快速生成纤维增强再生混凝土二维多尺度模型的方法及系统技术方案

本发明专利技术提供快速生成纤维增强再生混凝土二维多尺度模型的方法及系统，考虑骨料的形状和类型的影响及纤维

【技术实现步骤摘要】
快速生成纤维增强再生混凝土二维多尺度模型的方法及系统


[0001]本专利技术属于纤维增强混凝土模拟
，具体涉及快速生成纤维增强再生混凝土二维多尺度模型的方法及系统。

技术介绍

[0002]再生混凝土作为一种绿色循环再生资源，是将废弃混凝土经过破碎清晰筛分后按一定比例与级配与天然骨料进行混合后形成的混凝土。由于再生骨料表面附着大量的旧砂浆，再生混凝土的细观组分相对于普通混凝土来说更为复杂，具体包括天然骨料、天然骨料界面、老砂浆界面、老砂浆界面、新砂浆、新砂浆界面等6相结构。因此，大量的研究表明再生混凝土的力学性能劣于普通混凝土，但通过适当的改性处理(比如掺入适量的纤维)仍可以有效提升其力学性能，从而替代普通混凝土在工程实际中进行应用。
[0003]随着计算机技术的不断发展和相关数值计算技术的不断成熟，考虑再生混凝土内骨料形状、级配和界面等内部细观结构的随机骨料模型开始被采用，用于研究材料的细观破坏机理。目前，将骨料简化为圆形并采用蒙特卡罗方法随机投放，最终生成圆形随机骨料模型的方法已有比较成熟和常见，但骨料的形状、类型、取代率等对计算结果也有一定的影响，尤其对于再生混凝土来说，其内部结构薄弱相较多，每一组分的结构和性质都对再生混凝土的力学性能有较大的影响，不可忽视。对于纤维，从数值建模技术而言，普遍的做法是将纤维简化成线性单元，但是该方法较为粗糙，没有考虑纤维
‑
水泥基界面的相互作用机理，与真实情况存在较大差异。

技术实现思路

[0004]本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供快速生成纤维增强再生混凝土二维多尺度模型的方法及系统，考虑骨料的形状和类型的影响及纤维
‑
水泥基界面的相互作用机理，快速生成所有的细观相结构及界面，兼具高效率和高质量，有效模拟真实情况。
[0005]为了实现以上目的，本专利技术采用了以下方案：
[0006]<方法>
[0007]如图1所示，本专利技术提供快速生成纤维增强再生混凝土二维多尺度模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008]步骤1，根据待模拟的纤维增强再生混凝土的信息，在宏观模型(例如，大型钢筋混凝土构件)的局部区域(例如，大型钢筋混凝土构件的研究重点区域，梁的中间部位)生成相应相应尺寸、形状、位置的再生混凝土梁二维平面模型(再生混凝土二维平面细观模型)；具体地，在给定的任意尺寸的正四边形边界内，通过输入到四边形某一顶点的水平方向与竖直方向的距离，以及细观区域的长度length和宽度width，即可在宏观模型任意局部位置生成任意给定尺寸的细观模型；
[0009]步骤2，根据细观模型的骨料级配，计算每一粒径范围内再生粗骨料个数；基于瓦
拉文骨料级配公式，计算每一粒径范围内再生粗骨料个数n(D
i
,D
j
)：
[0010][0011]n(D
i
,D
j
)＝(P(D
j
)
‑
P(D
j
))
×
length
×
width/v[D
i
,D
j
]；
[0012]式中，v[D
i
,D
j
]表示D
i
～D
j
范围内代表粒径的骨料面积。p
k
表示骨料体积分数；D
max
表示最大粗骨料粒径；
[0013]步骤3，在细观模型中随机生成圆形骨料中心点坐标位置，并避免骨料之间发生重叠；
[0014]步骤4，在细观模型中随机生成骨料形状；包括如下子步骤：
[0015]步骤4.1，层间几何形状随机生成：
[0016]在当前层的虚拟圆形边界线上随机生成一定数量的点，点的数量为给定范围内的随机整数；为了确定在具有n个点的圆上第i个点(i＝0,1,2,
…
,n
‑
1)的具体坐标，首先随机生成点i与x轴的角度each_angle：
[0017]each_angle＝random.uniform(2πi/n,2π(i+1)/n)；
[0018]接着根据圆的直径D和点i角度，判断点对于圆心的相对位置，即可得到点i的坐标(x
i
,y
i
)：
[0019]x
i
＝x_center+Dcos(each_angle)/2；
[0020]y
i
＝y_center+Dsin(each_angle)/2
[0021]将所有的点顺序连接起来构成当前层的随机多边形边界；
[0022]步骤4.2，老砂浆层厚度随机非均匀生成；
[0023]再生粗骨料表面附着一定量的老砂浆，这些老砂浆随机地包裹在天然骨料的老界面层周围；设多边形老界面层所有顶点所在的虚拟圆为骨料的内圆，多边形老砂浆层所有顶点所在的虚拟圆为骨料的外圆，基于步骤4.1在骨料的外圆和内圆上分别随机生成不同数量的点n1和n2，然后，分别基于n1和n2中的点围成随机多边形，组合成非均匀的老砂浆层；为了避免由于老砂浆层厚度过小，导致外圆随机多边形和内圆随机多边形几何边界发生重叠冲突，采取如下的方法：先在外圆上构造n1个点的随机多边形，设置多边形顶点编号分别为0,1,2,3,
…
,i,
…
,j,
…
,n1‑
1，用这些点连接成外圆随机多边形作为老砂浆层外边界；接着，在内圆上构造随机多边形，按照外圆多边形的点的编号及位置，随机间隔0～2个点提取一个点出来，再生用这些点连接成内圆随机多边形作为老砂浆层内边界；利用这样的方法，不仅保证构造出了非均匀的老砂浆层，同时也绝对避免了多边形几何边界发生冲突，具体见图2；
[0024]步骤5，设置不同再生粗骨料取代率：
[0025]根据待模拟的纤维增强再生混凝土的再生粗骨料取代率r，依据步骤2，分别计算每一粒径范围内(D
i
,D
j
)再生粗骨料与天然粗骨料的个数，并用取整函数对计算结果取整：int(r
×
n(D
i
,D
j
))，n(D
i
,D
j
)
‑
int(r
×
n(D
i
,D
j
))；再生粗骨料和天然粗骨料的位置信息和几何信息都需要分别存储于不同的数组中，并分别设置骨料几何参数，确定骨料形状：
[0026]当设定取代率为1.0时，此时全部是再生粗骨料，要设置再生粗骨料的几何参数，包括老砂浆层、老砂浆界面层和新砂浆界面层的厚度；对于单个再生粗骨料模型来说，厚度参数为多边形外接圆的半径差值；
[0027]当设定取代率为0时，此时全部是天然粗骨料，只需设置天然骨本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.快速生成纤维增强再生混凝土二维多尺度模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据待模拟的纤维增强再生混凝土的信息，在混凝土构件宏观模型对应区域处生成相应尺寸、形状、位置的再生混凝土二维平面细观模型；步骤2，根据细观模型的骨料级配，计算每一粒径范围内再生粗骨料个数；步骤3，在细观模型中随机生成圆形骨料中心点坐标位置，并避免骨料之间发生重叠；步骤4，在细观模型中随机生成骨料形状；包括如下子步骤：步骤4.1，层间几何形状随机生成：在当前层的虚拟圆形边界线上随机生成一定数量的点，点的数量为给定范围内的随机整数；为了确定在具有n个点的圆上第i个点(i＝0,1,2,
…
,n
‑
1)的具体坐标，首先随机生成点i与x轴的角度each_angle：each_angle＝random.uniform(2πi/n,2π(i+1)/n)；接着根据圆的直径D和点i角度，判断点对于圆心的相对位置，即可得到点i的坐标(x
i
,y
i
)：将所有的点顺序连接起来构成当前层的随机多边形边界；步骤4.2，老砂浆层厚度随机非均匀生成；再生粗骨料表面附着一定量的老砂浆，这些老砂浆随机地包裹在天然骨料的老界面层周围；设多边形老界面层所有顶点所在的虚拟圆为骨料的内圆，多边形老砂浆层所有顶点所在的虚拟圆为骨料的外圆，基于步骤4.1在骨料的外圆和内圆上分别随机生成不同数量的点n1和n2，然后，分别基于n1和n2中的点围成随机多边形，组合成非均匀的老砂浆层；为了避免由于老砂浆层厚度过小，导致外圆随机多边形和内圆随机多边形几何边界发生重叠冲突，采取如下的方法：先在外圆上构造n1个点的随机多边形，设置多边形顶点编号分别为0,1,2,3,
…
,i,
…
,j,
…
,n1‑
1，用这些点连接成外圆随机多边形作为老砂浆层外边界；接着，在内圆上构造随机多边形，按照外圆多边形的点的编号及位置，随机间隔0～2个点提取一个点出来，再生用这些点连接成内圆随机多边形作为老砂浆层内边界；步骤5，设置不同再生粗骨料取代率：根据待模拟的纤维增强再生混凝土的再生粗骨料取代率r，基于步骤2，分别计算每一粒径范围内(D
i
,D
j
)再生粗骨料与天然粗骨料的个数，并用取整函数对计算结果取整：int(r
×
n(D
i
,D
j
))，n(D
i
,D
j
)
‑
int(r
×
n(D
i
,D
j
))；再生粗骨料和天然粗骨料的位置信息和几何信息都需要分别存储于不同的数组中，并分别设置骨料几何参数，确定骨料形状：当设定取代率为1.0时，此时全部是再生粗骨料，要设置再生粗骨料的几何参数，包括老砂浆层、老砂浆界面层和新砂浆界面层的厚度；对于单个再生粗骨料模型来说，厚度参数为多边形外接圆的半径差值；当设定取代率为0时，此时全部是天然粗骨料，只需设置天然骨料与新砂浆之间的界面厚度；当取代率在0～1之间时，此时为再生粗骨料与天然粗骨料混合，可以为天然骨料界面和新界面设置相同的厚度；
步骤6，建立纤维
‑
界面模型，实现如下：在细观模型引入纤维模型，虑到纤维与水泥基的相互作用设置纤维
‑
水泥基界面，将纤维模型设置成为二维四边形单元，并将纤维以及纤维
‑
水泥基界面的几何边界切分出来；在纤维模型周围均匀的向外扩展一定的厚度thickness，并将界面划分出来，形成纤维
‑
水泥基体的界面层；步骤6.1，确定纤维
‑
界面模型几何轮廓点的坐标：第一步，在初始坐标点位置
①
生成纤维
‑
界面单元模型，模型的左下角端点置于xOy坐标系零点；第二步，随机生成绕坐标原点逆时针旋转的角度：angle＝random.uniform(0,2π)，将模型旋转到位置
②
；第三步，随机生成沿x轴的平移距离：xlength＝random.uniform(0,length)和沿y轴的平移距离：ylength＝random.uniform(0,width)，并将模型沿坐标轴平移到位置
③
，从而完成一次纤维
‑
界面模型的生成；通过调整第二步中angle的范围，能够控制纤维的朝向，研究纤维的方向性作用机理；通过调整第三步中的平移距离xlength和ylength，能够控制纤维模型生成位置，研究纤维对于整个模型的局部增强效应；根据纤维的长度和直径参数以及纤维
‑
水泥基界面厚度thickness，判断点的相对位置，最终生成纤维
‑
界面模型四个轮廓点的坐标：A
i
＝(thickness
×
sin(angle)+xlength,
‑
thickness
×
cos(angle)+ylength)；B
i
＝(
‑
(thickness+fibre_l)
×
sin(angle)+xlength,(thickness+fibre_l)
×
cos(angle)+ylength)；C
i
＝(thickness
×
sin(angle)+(2thickness+fibre_d)
×
cos(angle)+xlength,
‑
thickness
×
cos(angle)+(2thickness+fibre_d)
×
sin(angle)+ylength)；D
i
＝(
‑
(thickness+fibre_l)
×
sin(angle)+(2thickness+fibre_d)
×
cos(angle)+xlength,(thickness+fibre_l)
×
cos(angle)+(2thickness+fibre_d)
×
sin(angle)+ylength)；步骤6.2，分别判断纤维与骨料之间、纤维与纤维之间是否重叠；重复步骤6.1的纤维
‑
界面模型生成过程，每生成一次就对模型几何边界进行重叠判断，直至生成满足数量fibre_n的纤维
‑
界面模型；将纤维与骨料之间看作圆与矩形的重叠判断，需满足纤维
‑
界面模型最外层矩形的各个点不在骨料外界圆内；同时圆心到矩形各边的距离必须不小于圆半径；纤维与纤维之间避免重叠，则轮廓点不能同时满足以下2个公式：式中，下标1和2表示不同的两个纤维。2.根据权利要求1所述的快速生成纤维增强再生混凝土二维多尺度模型的方法，其特征在于：其中，在步骤3中，将混凝土骨料的分布特征看作成位置坐标的随机生成投放，随机生成二维圆形骨料圆心点坐标(x_center,y_center)，并对每一个生成骨料两两之间进行重叠判断，需要满足圆心之间的距离大于两个圆的半径之和；同时在混凝土四周设置一定厚度c的保护层：c+D<x_center<length
‑
c
‑
D，c+D<y_center<width
‑
c
‑
D。3.根据权利要求1所述的快速生成纤维增强再生混凝土二维多尺度模型的方法，其特
征在于：其中，在步骤5中，利用查找函数findat收集每一相结构的位置信息：myPart.faces.findAt(point)，进而为每一相细观结构创建集合set，包括：天然骨料集合set_agg、天然界面集合set_itz1、新砂浆集合set_newce、新砂浆界面集合set_itz2、老砂浆集合set_oldce、老砂浆界面集合set_itz3、纤维集合set_fibre、纤维
‑
水泥基界面set_fibre_ce集合；对于不同取代率r下的再生混凝土，存在如下关系：(1)如果r≠0，则创建set_itz2、set_oldce、set_itz3；(2)如果r≠1，则创建set_itz1；(3)无论r为多少，均创建set_agg、set_newce、set_fibre、set_fibre_ce。4.根据权利要求1所述的快速生成纤维增强再生混凝土二维多尺度模型的方法，其特征在于：其中，在步骤6中，利用ABAQUS中的函数命令ConstrainedSketch将纤维以及纤维
‑
水泥基界面的几何边界切分出来：mdb.models["Model
‑
1"].ConstrainedSketch(name＝'sketch').Line(point1＝(x1,y1),point2＝(x2,y2))；脚本中，point1和point2均为纤维
‑
界面模型的几何边界点，通过直线切分类型Line将2个点连接起来；在纤维模型周围均匀的向外扩展一定的厚度thickness，并再次利用函数命令将界面划分出来。5.根据权利要求1所述的快速生成纤维增强再生混凝土二维多尺度模型的方法，其特征在于：其中，在步骤6中，根据待模拟的纤维增强再生混凝土的信息设置纤维的长度fibre_l和直径fibre_d，并依据纤维的体积掺量V
f
以及混凝土的尺寸，计算得到纤维的数量fibre_n；fibre_n＝width
×
length
×
V
f
/fibre_l/fibre_d；式中，width和...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄乐，杨寅杰，徐礼华，池寅，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：