一种UHPC结构的细观建模和分析方法技术

本发明专利技术涉及一种UHPC结构的细观建模和分析方法，包括：步骤1)根据UHPC构件尺寸特征参数，确定格构节点坐标，并连接格构节点得到格构模型的框架；步骤2)根据UHPC材料所使用的各组分材料级配，确定钢纤维数量以及UHPC各组分的细观二维参数；步骤3)基于随机分布算法生成钢纤维细观随机分布模型，并基于钢纤维节点坐标与格构节点坐标生成连接杆件，得到格构模型；步骤4)将格构模型导入ABAQUS二次开发平台，进行受荷计算，并基于受荷计算结果，对各格构单元的应力状况根据破坏准则进行判别，若判别结果为发生破坏，则将所述格构单元替代为弹性模量和强度均为0的零单元。与现有技术相比，本发明专利技术综合考虑了UHPC的细观结构特性，并提供了精细化数值模拟思路。了精细化数值模拟思路。了精细化数值模拟思路。

【技术实现步骤摘要】
一种UHPC结构的细观建模和分析方法


[0001]本专利技术涉及材料仿真数值分析领域，尤其是涉及一种UHPC结构的细观建模和分析方法。

技术介绍

[0002]UHPC是由基质与钢纤维构成的多物相复合材料。由于钢纤维的存在，当UHPC基质开裂后，穿过裂缝的钢纤维会产生“桥联”作用，它能够通过本身与基质的相互作用来传递裂缝间的应力，破坏机理十分复杂。当前，UHPC的数值模型均是基于宏观力学模型将其作为各项均质材料进行模拟，真实破坏过程无法得到准确体现。同时，在宏观力学试验中，结构随着尺寸的逐渐增大，尺寸效应会逐渐明显，往往某一尺寸适用的宏观本构数值模型到另一尺寸会不再适用，这与材料内部缺陷的逐渐增多有关。从细观层次上对于结构物进行模拟能够有效地规避掉宏观力学层次的尺寸效应。因此，为了得到准确的破坏机理与力学响应，从细观层次进行研究势在必行。
[0003]经过对现有技术的检索发现，UHPC材料的细观技术主要是对钢纤维的随机分布技术进行研究。在中国专利“一种基于随机有限元的纤维沥青混凝土细观行为分析方法”(授权号：CN201710591145.7)徐勋倩等基于拉丁超立方分层抽样法和随机生成算法，构建纤维三维随机分布模型，该方法能较快速生成纤维细观几何分布参数并建立细观数值分析模型。细观技术分析方法方面，在中国专利“一种基于APDL语言开发的混凝土细观模型分析方法”(授权号：CN201711098345.5)杨旭等以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，进行建模及智能化网格划分，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。该种方法由于直接杀死单元，容易存在着不收敛的问题。现存专利对于UHPC细观结构的研究，主要集中在细观建模方法，对于细观计算分析方法目前则尚未涉及。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是为了提供一种UHPC结构的细观建模和分析方法，综合考虑UHPC材料的细观结构特征，建立适用于数值分析的格构模型，并对其进行精细化数值分析。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]一种UHPC结构的细观建模和分析方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1)根据UHPC构件尺寸特征参数，确定格构节点坐标，并连接格构节点得到格构模型的框架，其中，所述格构模型包括格构节点以及格构节点之间相互连接的格构单元；
[0008]步骤2)根据UHPC材料所使用的各组分材料级配，确定钢纤维数量以及UHPC各组分的细观二维参数；
[0009]步骤3)基于随机分布算法、钢纤维数量以及UHPC各组分的细观二维参数生成钢纤维细观随机分布模型，并基于钢纤维节点坐标与格构节点坐标生成连接杆件，得到格构模型；
[0010]步骤4)将格构模型导入ABAQUS二次开发平台，进行受荷计算，并基于受荷计算结果，对各格构单元的应力状况根据破坏准则进行判别，若判别结果为发生破坏，则将所述格构单元替代为弹性模量和强度均为0的零单元。
[0011]所述UHPC构件特征参数包括UHPC结构的整体尺寸、边界情况以及荷载情况。
[0012]所述格构节点坐标的确定方法为：根据格构模型的概念，将结构划分为若干网格，每个格构节点随机分布在对应的网格之中。
[0013]所述钢纤维数量根据UHPC构件的体积、钢纤维体积含量、钢纤维体积进行计算得到：
[0014]n
s
＝V
U
ρ
s
/V
s
[0015]其中，n
s
为钢纤维数量，V
U
为UHPC构件的体积，ρ
s
为钢纤维体积含量，V
s
为钢纤维体积。
[0016]所述UHPC各组分的细观二维参数包括各材料的弹性模量、泊松比以及强度。
[0017]细观二维参数中的二维空间钢纤维参数根据钢纤维在三维空间中的材料特征参数，基于钢纤维投影状况进行折减转换得到。
[0018]所述折减转换包括以下步骤：
[0019]对于任意穿过计算平面的钢纤维，确定钢纤维在计算平面的投影长度：
[0020]l cosα＝l
xoy
[0021]其中，l为钢纤维实际长度，α为钢纤维与计算平面的夹角，l
xoy
是钢纤维的平面投影长度；
[0022]基于钢纤维的空间分布特征，确定二维空间钢纤维的平均投影长度：
[0023][0024]使用弹性模量E的折减替代水平投影长度的折减，换算关系为：
[0025]E1ε1＝E2ε2[0026][0027]其中，E1为钢纤维真实弹性模量，E2为钢纤维二维空间的弹性模量，ε1为钢纤维真实应变，ε2为二维空间钢纤维应变。
[0028]所述钢纤维的空间分布特征包括：
[0029]钢纤维在空间中的分布是均匀且随机的；
[0030]每根通过计算平面的钢纤维与计算平面的夹角α的取值是随机的，且每个夹角角度的概率是相同的。
[0031]所述生成钢纤维细观随机分布模型包括以下步骤：
[0032]步骤3
‑
1)确定钢纤维分布范围和钢纤维数量；
[0033]步骤3
‑
2)每个钢纤维包括2个节点，对于第i个钢纤维，在钢纤维分布范围内部随机生成钢纤维的一个初始节点，初始节点的位置由随机数x
i
和y
i
确定，以初始节点为极坐标原点，根据钢纤维的实际长度和随机极坐标角度ρ确定第二个节点的坐标；
[0034]步骤3
‑
3)判断第二个节点的坐标是否超过预配置的基质范围，若是，则删除该坐标，重新生成钢纤维的第二个节点的坐标；
[0035]步骤3
‑
4)重复步骤3
‑
2)
‑
步骤3
‑
3)，直至生成所有钢纤维节点。
[0036]所述步骤4)包括以下步骤：
[0037]步骤4
‑
1)将格构模型导入ABAQUS计算平台；
[0038]步骤4
‑
2)利用Python语言，对格构模型进行二次开发，赋予预配置的边界和荷载约束；
[0039]步骤4
‑
3)利用Standard模块对格构模型进行受荷计算；
[0040]步骤4
‑
4)基于受荷计算结果，对各格构单元的应力状况根据破坏准则进行判别，若判别结果为发生破坏，则将所述格构单元替代为弹性模量和强度均为0的零单元。
[0041]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0042](1)本专利技术综合考虑了UHPC材料的细观结构特性，充分地利用格构模型杆系模型的特点，进行模拟钢纤维的细观结构，这是传统的连续有限元模型所不具备的，这种建模方法更加简便且快速。同时，本专利技术使用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
其中，E1为钢纤维真实弹性模量，E2为钢纤维二维空间的弹性模量，ε1为钢纤维真实应变，ε2为二维空间钢纤维应变。8.根据权利要求7所述的一种UHPC结构的细观建模和分析方法，其特征在于，所述钢纤维的空间分布特征包括：钢纤维在空间中的分布是均匀且随机的；每根通过计算平面的钢纤维与计算平面的夹角α的取值是随机的，且每个夹角角度的概率是相同的。9.根据权利要求1所述的一种UHPC结构的细观建模和分析方法，其特征在于，所述生成钢纤维细观随机分布模型包括以下步骤：步骤3
‑
1)确定钢纤维分布范围和钢纤维数量；步骤3
‑
2)每个钢纤维包括2个节点，对于第i个钢纤维，在钢纤维分布范围内部随机生成钢纤维的一个初始节点，初始节点的位置由随机数x
i
和y
i
确定，以初始节点为极坐标原点，根据钢纤维的实际长度和随机极坐标角度ρ确定第二个节点的坐标；步骤3
‑<...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘超，吉赫，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：