CN113094792B - 一种基于离散元的钢纤维混凝土纤维定向分布的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于离散元的钢纤维混凝土纤维定向分布的方法，其具体步骤如下：(1)C++编程后生成磁场计算DLL文件；(2)定义表征混凝土的粗细颗粒以及钢纤维，建立几何体模型；(3)设置颗粒参数，选择颗粒与颗粒、颗粒与几何体的接触模型；(4)生成粗细颗粒以及钢纤维；(5)设置TXT文件中的磁感应强度等参数，并在颗粒体积力中选择第一步生成的DLL文件；(6)进行磁场定向钢纤维模拟。本发明基于离散元软件EDEM中的API进行二次开发，通过外加磁场的方式使钢纤维定向分布，统计不同情况下钢纤维定向分布的程度，从而提高新拌混凝土流动性以及硬化后的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土仿真技术领域，尤其涉及一种基于离散元的钢纤维混凝土仿真技术领域。
背景技术
混凝土抗拉强度远低于抗压强度，属于脆性材料，为了将混凝土增强增韧，常在混凝土中掺入各种纤维，如钢纤维、碳纤维、聚乙烯醇纤维等。对于钢纤维混凝土来说，钢纤维的掺入会使混凝土抗拉强度提升，韧性增强，但是乱序排列的钢纤维混凝土中纤维方向与受力方向夹角太大时钢纤维起到的作用较小，这样不但浪费了材料，同时对于新拌混凝土的流动性产生不利影响，而外加磁场将纤维定向后可以消去这种不利影响，提高钢纤维利用率。
目前有研究在实验中通过圆柱形螺线圈接电后利用线圈产生的匀强磁场制备出了定向良好的钢纤维混凝土，并证明了钢纤维的定向对于钢纤维混凝土的力学性能有提升作用，说明了实验中钢纤维定向的可行性和实用性，但是不同混凝土的流动性能不一样，钢纤维定向所需的磁场力也不一样，磁场力过大能使所有的纤维定向良好但是会造成资源的浪费，磁场力过小又不能使所有的纤维定向，如何根据混凝土的流动性能来施加磁场力使所有的纤维定向具有重要意义。
离散元法作为一种专门用来解决不连续介质问题的数值模拟方法，被广泛应用于土木工程等领域。采用离散元进行钢纤维定向的方法是可行的。在模拟中，可以根据不同性能的混凝土施加不同的磁场力，使得所有的纤维定向良好。能更好地控制磁感应强度以及统计钢纤维定向分布的情况，成本也更低。所以采用离散元方法模拟纤维的定向是有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种基于离散元的钢纤维混凝土纤维定向分布的方法，采用离散元软件EDEM通过编写钢纤维在磁场作用下定向分布的颗粒体积力进行二次开发，最后统计定向分布情况。具体内容如下
1.一种基于离散元的钢纤维混凝土纤维定向分布的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)C++编程后生成磁场计算DLL文件；
(2)定义表征混凝土的粗细颗粒以及钢纤维，建立几何体模型；
(3)设置颗粒参数，选择颗粒与颗粒、颗粒与几何体的接触模型；
(4)生成粗细颗粒以及钢纤维，统计钢纤维分布情况；
(5)设置TXT文件中的磁感应强度等参数，并在颗粒体积力中选择第一步生成的DLL文件；
(6)进行磁场定向钢纤维模拟，并统计定向分布程度。
上述的一种基于离散元的钢纤维混凝土纤维定向分布的方法，其特征在于所述的颗粒体积力模型，即钢纤维在磁场中被磁化后受到磁场力作用而转动，其具体计算为：
在EDEM软件中，钢纤维的方向在全局坐标系下是通过方向余弦矩阵(DCM)来表示的，而在本体坐标系中为x轴正向，所以钢纤维在全局坐标系下的方向向量为方向余弦矩阵的第一行的三个值，即
设磁场方向向量为则钢纤维在磁场作用下受到的力矩的方向为
磁场力的具体计算如下所示
其中，M为磁场力对钢纤维中心轴的力矩，μ为导磁材料的相对磁导率，μ0为真空磁导率,4π×10-7(Tm/A)，B为磁感应强度，V为钢纤维的体积，θ为钢纤维方向与磁场方向的夹角，分别为钢纤维在全局坐标系下的方向向量和全局坐标系下的磁场方向。
上述的一种基于离散元的钢纤维混凝土纤维定向分布的方法，其特征在于所述的钢纤维是由EDEM中多个颗粒通过特定的方式组成，可以有平直形，弯钩形等不同形状；
上述的一种基于离散元的钢纤维混凝土纤维定向分布的方法，其特征在于所述的颗粒与颗粒、颗粒与几何体的接触模型中的接触参数是可以改变的，通过参数的变化可以描述不同流动性能的混凝土；
上述的一种基于离散元的钢纤维混凝土纤维定向分布的方法，其特征在于所述的钢纤维定向分布情况的统计，统计方式如下：
(1)在EDEM中导出钢纤维中Orientation的XX，YX，ZX三个值，这三个值对应了钢纤维在全局坐标系下的方向向量，即
(2)通过计算纤维方向与磁场方向夹角的余弦值来表征纤维的定向情况，具体计算为
余弦值的平均值越接近1，标准差越接近0，说明钢纤维的定向分布情况越好。
附图说明
图1为本发明的流程示意图
图2为本发明中钢纤维在磁场作用下的示意图
图3为本发明的磁场作用前纤维分布示意图
图4为本发明的磁场作用过程中纤维分布示意图
图5为本发明的磁场作用后纤维分布示意图
具体实施方式
下面根据具体实施例对本发明作进一步说明。
(1)C++编程后生成磁场计算DLL文件；
(2)定义表征混凝土的粗细颗粒以及钢纤维，建立几何体模型，具体参数如下表所示。
(3)设置颗粒的其余参数(恢复系数、静摩擦系数以及滚动摩擦系数)，选择颗粒与颗粒、颗粒与几何体的接触模型；
(4)定义颗粒工厂，选择合适的时间步长，生成粗细颗粒以及钢纤维，等待所有颗粒生成完毕后统计钢纤维方向分布情况，如图3所示；
(3)设置好TXT文件中的磁感应强度、钢纤维的相对磁导率以及磁场方向，在EDEM中将DLL文件加载到颗粒体积力中，继续计算(在这里磁场方向以X轴正向为例进行说明)。
(6)计算结束后再次统计钢纤维定向分布情况，如图5所示，与第4步进行对比，统计方式如下：
(1)在EDEM中导出钢纤维中Orientation的XX,YX,ZX三个值，这三个值对应了钢纤维在全局坐标系下的方向向量，即
(2)通过计算纤维方向与磁场方向夹角的余弦值,即
磁场作用前后纤维的定向情况如下表所示。余弦值的平均值越接近1，标准差越接近0，说明钢纤维的定向分布情况越好。
以上所述仅为本发明的优选实例方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于离散元的钢纤维混凝土纤维定向分布的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)C++编程后生成磁场计算DLL文件；
(2)定义表征混凝土的粗细颗粒以及钢纤维，建立几何体模型；
(3)设置颗粒参数，选择颗粒与颗粒、颗粒与几何体的接触模型；
(4)生成粗细颗粒以及钢纤维，统计钢纤维分布情况；
(5)设置TXT文件中的磁感应强度，并在颗粒体积力中选择第一步生成的DLL文件；
(6)进行磁场定向钢纤维模拟，并统计定向分布程度；统计方式如下：
(a)在EDEM中导出钢纤维中Orientation的XX，YX，ZX三个值，这三个值对应了钢纤维在全局坐标系下的方向向量，即
(b)通过计算纤维方向与磁场方向夹角的余弦值来表征纤维的定向情况，具体计算为
余弦值的平均值越接近1，标准差越接近0，说明钢纤维的定向分布情况越好。
2.根据权利要求1所述的一种基于离散元的钢纤维混凝土纤维定向分布的方法，其特征在于所述步骤(1)中编写的颗粒体积力模型，即钢纤维在磁场中被磁化后受到磁场力作用而转动，其具体计算为：
在EDEM软件中，钢纤维的方向在全局坐标系下是通过方向余弦矩阵(DCM)来表示的，而在本体坐标系中为x轴正向，所以钢纤维在全局坐标系下的方向向量为方向余弦矩阵的第一行的三个值，即
设磁场方向向量为则钢纤维在磁场作用下受到的力矩的方向为
磁场力的具体计算如下所示
其中，M为磁场力对钢纤维中心轴的力矩，μ为导磁材料的相对磁导率，μ0为真空磁导率,4π×10-7(Tm/A)，B为磁感应强度，V为钢纤维的体积，θ为钢纤维方向与磁场方向的夹角，分别为钢纤维在全局坐标系下的方向向量和全局坐标系下的磁场方向。
3.根据权利要求1所述的一种基于离散元的钢纤维混凝土纤维定向分布的方法，其特征在于所述步骤(2)钢纤维是由EDEM中多个颗粒通过不同的方式组成，有平直形，弯钩形两种形状。
4.根据权利要求1所述的一种基于离散元的钢纤维混凝土纤维定向分布的方法，其特征在于所述步骤(3)中所述的颗粒与颗粒、颗粒与几何体的接触模型中的接触参数是不是常数，通过参数的变化描述不同流动性能的混凝土。
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| 带装甲钢背板的钢纤维混凝土靶抗侵彻试验及数值模拟研究;冯君;孙巍巍;刘志林;王晓鸣;;兵工学报(第06期);全文 * |
| 钢纤维-混凝土基体界面粘结性能数值分析;王力;;水利与建筑工程学报(第02期);全文 * |
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