一种含六相组分的钢筋混凝土三维细观模型制造技术

本发明专利技术涉及一种含六相组分的钢筋混凝土三维细观模型。主要解决现有钢筋混凝土细观模型方法存在的未实现考虑级配分布的随机形状骨料颗粒的技术问题。该模型包括随机凸多面体骨料、砂浆、骨料

【技术实现步骤摘要】
一种含六相组分的钢筋混凝土三维细观模型


[0001]本专利技术属于钢筋混凝土的细观建模研究领域，具体涉及一种含六相组分的钢筋混凝土三维细观模型。

技术介绍

[0002]钢筋混凝土作为一种常见的结构，在民用和军事防护工程中有着广泛的应用。分析静态承载、动态冲击、瞬时爆炸等多种工况下的钢筋混凝土力学性能可为进一步优化其内部结构起到重要的理论指导作用。随着计算机技术的发展，数值模拟逐渐成为工程研究的主要方法之一。尤其对于大型工程结构，数值模拟分析可大大节省研究中所需的人力及财力。
[0003]目前，钢筋混凝土数值模型的建立逐渐向细观尺度发展。公开号为CN 108344634 A的专利技术专利申请提出了一种钢筋混凝土细观三维模型方法，该模型包含了骨料、砂浆、肋筋及肋筋与混凝土的粘结界面等四相细观结构。然而，该专利技术中提出的骨料形状为球体，且骨料未按级配分布，这与实际混凝土中的骨料形状及骨料粒径分布差异较大；公开号为CN 110442922 A的专利技术专利申请提出了一种不锈钢筋混凝土的细观数值模型建立方法，该模型包含粗骨料、砂浆、砂浆
‑
粗骨料界面、不锈钢筋、钢筋
‑
砂浆粘结界面等五相细观结构。该方法考虑了粗骨料的级配分布，然而所建骨料形状仍为圆形或球体；公开号为CN 112052539 A的专利技术专利申请提出的钢筋混凝土模型由骨料、砂浆及钢筋三相组成。其中，骨料形状为凸多面体，相比之前的方法具有明显优点。然而，该模型未能建立骨料与砂浆间的界面层、砂浆与钢筋间的粘结层，更重要的是未能实现混凝土中骨料的级配分布。
[0004]由此可见，目前提出的钢筋混凝土细观模型中仍未实现考虑级配分布的随机形状骨料颗粒。另外，当钢筋混凝土中涉及到更多相组分时，现有建模方法难以拥有较好的建模效率。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是解决现有钢筋混凝土细观模型方法存在的未实现考虑级配分布的随机形状骨料颗粒的技术问题，提供一种含六相组分的钢筋混凝土三维细观模型。该模型不仅包含凸多面体骨料、砂浆、骨料
‑
砂浆界面层、钢筋、砂浆
‑
钢筋粘结层，还包含钢筋混凝土内严重影响其静态力学性能的重要细观成分：随机分布的气孔缺陷。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种含六相组分的钢筋混凝土三维细观模型，其包括以下步骤：
[0008]步骤1：设定所需钢筋混凝土试件的尺寸，建立与所需钢筋混凝土试件尺寸一致的长方体模型，体积记为V。在长方体模型内建立横、纵钢筋的三维模型，并在上述所有钢筋表面建立一层厚度为t的粘结层；
[0009]步骤2：在步骤1中所述长方体模型内随机分布N个种子点，并对长方体进行Voronoi图形划分，生成与上述种子点相应的彼此相接的凸多面体胞元，删除顶点未全部落
在上述长方体内的凸多面体胞元，保存剩余凸多面体胞元的顶点坐标信息；
[0010]步骤3：在步骤1中所需钢筋混凝土试件内部放入四级配的骨料颗粒，且各级配骨料的粒径区间分别为：[d
i
,d
i+1
]，其中i＝1,2,3,4，d
i
与d
i+1
分别为该级配内骨料的最小粒径和最大粒径，且满足d
i+1
>d
i
；根据富勒级配曲线计算出各骨料级配区间内的骨料数量；
[0011]步骤4：在步骤2中所述的凸多面体胞元中随机选择一个胞元，并以其相应的种子点为中心进行收缩，使收缩后得到的新凸多面体胞元尺寸满足级配[d
i
,d
i+1
]、i＝4的粒径区间。收缩过程中检测所得到的新凸多面体胞元是否与步骤1中所述的钢筋及其表面粘结层发生交叉，如果有交叉发生，则增加上述凸多面体胞元的收缩程度，直到交叉不存在；当凸多面体胞元收缩至粒径小于d
i
,、i＝1时，仍与步骤1中钢筋或粘结层存在交叉，则删除该凸多面体胞元；若上述交叉不存在，则保存收缩后的新凸多面体胞元顶点信息，并随机选取下一个凸多面体胞元进行收缩；当收缩后的新凸多面体胞元数量达到步骤3中级配区间[d
i
,d
i+1
]、i＝4内的骨料数量时，进行下一级配区间[d
i
,d
i+1
]、i＝3的凸多面体胞元收缩过程，直到四个级配内的新凸多面体胞元数量均达到步骤3中所述各骨料级配区间内的骨料数量时，停止该步骤，并记录得到的各新凸多面体胞元的顶点坐标信息；
[0012]步骤5：将步骤1中所需钢筋混凝土试件的内部气孔缺陷设定为粒径在区间[r
min
,r
max
]内的球体，其中，r
min
与r
max
分别为球体气孔缺陷的最小半径值和最大半径值，则气孔缺陷球体的等效半径为r＝(r
min
+r
max
)/2。将所有气孔缺陷球体的总体积按需求设定为V
eg
，一般0<V
eg
<2％V，则可算得所需钢筋混凝土试件的内部气孔缺陷球体总数量为N
g
＝V
eg
/(4πr3/3)；
[0013]步骤6：在步骤2中所述剩余凸多面体胞元的顶点坐标中随机选取一个顶点坐标，并以该顶点坐标为球心，建立半径为r
ball
的球体，r
ball
为步骤5中所述区间[r
min
,r
max
]内的随机值；判断该球体是否与步骤1中所述的钢筋及其粘结层或步骤4中所述的收缩后的新凸多面体胞元发生交叉，如有交叉发生，则减小该球体的半径，直到交叉不存在；当该球体的半径减小至r
min
时交叉仍存在，则删除该球体，重新调用步骤2中剩余凸多面体胞元的顶点坐标，并重复上述判断，直到交叉不存在，保存该球体位置信息，并重复该步骤内的上述操作，直到所存球体数量达到步骤5中所述的气孔缺陷球体总数量N
g
，停止该步骤；
[0014]步骤7：按步骤4中所述的凸多面体胞元收缩方法，将步骤4中得到的新凸多面体胞元以各自对应的种子点为中心进行再次收缩，再次收缩前、后所得凸多面体胞元间形成的空隙部分即为骨料与砂浆间的界面层；
[0015]步骤8：采用布尔运算，在步骤1中所述的长方体模型中减去步骤1中所述的横、纵钢筋及钢筋表面粘结层所占区域，再减去步骤4中收缩后的新凸多面体胞元所占区域及步骤6中所述气孔缺陷球体的所占区域，最终所得区域即为砂浆部分。
[0016]进一步地，步骤1中，在长方体内建立的横、纵钢筋均为圆柱体。
[0017]进一步地，步骤3中所述的富勒级配曲线为：
[0018][0019]其中，d为骨料的粒径，d
max
为混凝土中所有骨料的最大粒径，P(d)为粒径尺寸小于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含六相组分的钢筋混凝土三维细观模型，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：设定所需钢筋混凝土试件的尺寸，建立与所需钢筋混凝土试件尺寸一致的长方体模型，体积记为V；在长方体模型内建立横、纵钢筋的三维模型，并在上述所有钢筋表面建立一层厚度为t的粘结层；步骤2：在步骤1中所述长方体模型内随机分布N个种子点，并对长方体进行Voronoi图形划分，生成与上述种子点相应的彼此相接的凸多面体胞元，删除顶点未全部落在上述长方体内的凸多面体胞元，保存剩余凸多面体胞元的顶点坐标信息；步骤3：在步骤1中所需钢筋混凝土试件内部放入四级配的骨料颗粒，且各级配骨料的粒径区间分别为：[d
i
,d
i+1
]，其中i＝1,2,3,4，d
i
与d
i+1
分别为该级配内骨料的最小粒径和最大粒径，且满足d
i+1
>d
i
；根据富勒级配曲线计算出各骨料级配区间内的骨料数量；步骤4：在步骤2中所述的剩余凸多面体胞元中随机选择一个胞元，并以其相应的种子点为中心进行收缩，使收缩后得到的新凸多面体胞元尺寸满足级配[d
i
,d
i+1
]、i＝4的粒径区间；收缩过程中检测所得到的新凸多面体胞元是否与步骤1中所述的钢筋及其表面粘结层发生交叉，如果有交叉发生，则增加上述凸多面体胞元的收缩程度，直到交叉不存在；当凸多面体胞元收缩至粒径小于d
i
,、i＝1时，仍与步骤1中钢筋或粘结层存在交叉，则删除该凸多面体胞元；若上述交叉不存在，则保存收缩后的新凸多面体胞元顶点信息，并随机选取下一个凸多面体胞元进行收缩；当收缩后的新凸多面体胞元数量达到步骤3中级配区间[d
i
,d
i+1
]、i＝4内的骨料数量时，进行下一级配区间[d
i
,d
i+1
]、i＝3的凸多面体胞元收缩过程，直到四个级配内的新凸多面体胞元数量均达到步骤3中所述各骨料级配区间内的骨料数量时，停止该步骤，并记录得到的各新凸多面体胞元的顶点坐标信息；步骤5：将步骤1中所需钢筋混凝土试件的内部气孔缺陷设定为粒径在区间[r
min
,r
max
]内的球体，其中，r
min
与r
max
分别为球体气孔缺陷的最小半径值和最大半径值，则气孔缺陷球体的等效半径为r＝(r
min
+r
max
)/2；将所有气孔缺陷球体的总体积按需求设定为V
eg
，0<V
eg
<2％V，则可算得所需钢筋混凝土试件的内部气孔缺陷球体总数量为N
g
＝V
eg
/(4πr3/3)；步骤6：在步骤2中所述剩余凸多面体胞元的顶点坐标中随机选取一个顶点坐标，并以该顶点坐标为球心，建立半径为r
ball
的球体，r
ball
为步骤5中所述区间[r
min
,r
max
]内的随机值...

【专利技术属性】
技术研发人员：张杰，王志华，王志勇，赵婷婷，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：