CN113326643B - 基于ABAQUS python脚本开发的灌浆料三维随机缺陷模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于ABAQUS python脚本开发的灌浆料三维随机缺陷模型构建方法，包括灌浆缺陷级配随机数生成、随机球体生成、随机球体干涉判断、随机球体投放；利用随机球体模拟灌浆料在施工过程中产生的孔隙缺陷，通过改变随机球体的直径与数量来控制内部孔隙的含量，将复杂的缺陷与ABAQUS脚本结合建立几何模型；本发明贴近施工现场产生缺陷的随机性要求，简化了分析过程，提高了计算效率。

Description

基于ABAQUS python脚本开发的灌浆料三维随机缺陷模型构 建方法

技术领域

本发明涉及一种基于ABAQUS python脚本开发的灌浆料三维随机缺陷模型构建方法，属于建筑技术领域。

背景技术

灌浆料在施工过程中受温度、配合比、振捣时间等现场因素影响，产生的孔隙缺陷大大增加了装配式建筑损伤破坏的风险。考虑灌浆料内部孔隙分布、形状和大小的随机性，有效模拟随机缺陷的算法是建立灌浆料三维随机缺陷模型的关键；由于施工过程中缺陷产生的随机性和试验条件的差异性，借助于试验的研究方法，很难再对灌浆料三维随机缺陷的研究有进一步的突破。基于模拟随机缺陷的算法，选取合理的计算模型进行有限元分析，能够满足由于现场施工产生孔隙缺陷的随机性要求，为灌浆料三维随机缺陷模型的数值模拟研究提供了一种更加快速高效的技术途径。

目前，国内外诸多学者在灌浆料缺陷方面进行了大量研究。闫秋实对钢筋套筒灌浆连接的装配式钢筋混凝土梁进行落锤冲击试验，研究了套筒灌浆料饱满度对钢筋混凝土梁的抗冲击性能的影响；结果表明：随着套筒灌浆饱满度的降低，钢筋混凝土梁的破坏形态发生显著变化。郑清林对灌浆料混凝土缺陷进行了数值研究，通过改变单个缺陷的大小和缺陷的数量，使其均匀分布于混凝土内部，研究缺陷数量和尺寸对极限承载力的影响。方秦，张锦华等考虑水泥砂浆内部气孔分布因素，采用椭球体模拟砂浆基体中的缺陷，建立了砂浆三维微观模型。从上述可知，现阶段的研究取得了一定的成果，但还存在诸多不足之处；如均匀化缺陷的假设与实际工程存在一定程度的差异，灌浆料中缺陷分布、大小和形状应具有随机性，固定缺陷尺寸的计算模型不能体现缺陷产生的随机性。而且大多数的随机缺陷建模借助于Matlab、C++等计算机语言，这些语言只能建立几何模型，不能定义材料属性，需要将建立完成的几何模型导入有限元软件中进行后续的有限元分析，过程繁琐，降低了计算效率。

发明内容

本发明提供一种基于ABAQUS python脚本开发的灌浆料三维随机缺陷模型构建方法，贴近施工现场产生缺陷的随机性要求，简化了分析过程，提高了计算效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于ABAQUS python脚本开发的灌浆料三维随机缺陷模型构建方法，具体包括以下步骤：

第一步，输入待构建模型所需的基本参数，包括灌浆料颗粒初始球体总数以及孔隙比；

第二步，内置对数正态分布函数，随机生成满足总数要求的浮点型随机数，同时赋值为球体直径并生成数组；

第三步，内置ABAQUS脚本接口中的Part模块，将球体粒径排序，并由大至小依次生成随机球体；

第四步，通过ABAQUS脚本接口中的Part模块，调用缺陷级配生成球体模型，进行随机缺陷干涉判断；

第五步，通过ABAQUS脚本接口中的Assembly模块，内置随机函数，依据球体直径分级进行循环投放；

第六步，判断得到的缺陷模型是否符合孔隙比，若不符合孔隙比则进入第二步步骤，若符合孔隙比则得到满足球体体积分数要求的缺陷模型；

第七步，根据材料属性选择匹配模块，结合获得的缺陷模型，将随机球体定义为空，保存模型；

作为本发明的进一步优选，第四步中，通过ABAQUS脚本接口中的Part模块，调用缺陷级配生成球体模型，其中，写入随机球体接触干涉判断语句，允许球体部分重合；

作为本发明的进一步优选，第五步中，内置随机函数后，依据球体直径的总数以及平均值分级循环投放；

作为本发明的进一步优选，进行分级循环投放的具体步骤为将生成的随机数依据整数部分进行分级，得到每一级球体直径的总数和平均值，并算出球体总体积和体积分数，当所得球体体积分数小于输入的孔隙比时，增加初始球体总数，继续循环投放，直至得到满足球体体积分数要求的缺陷级配；

作为本发明的进一步优选，第七步中，若针对混凝土模型，选用ABAQUS脚本中的损伤塑性模块，输入参数，保存模型。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的构建方法，其构建的三维随机缺陷模型与真实缺陷形状、大小以及分布情况非常接近，满足了实际施工现场缺陷的随机性要求；

2、本发明提供的构建方法将复杂缺陷建模与ABAQUS脚本模块整合在一起，只需修改相关参数便可快速建模并进行相应计算，为灌浆料三维随机缺陷模型的数值模拟研究提供了一种更加快速高效的技术途径。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明提供的基于ABAQUS python脚本开发的灌浆料三维随机缺陷模型构建方法流程图；

图2a-图2c是本发明提供的三种不同灌浆缺陷级配图，其中图2a为缺陷含量为15％的级配，图2b为缺陷含量为10％的级配，图2c为缺陷含量为5％的级配；

图3a-图3c是本发明基于图2a-图2c给出的三种缺陷的计算模型，其中图3a为缺陷含量为15％的计算模型，图3b为缺陷含量为10％的计算模型，图3c为缺陷含量为5％的计算模型；

图4a-图4c是本发明基于缺陷含量为10％的计算模型进行有限元分析得到的应力云图，其中图4a为s11应力云图，图4b为s22应力云图，图4c为s33应力云图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。本申请的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

目前大部分的随机缺陷建模基于计算机语言只能建立几何模型，但是由于不同的材料其缺陷不一致，材料属性也各不相同，建立的几何模型需要导入有限元软件内进行分析，过程繁琐，计算效率也不高，因此本申请旨在提供一种灌浆料三维随机缺陷模型构建方法，其基于ABAQUS python脚本，建立缺陷级配随机数生成方法，满足不同属性的材料以及不同的材料缺陷，使得构建的三维随机缺陷模型与真实缺陷的形状、大小以及分布情况更相近。

图1所示，是本申请提供的基于ABAQUS python脚本开发的灌浆料三维随机缺陷模型构建方法流程图，具体的包括以下步骤：

第一步，输入待构建模型所需的基本参数，包括灌浆料颗粒初始球体总数以及孔隙比，还包括灌浆料基体参数和对数正态分布参数。

第二步，内置对数正态分布函数，随机生成满足总数要求的浮点型随机数，同时赋值为球体直径并生成数组。

第三步，内置ABAQUS脚本接口中的Part模块，将球体粒径排序，并由大至小依次生成随机球体。

第四步，通过ABAQUS脚本接口中的Part模块，调用缺陷级配生成球体模型，进行随机缺陷干涉判断，为了得到更接近于真实缺陷的模型，写入随机球体接触干涉判断语句，允许球体部分重合。

第五步，通过ABAQUS脚本接口中的Assembly模块，内置随机函数，依据球体直径的总数以及平均值分级循环投放，得到满足要求的缺陷模型；具体的是指在投放完成后，将生成的随机数依据整数部分进行分级(0，1，2，3，4……)，得到每一级球体直径的总数和平均值，并算出球体总体积和体积分数，当所得的球体体积分数小于输入的孔隙比时，增加初始球体总数，继续循环投放，直至得到满足球体体积分数要求的缺陷级配；

第六步，判断得到的缺陷模型是否符合孔隙比，若不符合孔隙比，则进入第二步，若符合孔隙比则获取满足要求的缺陷模型进入下一步。

第七步，根据材料属性选择匹配模块，结合获得的缺陷模型，将随机球体定义为空，保存模型；这里为了针对工程应用，加入材料模型，如针对混凝土模型，则选用ABAQUS脚本中的损伤塑性模块，输入参数，保存模型。

在上述给出的构建方法中，本申请最大的创新点是利用随机球体模拟灌浆料在施工过程中产生的孔隙缺陷，通过改变随机球体的直径与数量来控制内部孔隙的含量，将复杂的缺陷与ABAQUS脚本结合建立几何模型，从以下三处进行具体阐述：

第一，为了解决现场施工过程中缺陷生成的随机性，选用灌浆材料中更加贴近于气孔粒径的对数正态分布函数生成符合级配要求的随机数；

这里需要单独说明的是，对数正态分布的定义为：

设X是取值为正数的连续随机变量，若随机变量X服从对数正态分布，即lnX～N(μ,σ²)，X的概率密度为：

其中，μ是变量对数的平均值，σ是变量对数的标准差。

第二，为了构建出更贴近于真实缺陷形状、大小和分布的灌浆料三维随机缺陷模型，写入随机球体接触干涉判断语句，允许球体部分重合，避免了大直径球体完全包围小直径球体，保证缺陷投放的有效性，以及模型与真实缺陷的形状大小相近；这里需要阐述的是，写入的随机球体接触干涉判断语句，如第四步指出的随机缺陷干涉判断，在调用第五步的Assembly模块前，需要在Assembly模块内写入判断语，此判断语即为“判断若干球体中，两球心距离大于球半径之差”，若满足干涉判断要求，即可进行第五步的调用Assembly模块，避免了用于模拟缺陷的球体重回。同时内置随机函数，用均匀分布随机变量得到缺陷投放的随机位置坐标，投放时允许缺陷球体与混凝土边界重合，更贴近于真实缺陷分布。

第三，为了提高模型的生成效率，结合现有的有限元模块解决复杂的几何建模问题，为工程应用提供便利，充分利用Python语言拥有各类开源库函数的优势，将其作为ABAQUS脚本在求解核心和图形用户界面之间使用的交互语言；也就是说，可以利用ABAQUS中已有的用Python编写的模快，将复杂缺陷建模与ABAQUS脚本模块整合进行二次开发，高效便捷，仅需修改相关参数便可快速完成建模。

为了更好的阐述本申请提供的构建方法，申请人给出了具体的操作示例，打开ABAQUS运行脚本，随机产生的灌浆缺陷体积分数分别为15％、10％、5％，依据对数正态分布分别生成缺陷级配，对缺陷直径进行分级，图2a-图2c是三种不同灌浆缺陷级配图，图2a为缺陷含量为15％的级配，图2b为缺陷含量为10％的级配，图2c为缺陷含量为5％的级配，其中，横坐标表示缺陷平均直径(mm)，纵坐标表示缺陷数量(个数)；

接着，限定投放区域为Φ100mm*200mm的试件空间，得出三种缺陷体积分数下的计算模型，图3a为缺陷含量为15％的计算模型，图3b为缺陷含量为10％的计算模型，图3c为缺陷含量为5％的计算模型。

当几何模型确定后，加入后续材料模型进行有限元分析，以缺陷含量为10％的计算模型为例，进行有限元分析得到应力云图，图4a为s11(即ABAQUS脚本中位于X轴向)应力云图，图4b为s22(即ABAQUS脚本中位于Y轴向)应力云图，图4c为s33(即ABAQUS脚本中位于Z轴向)应力云图。

通过上述可知，本申请通过输入基本参数，包括初始球体总数、孔隙比、灌浆料基体参数和对数正态分布参数；依据内置分布函数生成球体直径，将球体粒径分级，生成数组；通过ABAQUS脚本接口中的Part模块，将球体粒径排序，从大到小依次生成球体；通过ABAQUS脚本接口中的Assembly模块，写入随机球体接触干涉判断语句，按照球体粒径级配，从大到小分别进行随机投放；投放完成后得到孔隙占灌浆料基体的体积比，如果未达到初始的孔隙比，则增加初始球体总数，继续循环投放，直至得到满足要求的灌浆缺陷模型；对灌浆料与孔隙缺陷进行材料属性判断，将随机球体定义为空，最终生成模型；为灌浆料三维随机缺陷模型的数值模拟研究提供了一种更加快速高效的技术途径，适合推广操作。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种基于ABAQUS python脚本开发的灌浆料三维随机缺陷模型构建方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

第一步，输入待构建模型所需的基本参数，包括灌浆料颗粒初始球体总数以及孔隙比；

第二步，内置对数正态分布函数，随机生成满足总数要求的浮点型随机数，同时赋值为球体直径并生成数组；

第三步，内置ABAQUS脚本接口中的Part模块，将球体粒径排序，并由大至小依次生成随机球体；

第四步，通过ABAQUS脚本接口中的Part模块，调用缺陷级配生成球体模型，进行随机缺陷干涉判断；

第五步，通过ABAQUS脚本接口中的Assembly模块，内置随机函数，依据球体直径分级进行循环投放；

第六步，判断得到的缺陷模型是否符合孔隙比，若不符合孔隙比则进入第二步步骤，若符合孔隙比则得到满足球体体积分数要求的缺陷模型；

第七步，根据材料属性选择匹配模块，结合获得的缺陷模型，将随机球体定义为空，保存模型。

2.根据权利要求1所述的基于ABAQUS python脚本开发的灌浆料三维随机缺陷模型构建方法，其特征在于：第四步中，通过ABAQUS脚本接口中的Part模块，调用缺陷级配生成球体模型，其中，写入随机球体接触干涉判断语句，允许球体部分重合。

3.根据权利要求2所述的基于ABAQUS python脚本开发的灌浆料三维随机缺陷模型构建方法，其特征在于：第五步中，内置随机函数后，依据球体直径的总数以及平均值分级循环投放。

4.根据权利要求3所述的基于ABAQUS python脚本开发的灌浆料三维随机缺陷模型构建方法，其特征在于：进行分级循环投放的具体步骤为将生成的随机数依据整数部分进行分级，得到每一级球体直径的总数和平均值，并算出球体总体积和体积分数，当所得球体体积分数小于输入的孔隙比时，增加初始球体总数，继续循环投放，直至得到满足球体体积分数要求的缺陷级配。

5.根据权利要求4所述的基于ABAQUS python脚本开发的灌浆料三维随机缺陷模型构建方法，其特征在于：第七步中，若针对混凝土模型，选用ABAQUS脚本中的损伤塑性模块，输入参数，保存模型。

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