CN102136157A - 一种混凝土三维细观仿真模型及其建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土三维细观仿真模型及其建立方法，属于混凝土细观数值试验前处理技术领域。本发明的混凝土三维细观仿真模型包括利用背景网格法生成的骨料单元、砂浆单元以及无厚度界面单元，所述无厚度界面单元为骨料单元和砂浆单元的界面单元。本发明的模型建立方法包括利用背景网格法对骨料单元、砂浆单元进行识别的步骤，以及将骨料单元和砂浆单元的界面模拟为无厚度界面单元的步骤。本发明在现有背景网格法的基础上，引入无厚度界面单元的概念来模拟骨料-砂浆界面，并对背景网格法进行了改进，根据骨料与背景网格单元的相对位置进行识别和细分。本发明具有使用简单，对硬件要求低，识别准确率较高等优点。

Description

一种混凝土三维细观仿真模型及其建立方法

技术领域

本发明涉及一种混凝土三维细观仿真模型及其建立方法，属于混凝土细观数值试验前处理技术领域。

背景技术

混凝土骨料-砂浆过渡区(界面层)对混凝土宏观力学性能起着至关重要的作用，在混凝土细观仿真中必须合理反映界面层的影响。但界面层实际厚度仅为15μm ~100μm，若按实际尺寸构建符合界面厚度的细观模型，势必存在模型单元数动辄百万，单机环境下无法运行的问题。因此，如何兼顾界面层厚度以及计算机性能，在普通性能计算条件下实现混凝土三维细观数值仿真是推广和发展混凝土细观数值试验的关键及难点问题。目前国内外众多学者通常采用界面单元细分方法、Delaunay渐变网格剖分方法以及并行有限元算法进行混凝土细观数值试验研究。界面单元细分方法通过对识别为界面的单元进行多次细分，减小界面单元尺寸构建混凝土细观有限元模型。所生成界面单元尺寸虽然有所减小，但仍不符合混凝土界面层厚度要求，而多次细分后界面单元形态不佳也将直接影响计算结果的精确性。Delaunay渐变网格剖分方法可以实现界面和试件表面附近网格密，其他地方网格疏，是一种比较合理的混凝土细观模型建模方法。但在实际使用时Delaunay渐变网格剖分方法使用复杂，细观模型单元数规模也较大，无法适用于单机计算环境下的混凝土细观数值试验，因而基于Delaunay渐变网格剖分的混凝土有限元计算仍主要集中在混凝土二维细观数值试验。并行算法采用其特殊的存储方式和求解技术，可较大程度缩短混凝土细观数值试验计算时间，节省50%~95%的计算机时。但并行算法需以高性能并行计算机（组）及并行程序为依托，适用范围受到较大限制。

此外混凝土细观模型骨料识别率也是影响混凝土细观数值仿真精确度的重要因素之一，常用混凝土骨料识别方法分为背景网格法和Delaunay渐变网格剖分法。前者根据背景网格单元和骨料的相对位置确定骨料单元，该方法使用简单，是目前混凝土骨料识别的常用方法，但骨料最终的识别率受背景网格尺寸的影响较大，尤其在网格尺寸略大的情况下识别后骨料单元的体积可能大幅度小于骨料实际投放量。后者则基于骨料实体直接剖分骨料单元，但Delaunay渐变网格剖分方法单元数众多，无法适用于单机计算环境下的混凝土细观数值试验。

因此寻找一种概念清晰、使用简单、骨料识别率高、对计算机性能要求低，可推广应用至普通性能计算机和混凝土小型计算软件的混凝土三维细观仿真模型的建模方法，对推广和发展混凝土细观数值试验具有十分重要的现实意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术所存在的不足，提供一种概念清晰、使用简单、骨料识别率高、对计算机性能要求低的混凝土三维细观仿真模型及其建立方法。

本发明的思路是在现有背景网格法的基础上，引入无厚度界面单元的概念来模拟骨料-砂浆界面，具体而言，本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种混凝土三维细观仿真模型，包括利用背景网格法生成的骨料单元、砂浆单元，其特征在于，该模型还包括无厚度界面单元，所述无厚度界面单元为骨料单元和砂浆单元的界面。

一种混凝土三维细观仿真模型的建立方法，包括利用背景网格法对骨料单元、砂浆

单元进行识别的步骤，其特征在于，还包括将骨料单元和砂浆单元的界面模拟为无厚度界面单元的步骤。

所述将骨料单元和砂浆单元的界面模拟为无厚度界面单元的步骤，具体为：

首先对所有砂浆单元循环，读取砂浆单元节点坐标，在此坐标下生成同坐标节点并标号，新生成的节点号与原背景网格的所有单元节点号均无重复；用新生成的节点替换砂浆单元中同坐标的节点号，并重新存储砂浆单元信息；对所有骨料单元循环，读取该骨料单元的节点号，判断该骨料单元的节点是否出现在同一砂浆单元中，若该单元有3~4个节点出现在同一砂浆单元，则将该3~4个节点所确定的面作为骨料单元和砂浆单元的界面，并将其模拟为无厚度界面单元。

进一步地，所述利用背景网格法对骨料单元、砂浆单元进行识别的步骤，是根据骨料与背景网格单元的相对位置进行识别和细分，具体按照以下方法：

对于与任一骨料均无接触的背景网格单元，将其识别为砂浆单元；

对于所有单元节点均位于某一骨料内的背景网格单元，将其识别为骨料单元；

对于部分单元节点位于某一骨料内的背景网格单元，则将该背景网格单元细分为两部分，靠近该骨料的部分识别为骨料单元，另一部分识别为砂浆单元。

本发明在现有背景网格法的基础上，引入无厚度界面单元的概念来模拟骨料-砂浆界面，进一步地，本发明还对背景网格法进行了改进，根据骨料与背景网格单元的相对位置进行识别和细分。本发明既保留了背景网格法所具有的使用简单，对硬件要求低的优点，又提高了仿真模型与实际情况的吻合度，以及骨料单元的识别准确率。

附图说明

图1 为背景网格单元与骨料相对位置示意图，其中，(A)为无接触情况，(B)小部分接触情况，(C)部分接触情况，(D)大部分接触情况，(E)完全接触情况；

图2 为骨料单元细分示意图，其中，(A)为小部分接触情况，(B)部分接触情况，(C)大部分接触情况；

图3 为无厚度界面单元示意图，其中1、5号点坐标相同，2、6号点坐标相同，3、7号点坐标相同，4、8号点坐标相同，1~4号节点为骨料单元和界面单元共用节点，5~8号节点为砂浆单元和界面单元共用节点；

图4为骨料单元示意图，其中，(A)为6节点五面体骨料单元，(B)为8节点六面体骨料单元；

图5 为本发明的混凝土三维细观仿真模型的建立方法的流程图；

图6为具体实施方式中对骨料单元、砂浆单元进行识别和细分的流程图；

图7为具体实施方式中的无厚度界面单元生成流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明的混凝土三维细观仿真模型的建立方法，包括根据骨料与背景网格单元的相对位置对骨料单元、砂浆单元进行识别和细分的步骤，以及将骨料单元和砂浆单元的界面模拟为无厚度界面单元的步骤。

根据骨料与背景网格单元的相对位置对骨料单元、砂浆单元进行识别和细分的步骤，如附图6所示，具体包括以下各步骤：

步骤1、读入背景网格的单元信息、节点信息以及骨料投放信息；

为了简化后续处理的计算复杂度，本发明优选背景网格单元为六面体结构，即每个背景网格单元均为8节点六面体结构，每个背景网格单元及每个节点均有相应的编号，每个节点的空间坐标也确定；

步骤2、对所有背景网格单元循环，判定各单元与骨料的相对位置，包括以下各子步骤：

步骤201、读入当前背景网格单元的节点坐标；

步骤202、对所有骨料循环，依次计算该背景网格单元中各节点至当前骨料形心的距离d，当d小于当前骨料半径时，认为该节点位于骨料内部，并记录下该单元位于当前骨料内部的节点总数；

步骤203、选择当前背景网格单元位于其内部节点最多骨料(记为AE)，并读取骨料形心坐标。

步骤3、按照以下方法识别、细分骨料单元：

对于与任一骨料均无接触的背景网格单元，将其识别为砂浆单元；

对于所有单元节点均位于某一骨料内的背景网格单元，将其识别为骨料单元；

对于部分单元节点位于某一骨料内的背景网格单元，则将该背景网格单元细分为两部分，靠近该骨料的部分识别为骨料单元，另一部分识别为砂浆单元。

为了进一步提高识别准确率，本发明将部分单元节点位于某一骨料内的情况又划分为小部分接触、部分接触及大部分接触这三种位置关系。

具体而言，本发明将骨料与背景网格单元的相对位置划分为无接触（图1-A）、小部分接触（图1-B）、部分接触（图1-C）、大部分接触（图1-D）以及完全接触（图1-E）五种相对位置关系。假设背景网格单元的各节点编号分别为I、J、K、L、M、N、O、P，各接触情况下骨料单元识别方法具体如下：

（1）无接触情况：

背景网格单元全部位于骨料外部，则识别该单元为砂浆单元；

（2）小部分接触情况：

背景网格单元有1或2个节点位于骨料内部，假定背景网格单元中距离骨料形心最近的两个节点为P、M点，其次为I、L点，O、N点，距离最远的为K、J点， 取MN中点1，PO中点1’，如图2-(A)所示，将原单元细分为M1IP1’L和1NJI1’OKL两部分，其中，五面体M1IP1’L识别为骨料单元，六面体1NJI1’OKL识别为砂浆单元；

（3）部分接触情况：

背景网格单元有3或4个节点位于骨料内部，假定背景网格单元中P、M、I、L点为距离骨料中心较近的四个节点，其次为O、N、K、J点， 取MN中点1，PO中点1’，IJ中点2，KL中点2’，如图2-(B)所示，将原单元细分为M12IP1’2’L和1NJ21’OK2’两部分，其中，六面体M12IP1’2’L识别为骨料单元， 六面体1NJ21’OK2’识别为砂浆单元。

（4）大部分接触情况：

背景网格单元有5—7个节点位于骨料内部，假定背景网格单元中P、M点为距离骨料中心最近的两个节点，其次为I、L点，O、N点，最远的是K、J点， 取IJ中点1，KL中点1’，如图2-(C)所示，将原单元细分为MN1IPO1’L和1NJ1’OK两部分，其中，六面体MN1IPO1’L识别为骨料单元，五面体1NJ1’OK识别为砂浆单元；

（5）完全接触情况：

背景网格单元完全位于骨料内部，识别该单元为骨料单元。

这样进行细分后，骨料单元和砂浆单元均存在两种类别，一种为6节点五面体，记为类别①；一种为8节点六面体，记为类别②。

当然，也可采用其它方法进行细分，例如，为了简化计算，可以按照是否有节点位于骨料内将背景网格单元与骨料的位置关系仅分为不接触、接触和完全接触，对于不接触的背景网格单元识别为砂浆单元，完全接触的背景网格单元识别为骨料单元，接触的背景网格单元仅将其平分为两部分，靠近骨料的部分识别为骨料单元，另一部分识别为砂浆单元；为了提升识别率，可以采用更细的划分方法。具体细分方法可根据实际情况灵活选择。

本步骤的完整流程如图6所示，包括以下各子步骤：

步骤301、根据位于AE骨料内部的单元节点数，判定接触的形式；

步骤302、是否为无接触情况，是则判定该单元为砂浆单元，结束该单元材料识别，否则进入步骤303；

步骤303、是否为小部分接触情况，即按图2-(A)生成中间点1和1’，生成新单元M1IP1’L和1NJI1’OKL，其中M1IP1’L为骨料单元，骨料单元类别①，1NJI1’OKL为砂浆单元，删除原背景网格单元，结束该单元材料识别；否则进入步骤304；

步骤304、是否为部分接触情况，是则按图2-(B)生成中间点1和1’、2和2’，生成新单元M12IP1’2’L和1NJ21’OK2’，其中M12IP1’2’L为骨料单元，骨料单元类别②，1NJ21’OK2’为砂浆单元，删除原背景网格单元，结束该单元材料识别；否则进入步骤305；

步骤305、是否为大部分接触情况，是则按图2-(C)生成中间点1和1’，生成新单元MN1IPO1’L和1NJ1’OK，其中MN1IPO1’L为骨料单元，骨料单元类别②，1NJ1’OK为砂浆单元，删除原背景网格单元，结束该单元材料识别；否则进入步骤306；

步骤306，是否为完全接触情况，是该单元为骨料单元，骨料单元类别②；

步骤4、输出骨料单元识别、细分后的所有节点信息、单元信息、单元材料属性；

步骤5、形成无厚度界面单元；如附图7所示，包括以下各子步骤：

步骤501、对所有砂浆单元循环，读取砂浆单元节点坐标，并在此坐标下生成

同坐标节点，新生成的节点节点号为原砂浆单元中节点的节点号+NP，NP是完成了骨料单元识别、细分，但未生成界面单元前的混凝土模型的节点总数；

步骤502、用新生成的节点替换砂浆单元中同坐标的节点号，并重新存储砂浆

单元信息；

步骤503、对所有骨料单元循环，读取该单元的节点号，判断该骨料单元的节

点是否出现在同一砂浆单元中，若该单元有3~4个节点出现在同一砂浆单元则认为该骨料单元与砂浆单元存在接触面；

步骤504、根据接触面上骨料单元的节点号和骨料单元的类别判定骨料、砂浆

接触面类型；

步骤505、根据接触面类型，按无厚度单元节点编号要求对所有接触面节点进

行排序；

步骤506、存储界面单元相关单元信息；

在本发明中，无厚度界面单元的结构如附图3所示，图3 为无厚度界面单元示意图，其中1、5号点坐标相同，2、6号点坐标相同，3、7号点坐标相同，4、8号点坐标相同，1~4号节点为骨料单元和界面单元共用节点，5~8号节点为砂浆单元和界面单元共用节点。由于在本发明对骨料单元和砂浆单元进行识别、细分后，骨料单元存在两种类型，即6节点五面体和8节点六面体骨料单元（如图4所示）两种。下面分别对这两种类型的骨料单元的无厚度界面生成进行说明：

6节点五面体骨料单元单元节点号存储顺序为M、1、I、P、1’、L，如图4-(A)所示，分别针对骨料单元六个面分别进行同坐标节点生成、界面单元形成以及界面单元信息存储：

①号面：骨料单元节点为：M、1、I，新生成的同坐标节点号分别记为M+NP、1+NP、I+NP，此处生成的无厚度界面单元单元节点分别为：M、1、I、M+NP、1+NP、I+NP；

②号面：骨料单元节点为：P、1’、L，新生成的同坐标节点号分别记为P+NP、1’+NP、L+NP，此处生成的无厚度界面单元单元节点分别为：P、1’、L、P+NP、1’+NP、L+NP；

③号面：骨料单元节点为：M、P、L、I，新生成的同坐标节点号分别记为M+NP、P+NP、L+NP、I+NP，则此处生成的无厚度界面单元单元节点分别为：M、P、L、I、M+NP、P+NP、L+NP、I+NP；

④号面：骨料单元节点为：1、1’、L、I，新生成的同坐标节点号分别记为1+NP、1’+NP、L +NP、I +NP，则此处生成的无厚度界面单元单元节点分别为：1、1’、L、I、1+NP、1’+NP、L +NP、I +NP；

⑤号面：骨料单元节点为：M、P、1’、1，新生成的同坐标节点号分别记为M+NP、P +NP、1’+NP、1+NP，则此处生成的无厚度界面单元单元节点分别为：M、P、1’、1、M+NP、P +NP、1’+NP、1+NP；

8节点六面体骨料单元单元节点号存储顺序为I、J、K、L、M、N、O、P，如图4-(B)所示，分别针对骨料单元六个面分别进行同坐标节点生成、界面单元形成以及界面单元信息存储：

①号面：骨料单元节点为：N、O、K、J，新生成的同坐标节点号分别记为N+NP、O+NP、K+NP、J+NP，则此处生成的无厚度界面单元单元节点分别为：N、O、K、J、N+NP、O+NP、K+NP、J+NP；

②号面：骨料单元节点为：M、P、L、I，成的同坐标节点号分别记为M+NP、P+NP、L+NP、I+NP，则此处生成的无厚度界面单元单元节点分别为：M、P、L、I、M+NP、P+NP、L+NP、I+NP；

③号面：骨料单元节点为：P、O、N、M，新生成的同坐标节点号分别记为P+NP、O+NP、N+NP、M+NP，则此处生成的无厚度界面单元单元节点分别为：P、O、N、M、P+NP、O+NP、N+NP、M+NP；

④号面：骨料单元节点为：L、K、J、I，新生成的同坐标节点号分别记为L+NP、K+NP、J+NP、I+NP，则此处生成的无厚度界面单元单元节点分别为：L、K、J、I、L+NP、K+NP、J+NP、I+NP；

⑤号面：骨料单元节点为：M、N、J、I，新生成的同坐标节点号分别记为M+NP、N+NP、J+NP、I+NP，则此处生成的无厚度界面单元单元节点分别为：M、N、J、I、M+NP、N+NP、J+NP、I+NP；

⑥号面：骨料单元节点为：P、O、K、L ，新生成的同坐标节点号分别记为P+NP、O +NP、K+NP、L + NP，则此处生成的无厚度界面单元单元节点分别为：P、O、K、L、P+NP、O +NP、K+NP、L + NP；

步骤6、对所有单元循环，删除所有没有用到的节点号及其节点信息；

步骤7、输出最终得到的混凝土三维细观仿真模型的相关节点、单元以及材料信息，核查该细观有限元模型的合理性，并分别统计骨料、砂浆、界面单元所占体积比。

本发明方法的主要流程如附图5所示。

本发明采用无厚度界面单元构建混凝土细观仿真模型，界面单元尺寸满足界面层厚度要求，单元体积比为0，骨料识别率高，界面单元形态好。同时，初始背景网格中骨料、砂浆单元尺寸不需要考虑界面层厚度的影响，可大量减少细观模型的单元总数，适用于单机环境条件下的混凝土随机细观数值试验。

Claims (6)

1.一种混凝土三维细观仿真模型，包括利用背景网格法生成的骨料单元、砂浆单元，其特征在于，该模型还包括无厚度界面单元，所述无厚度界面单元为骨料单元和砂浆单元的界面。

2.一种混凝土三维细观仿真模型的建立方法，包括利用背景网格法对骨料单元、砂浆单元进行识别的步骤，其特征在于，还包括将骨料单元和砂浆单元的界面模拟为无厚度界面单元的步骤。

3.如权利要求2所述混凝土三维细观仿真模型的建立方法，其特征在于，所述将骨料单元和砂浆单元的界面模拟为无厚度界面单元的步骤，具体为：

首先对所有砂浆单元循环，读取砂浆单元节点坐标，在此坐标下生成同坐标节点并标号，新生成的节点号与原背景网格的所有单元节点号均无重复；用新生成的节点替换砂浆单元中同坐标的节点号，并重新存储砂浆单元信息；对所有骨料单元循环，读取该骨料单元的节点号，判断该骨料单元的节点是否出现在同一砂浆单元中，若该单元有3~4个节点出现在同一砂浆单元，则将该3~4个节点所确定的面作为骨料单元和砂浆单元的界面，并将其模拟为无厚度界面单元。

4.如权利要求2或3所述混凝土三维细观仿真模型的建立方法，其特征在于，所述利用背景网格法对骨料单元、砂浆单元进行识别的步骤，是根据骨料与背景网格单元的相对位置进行识别和细分，具体按照以下方法：

对于与任一骨料均无接触的背景网格单元，将其识别为砂浆单元；

对于所有单元节点均位于某一骨料内的背景网格单元，将其识别为骨料单元；

对于部分单元节点位于某一骨料内的背景网格单元，则将该背景网格单元细分为两部分，靠近该骨料的部分识别为骨料单元，另一部分识别为砂浆单元。

5.如权利要求4所述混凝土三维细观仿真模型的建立方法，其特征在于，所述背景网格单元为六面体结构。

6.如权利要求5所述混凝土三维细观仿真模型的建立方法，其特征在于，对于部分单元节点位于某一骨料的背景网格单元，按照以下方法进行细分：

假设背景网格单元的各节点编号分别为I、J、K、L、M、N、O、P，

背景网格单元有1或2个节点位于骨料内部，假定背景网格单元中距离骨料形心最近的两个节点为P、M点，其次为I、L点，O、N点，距离最远的为K、J点； 取MN中点1，PO中点1’，将原单元细分为M1IP1’L和1NJI1’OKL两部分，其中，五面体M1IP1’L识别为骨料单元，六面体1NJI1’OKL识别为砂浆单元；

背景网格单元有3或4个节点位于骨料内部，假定背景网格单元中P、M、I、L点为距离骨料中心较近的四个节点，其次为O、N、K、J点； 取MN中点1，PO中点1’，IJ中点2，KL中点2’，将原单元细分为M12IP1’2’L和1NJ21’OK2’两部分，其中，六面体M12IP1’2’L识别为骨料单元， 六面体1NJ21’OK2’识别为砂浆单元；

背景网格单元有5—7个节点位于骨料内部，假定背景网格单元中P、M点为距离骨料中心最近的两个节点，其次为I、L点，O、N点，最远的是K、J点； 取IJ中点1，KL中点1’，将原单元细分为MN1IPO1’L和1NJ1’OK两部分，其中，六面体MN1IPO1’L识别为骨料单元，五面体1NJ1’OK识别为砂浆单元。

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