明，吴佰建，孙骁晓，郭力，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32