CN113591195A - 一种基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型构建方法 - Google Patents

一种基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型构建方法 Download PDF

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CN113591195A CN202111007768.8A CN202111007768A CN113591195A CN 113591195 A CN113591195 A CN 113591195A CN 202111007768 A CN202111007768 A CN 202111007768A CN 113591195 A CN113591195 A CN 113591195A
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Abstract

本发明提供一种基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型构建方法，将再生混凝土细化为由六相材料组成的复杂均质性材料，六相材料分别为：骨料、老砂浆、新砂浆、骨料和老砂浆之间的第一老界面过渡区、老砂浆与新砂浆之间的第二老界面过渡区、骨料与新砂浆之间的新界面过渡区，并且通过面平移的方法构建了不同的界面过渡区，所得模型更接近实际的再生混凝土试块，采用本发明的模型能更进一步的从细观层次上对再生混凝土损伤破坏过程进行研究。

Description

一种基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型构建方法
技术领域
本发明涉及混凝土研究领域，具体为一种基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型构建方法。
背景技术
随着社会进程的加快，新建房屋道路桥梁等建筑物消耗大量的混凝土，与此同时，老旧建筑物的拆除、不可抗力等因素的影响，使产生的废弃混凝土持续增加，建筑垃圾既污染水源，又消耗了很多的处理成本。因此，废弃混凝土的再生利用，是我国建筑资源的可持续发展的关键研究方向。
再生混凝土是比混凝土更加复杂的多相复合材料，很多学者对再生混凝土做了一系列的宏观试验，刘光廷等人设计了一系列的试验，得到了混凝土界面区的抗拉强度和弹性模量。周静海等人通过力学性能试验及扫描电镜(SEM)从多尺度角度研究了再生粗骨料和废弃纤维的掺入对废弃纤维再生混凝土强度性能的影响情况。王国林通过试验研究了再生骨料取代率对再生混凝土宏观力学性能的影响。骆行文等通过加载循环动荷载研究了再生混凝土在循环荷载下的宏观变形规律和发展规律。综上所述，有关混凝土骨料与硬化水泥砂浆的力学特性已有相关试验数据可供参考，但针对水泥砂浆与骨料之间界面过渡区的力学特性的试验研究、内部裂缝的发展过程等方面的研究较少。
上述实验研究，在试验中常假设再生混凝土试件是均匀材料，忽略其中各相材料弹性模量以及强度性能的差异，得到的结果能满足一般的工程要求，但得到的数据只能体现再生混凝土的平均力学效能。为了进一步了解混凝土材料的性能，应从细观层次将再生混凝土看作复合材料，研究各相材料对其性能的影响，从而更精细的了解再生混凝土的损伤破坏过程，可为进一步改善再生混凝土的性能提供依据。国内外学者对于细观层次的混凝土也有一定的研究，主要采用MATLAB、PYTHON、FORTRAN、C语言等和ANSYS、COMSOL、ABAQUS等有限元分析软件进行随机骨料模型的构建，如：郑建军构建连续介质离散为由杆单元和梁单元联结形成的格构模型建立五相复合圆模型，得到了混凝土宏观弹性模量；高政国等人以面积法为入侵判断准则生成了随机凸多边形骨料模型；吕钊等人基于MATLAB语言建立了圆形、椭圆形、多边形骨料模型。但是以上研究尚未考虑不同的界面区，生成的二维随机模型仍存在一定的局限性。基于学者们的研究，计算机模拟确实减少了试验过程中所带来的偶然误差，但大多数学者基本都是建立了二相、三相、四相、五相材料模型，若将再生混凝土看作由六相材料组成的复合材料，能更进一步的从细观层次上对再生混凝土损伤破坏过程有一定的研究。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型构建方法，将再生混凝土细化为由六相材料组成的复杂均质性材料，构建不同的界面过渡区，所得模型更接近实际的再生混凝土试块。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型构建方法，包括：
步骤1，在预设的多边形骨料投放边界内随机生成多个多边形骨料；
步骤2，遍历多边形骨料，运用缩放比例原理对当前多边形骨料进行面平移得到第一同心多边形，对第一同心多边形进行面平移得到第二同心多边形，对第二同心多边形进行面平移得到第三同心多边形，直到满足预设的再生骨料的取代率遍历停止；满足预设的取代率后，对未遍历到的剩余的多边形骨料进行面平移得到第四同心多边形；其中，第一同心多边形与相应多边形骨料之间的部分作为第一老界面过渡区；第二同心多边形与相应第一同心多边形之间的部分作为骨料外包裹的老砂浆；第三同心多边形与相应第二同心多边形之间的部分作为第二老界面过渡区；第四同心多边形与相应多边形骨料之间的部分作为新界面过渡区；
步骤3，删除所有多边形相交部分，得到基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型。
优选的，步骤1，具体包括：
步骤1.1，在预设的多边形骨料投放边界内随机生成一多边形骨料；
步骤1.2，将当前生成的多边形骨料的面积累加到多边形骨料的总面积，并判断多边形骨料的总面积是否满足预设的投放率，若满足预设的投放率，则进行步骤2，否则返回步骤1.1。
进一步的，步骤1.1，具体包括：
步骤1.11，在预设的多边形骨料投放边界内随机生成一中心点；
步骤1.12，以当前随机生成的中心点为圆心，随机生成半径为r/2的随机圆；其中，r为预设的多边形骨料粒径范围内的值；
步骤1.13，判断当前随机生成的随机圆与已保存的所有随机圆是否相离，若相离，则保存该当前随机生成的随机圆，并执行步骤1.14，否则返回到步骤1.11；
步骤1.14，在当前随机生成的随机圆内随机生成一多边形骨料；其中，所述多边形骨料的部分角点位于随机圆上，其余角点位于随机圆内。
进一步的，步骤1.14，具体包括：
步骤1.141，在当前随机生成的随机圆上随机生成N个点，在当前随机生成的随机圆内随机生成n个点；其中，N+n满足预设的多边形骨料的边数范围；
步骤1.142，获取随机圆内的第i个点与当前中心点的距离L，判断L是否满足L＝(3r/8,r/2)，若满足则沿周向顺次连接该N+n个点形成边数为N+n的多边形骨料，并执行步骤1.2；若不满足，则返回步骤1.141；其中，i＝1,2…,n。
进一步的，步骤1.141中，n≤2。
进一步的，步骤1.13中，判断当前随机生成的随机圆与已保存的所有随机圆是否相离，具体是：遍历已保存的所有随机圆，判断当前随机生成的随机圆与当前已保存的随机圆的半径之和是否满足如下公式，若满足，则当前随机生成的随机圆与当前已保存的随机圆相离；遍历完成后，综合遍历结果，得出当前随机生成的随机圆与已保存的所有随机圆是否相离；
Figure BDA0003237649660000041
其中，R1为当前随机生成的随机圆的半径，R2为当前已保存的随机圆的半径，(x1，y1)为当前随机生成的随机圆的中心点坐标，(x2，y2)为当前已保存的随机圆的中心点坐标。
进一步的，步骤1.2中，当前随机生成的多边形骨料的面积计算方法为：用向量法则计算出当前随机生成的多边形骨料的相临两个角点与中心点围成的三角形面积，各三角形面积相加得到当前随机生成的多边形骨料的面积。
进一步的，步骤1.2，具体为：计算出当前随机生成的多边形骨料的等效粒径，并判断该等效粒径是否满足预设的多边形骨料粒径范围，若满足多边形骨料的粒径范围，则将当前生成的多边形骨料的面积累加到多边形骨料的总面积，并判断多边形骨料的总面积是否满足预设的投放率，若满足预设的投放率，则进行步骤2，否则返回步骤1.1；若不满足多边形骨料的粒径范围，则返回步骤1.1。
进一步的，多边形骨料的等效粒径的计算方法为：根据等效粒径公式
Figure BDA0003237649660000042
计算出当前随机生成的多边形骨料的等效粒径。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明将再生混凝土细化为由六相材料组成的复杂均质性材料，六相材料分别为：骨料、老砂浆、新砂浆、骨料和老砂浆之间的第一老界面过渡区、老砂浆与新砂浆之间的第二老界面过渡区、骨料与新砂浆之间的新界面过渡区，并且通过面平移的方法构建了不同的界面过渡区，所得模型更接近实际的再生混凝土试块，采用本发明的模型能更进一步的从细观层次上对再生混凝土损伤破坏过程进行研究。
进一步的，本发明可以随机生成骨料中心坐标，根据骨料粒径范围，在范围内随机生成不同粒径的多边形骨料，满足再生混凝土内部骨料的随机分布特征。
进一步的，本发明能满足保证随机多边形的凸性和凹性。
附图说明
图1为图1相交判断示意图；
图2为随机多边形骨料生成过程；(a)为凸多边形骨料；(b)为凹多边形骨料；
图3为随机多边形骨料界面过渡区生成；(a)为凸多边形骨料界面过渡区；(b)为凹多边形骨料界面过渡区；
图4为本发明基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型构建方法流程图；
图5为不同投放率的模型；(a)投放率为40％；(b)投放率为45％；(c)投放率为55％；(d)投放率为60％；
图6为不同骨料取代率的模型；(a)取代率为20％；(b)取代率为30％；(c)取代率为50％；(d)取代率为70％；
图7为不同随机数的模型；(a)随机数1；(b)随机数2；(c)随机数3；(d)随机数4；
图8基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型计算示意图；
图9为应力云图；(a)总应力；(b)s11应力；(c)s22应力；(d)s12应力；
图10为基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型损伤开展图；(a)第6载荷子步；(b)第8载荷子步；(c)第10载荷子步；(d)第12载荷子步；(e)第14载荷子步；(f)第16载荷子步；(g)第18载荷子步；(h)第20载荷子步。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明的第一个目的是解决：随机多边形骨料的生成问题。
实现本发明第一个目的技术方案是：基于PYTHON语言，设定多边形骨料投放边界、粒径范围、取代率、投放率、随机多边形的边数、凹凸性等参数，生成符合现实需求的随机多边形骨料。
现如今，多边形骨料最接近实际工程中的碎石骨料，其被广泛应用于工程中，普通商品混凝土细观结构看作碎石骨料、水泥砂浆基质、碎石骨料与水泥砂浆基质之间的界面过渡区ITZ三相材料组成的。对于再生混凝土而言，在考虑取代率的情况下，细观结构更为复杂，将其看作骨料、老砂浆、新砂浆、骨料-老砂浆界面过渡区(OITZ1)、老砂浆-新砂浆界面过渡区(OITZ2)、骨料-新砂浆界面过渡区(NITZ)六相材料组成，运用PYTHON语言定义骨料的粒径范围为5～25mm，多边形骨料的边数为4～9，定义投放率、取代率，投放边界为100mm×100mm的方形框，随机生成不同边数的凹形和凸形的多边形以保证多边形骨料的多样性。
本发明的第二个目的是解决：界面过渡区的生成问题。
实现本发明第二个目的的技术方案是：混凝土是一种非均质的复杂的复合型材料。在外部荷载的作用下，各相材料以及材料与材料之间的相互作用均可做出反应，内部应力形态较为复杂，且相较于其他相材料，界面过渡区是较为薄弱的，容易产生应力集中的现象，对混凝土的宏观力学性能影响很大。对于普通混凝土而言，只有一种界面过渡区，即骨料和新拌合砂浆之间的界面过渡区。对于再生混凝土而言，既有骨料和骨料外包裹的老砂浆之间的界面过渡区，又有老砂浆和新拌合砂浆之间的界面过渡区。无论是哪一种界面过渡区，均为一种双向膜结构，未水化的水泥浆体也较少，孔隙率较高且存在初始微裂缝，对力的传递是较为不利的。混凝土的破坏主要是由界面过渡区引起的，但具体由哪一个界面过渡区引起，仍需进一步研究。在进行再生混凝土细观模型构建时，运用缩放比例理论对多边形骨料进行面平移，将骨料和老砂浆之间的界面过渡区看作第一老界面过渡区(OITZ1)，厚度取0.5mm，将老砂浆与新砂浆之间的界面看作第二老界面过渡区(OITZ2)，厚度取0.5mm，骨料与新砂浆之间的界面过渡区看作新界面过渡区(NITZ)，厚度取0.5mm，与此同时，骨料外包裹的老砂浆厚度也通过面平移方法生成，其厚度为1.5mm。
本发明的第三个目的是解决：利用PYTHON语言编写骨料投放程序，建立基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型。通过ABAQUS实现脚本语言与有限元分析软件的交互，整个算法过程简单高效，只需修改相应参数就可生成不同模型，方便再生混凝土细观力学性能的研究。
实现本发明第三个目的的技术方案是：本发明基于蒙特卡罗随机抽样方法并结合骨料级配理论运用PYTHON语言生成基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型，并导入到ABAQUS软件中进行数值计算。通过定义不同相材料属性，实现骨料单元、砂浆单元以及两者间界面过渡区单元的六相材料识别。利用幅值加载的方式对再生混凝土细观模型进行位移加载，定义耦合约束，划分网格，实现对再生混凝土细观模型混凝土的力学性能的模拟。通过变参数分析，简便高效，实现对任意一种基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型进行仿真模拟。
具体实施方式(即算法)：
1)算法
(1)定义多边形骨料粒径范围(rmin,rmax)、投放边界范围(width,height)。随机生成多边形骨料的中心点的坐标(x0,y0)，基于粒径范围生成随机圆的半径(rmin/2,rmax/2)。
(2)定义多边形骨料的边数、每个角点与x轴的夹角θ、各个角点坐标的捕捉xi＝x0+Lcos(θ)，yi＝y0+Lsin(θ)。
(3)定义多边形骨料模型投放率和再生骨料的取代率(即包裹有的老砂浆骨料占总骨料的百分比)。
(4)定义界面过渡区厚度和老砂浆厚度，所需赋参数算法如下：
定义第一老界面过渡区厚度、骨料外包裹的老砂浆厚度、第二老界面过渡区厚度、新界面过渡区厚度。
(5)以骨料的中心坐标为圆心、r/2为半径，生成随机圆。
根据上述定义的多边形骨料粒径范围随机生成半径r/2的随机圆，根据随机圆与随机圆之间的净距公式
Figure BDA0003237649660000081
判断当前生成的随机圆与数组中已有的所有随机圆是否相离，若相离则将当前生成的随机圆保存到数组并进行步骤(6)，若不相离则返回到步骤(1)。具体相离判断见图1。
(6)基于保存到数组中的当前生成的随机圆，在随机圆上和随机圆内随机生成N个点，保证随机多边形的凸性和凹性。
在随机圆上生成N个点，随机圆内生成n≤2个点，N+n满足预设的多边形骨料的边数范围；确定随机圆内的第i个点与x轴的夹角，获取第i个点与当前中心点的距离L，判断L是否满足L＝(3r/8,r/2)，即3r/8<L<r/2以保证多边形骨料的凹凸性，若满足这个距离则提取该N+n个点的坐标存入到数组中，并沿周向顺次连接这些点形成边数为N+n的多边形骨料；若不满足，则在随机圆上和随机圆内重新生成点。生成的骨料如图2所示。
(7)计算已保存的单个多边形骨料的面积、等效粒径和总面积，判断是否满足投放率。
用向量法则计算出当前生成的多边形骨料的相临两个角点与中心点围成的三角形面积，各三角形面积相加得到当前生成的单个多边形骨料的面积，根据等效粒径公式
Figure BDA0003237649660000091
计算出当前生成的多边形骨料的等效粒径，并判断其是否满足rmin≤2D等效粒径≤rmax，若满足预设的多边形骨料的粒径范围，则将当前生成的多边形骨料的面积累加到多边形骨料的总面积，并判断多边形骨料的总面积是否满足定义的投放率，若满足定义的投放率则进行步骤(8)，否则返回步骤(5)；若不满足多边形骨料的粒径范围，则返回步骤(6)。
(8)根据定义的取代率，生成界面过渡区。
根据上述步骤(3)、(4)定义的取代率和界面过渡区厚度以及老砂浆厚度，运用缩放比例原理对已保存的多边形骨料进行面平移得到界面过渡区厚度0.5mm和老砂浆厚度1.5mm。
具体是：遍历多边形骨料，运用缩放比例原理对当前多边形骨料进行面平移得到第一同心多边形，在第一同心多边形基础上进一步面平移得到第二同心多边形，在第二同心多边形基础上进一步面平移得到第三同心多边形，直到满足预设的取代率遍历停止；满足预设的取代率后，对未遍历到的剩余的多边形骨料进行面平移得到第四同心多边形。
(9)装配生成的所有部件(即同心多边形)。
第一同心多边形装配在相应多边形骨料外，两者之间作为预设厚度的第一老界面过渡区；第二同心多边形装配在相应第一同心多边形外，两者之间作为预设厚度的骨料外包裹的老砂浆；第三同心多边形装配在相应第二同心多边形外，两者之间作为预设厚度的第二老界面过渡区；第四同心多边形装配在相应多边形骨料外，两者之间作为预设厚度的新界面过渡区；对所有同心多边形进行布尔运算，删除多边形相交部分，删除合并前的部件，所有遍历完成，生成随机多边形骨料模型，如图3所示。
(10)将PYTHON脚本导入到ABAQUS中进行数值仿真模拟。
在ABAQUS中运行上述PYTHON脚本语言，生成随机多边形骨料模型以后，并对随机多边形骨料模型的不同相材料定义材料属性，实现骨料单元、砂浆单元以及两者间界面过渡区单元的六相材料识别。设置静力通用分析步，定义初始边界条件和分析步边界条件，利用幅值加载的方式对基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型进行位移加载，定义耦合约束，划分网格，创建作业，提交作业，查看数值模拟的分析结果。
2)算法流程如图4所示。
3)算例
多边形骨料粒径范围(rmin,rmax)＝[25,20,15,10]、投放边界范围(width＝100,height＝100)，多边形骨料的边数(4,9)，第一老界面过渡区厚度＝0.5，骨料外包裹的老砂浆厚度＝1.5，第二老界面过渡区厚度＝0.5，新界面过渡区厚度＝0.5。
根据上述算法，生成了四种不同投放率(40％-60％)、四种不同取代率(20％-70％)、四种不同随机数的随机多边形骨料模型，验证该算法的准确性；并对投放率为45％、取代率为30％的随机多边形骨料模型进行数值仿真模拟，将模型导入到ABAQUS中，通过定义材料属性实现六相材料的识别，设置初始分析步，以幅值的形式对其进行施加位移边界条件，划分网格，提交作业以及对模拟结果的分析。
(1)不同骨料投放率
从图5看出，运用上述程序语言生成取代率为30％，骨料投放率为40％，45％，55％，60％的随机多边形骨料模型相离且在投放的边界范围内，验证了以上算法基本可行。
(2)不同再生骨料取代率
基于上述算法，在填充率为45％的情况下，再生骨料的取代率为20％，30％，50％，70％。图6为不同取代率下的随机多边形骨料模型相离且在投放的边界范围内，验证了以上算法正确可行。
(3)不同随机数的投放
程序算法每运行一次，生成的再生多边形骨料模型均不一样，所以需要考虑程序的随机性，来验证是否满足实际情况所需的随机性。
利用上述算法生成填充率为45％、取代率为30％的随机多边形骨料模型，四种不同随机数下的多边形骨料模型如图7所示，符合混凝土内部骨料的随机分布的特征，有凹有凸，不同的随机多边形骨料模型相离且在投放的边界范围内，验证了该算法的正确性。
参考图5、图6、图7验证了整个算法程序在取代率、投放率和随机数等方面的正确性和合理性。
在骨料投放率固定的情况下，随着取代率的增加，含第一老界面过渡区(OITZ)的骨料越来越多；在取代率固定的情况下，随着投放率的增加，多边形骨料依次增加；在取代率和投放率都固定的情况下，为了满足多边形的随机性，每运行一次，骨料位置和大小都发生了一定的变化，且满足要求。因此，本发明的骨料投放算法合理、简单。
(4)模型计算分析
本发明以投放率为45％、取代率为30％的随机多边形骨料模型进行数值仿真模拟，将模型导入到ABAQUS中，通过定义材料属性实现六相材料的识别，设置初始分析步，以幅值的形式对其进行施加位移边界条件，具体的计算模型如图8所示。
图8的随机多边形骨料计算模型中，实现了六相材料的识别，在设置初始边界条件时，模型底部采用完全固定约束，限定模型X，Y方向上的自由度；在设置分析步边界条件时，在模型的顶部首先设置一个参考点，实现参考点跟面的耦合，其次对参考点按预设幅值表，分20个荷载子步施加-0.5mm的位移荷载。
本发明以投放率为45％，取代率为30％的基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型进行受压(-0.5mm位移荷载，拉为正，压为负)数值仿真模拟的应力计算结果如图9所示。由图9(a)知，本发明基于python脚本语言与ABAQUS的交互作用，投放率为45％，取代率为30％的基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型仿真模拟结束后，总应力可达35.21MPa，验证了该算法简捷高效，且能保证计算结果的准确性。
由图9(b)知，本发明基于python脚本语言与ABAQUS的交互作用，投放率为45％，取代率为30％的基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型仿真模拟结束后，X向即S11向的应力主要为拉应力(拉为正，压为负)，验证了该算法简捷高效，且能保证计算结果的准确性。
由图9(c)知，本发明基于python脚本语言与ABAQUS的交互作用，投放率为45％，取代率为30％的基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型仿真模拟结束后，Y向应力即S22向应力也主要为拉应力(拉为正，压为负)，验证了该算法简捷高效，且能保证计算结果的准确性。
由图9(d)知，本发明基于python脚本语言与ABAQUS的交互作用，投放率为45％，取代率为30％的基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型仿真模拟结束后，XY轴的剪应力即S12向应力也主要为拉应力(拉为正，压为负)验证了该算法简捷高效，且能保证计算结果的准确性。
在对投放率为45％，取代率为30％的基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型进行损伤塑性模拟时，设置-0.5mm的位移边界条件，查看有限元仿真模拟的结果，其损伤值可达0.966。基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型受压的损伤发展过程如图10所示。
由图10(a)、(b)知，模型的微裂缝损伤首先发生在骨料和老砂浆之间的第一老界面过渡区(OITZ1)和老砂浆和新砂浆之间的第二老界面过渡区(OITZ2)及骨料和新砂浆之间的新界面过渡区(NITZ)上。由图10(c)、(d)知，随着位移荷载的不断增大，界面过渡区的裂缝不断地扩展，新砂浆单元也出现了一些裂缝，且这些裂缝都是具有随机性的。由图10(e)、(f)知，随着位移荷载的不断增大，越来越多的新砂浆单元发生损伤，且破坏的单元主要集中在骨料周围。
由图10(g)、(h)知，根据预设的幅值表进行最后的位移加载后，随着损伤单元的进一步增加，损伤裂缝不断的扩展，形成若干条斜向45°的裂缝，整个模型的损伤裂缝呈“X”形，和试验最终破坏状态基本一致。
图10的破坏过程验证了该算法的合理性和准确性。
同时，本发明可以通过更改投放率、取代率、界面过渡区厚度、投放边界范围、多边形的边数等参数，随机生成任意一种所需模型，且可在ABAQUS中调整不同的材料属性和分析步对任何一种随机多边形骨料模型进行数值模拟研究。
本发明具有如下优点：
(1)本发明满足再生混凝土内部骨料的随机分布特征，可以随机生成骨料中心坐标，定义骨料投放位置，根据骨料粒径范围，在范围内随机产生一个随机数生成不同粒径的多边形骨料。
(2)本发明可以保证多边形骨料在整个投放边界内的投放率和取代率，且能实现三种界面区和三种材料的识别，将再生混凝土骨料模型细化为由六相材料组成的复杂均质性材料，模型更接近实际的再生混凝土试块。
(3)本发明基于PYTHON脚本实现ABAQUS有限元分析软件二次开发，通过修改多边形骨料粒径范围、多边形边数、取代率、投放率、试件投放边界范围等参数生成不同的随机多边形骨料模型。相较于试验，本模拟方法更简单高效且能保证计算结果的准确性。

Claims (9)

1.一种基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型构建方法，其特征在于，包括：
步骤1，在预设的多边形骨料投放边界内随机生成多个多边形骨料；
步骤2，遍历多边形骨料，运用缩放比例原理对当前多边形骨料进行面平移得到第一同心多边形，对第一同心多边形进行面平移得到第二同心多边形，对第二同心多边形进行面平移得到第三同心多边形，直到满足预设的再生骨料的取代率遍历停止；满足预设的取代率后，对未遍历到的剩余的多边形骨料进行面平移得到第四同心多边形；其中，第一同心多边形与相应多边形骨料之间的部分作为第一老界面过渡区；第二同心多边形与相应第一同心多边形之间的部分作为骨料外包裹的老砂浆；第三同心多边形与相应第二同心多边形之间的部分作为第二老界面过渡区；第四同心多边形与相应多边形骨料之间的部分作为新界面过渡区；
步骤3，删除所有多边形相交部分，得到基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型。
2.根据权利要求1所述的基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型构建方法，其特征在于，步骤1，具体包括：
步骤1.1，在预设的多边形骨料投放边界内随机生成一多边形骨料；
步骤1.2，将当前生成的多边形骨料的面积累加到多边形骨料的总面积，并判断多边形骨料的总面积是否满足预设的投放率，若满足预设的投放率，则进行步骤2，否则返回步骤1.1。
3.根据权利要求2所述的基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型构建方法，其特征在于，步骤1.1，具体包括：
步骤1.11，在预设的多边形骨料投放边界内随机生成一中心点；
步骤1.12，以当前随机生成的中心点为圆心，随机生成半径为r/2的随机圆；其中，r为预设的多边形骨料粒径范围内的值；
步骤1.13，判断当前随机生成的随机圆与已保存的所有随机圆是否相离，若相离，则保存该当前随机生成的随机圆，并执行步骤1.14，否则返回到步骤1.11；
步骤1.14，在当前随机生成的随机圆内随机生成一多边形骨料；其中，所述多边形骨料的部分角点位于随机圆上，其余角点位于随机圆内。
4.根据权利要求3所述的基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型构建方法，其特征在于，步骤1.14，具体包括：
步骤1.141，在当前随机生成的随机圆上随机生成N个点，在当前随机生成的随机圆内随机生成n个点；其中，N+n满足预设的多边形骨料的边数范围；
步骤1.142，获取随机圆内的第i个点与当前中心点的距离L，判断L是否满足L＝(3r/8,r/2)，若满足则沿周向顺次连接该N+n个点形成边数为N+n的多边形骨料，并执行步骤1.2；若不满足，则返回步骤1.141；其中，i＝1,2…,n。
5.根据权利要求4所述的基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型构建方法，其特征在于，步骤1.141中，n≤2。
6.根据权利要求3所述的基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型构建方法，其特征在于，步骤1.13中，判断当前随机生成的随机圆与已保存的所有随机圆是否相离，具体是：遍历已保存的所有随机圆，判断当前随机生成的随机圆与当前已保存的随机圆的半径之和是否满足如下公式，若满足，则当前随机生成的随机圆与当前已保存的随机圆相离；遍历完成后，综合遍历结果，得出当前随机生成的随机圆与已保存的所有随机圆是否相离；
Figure FDA0003237649650000021
其中，R1为当前随机生成的随机圆的半径，R2为当前已保存的随机圆的半径，(x1，y1)为当前随机生成的随机圆的中心点坐标，(x2，y2)为当前已保存的随机圆的中心点坐标。
7.根据权利要求2所述的基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型构建方法，其特征在于，步骤1.2中，当前随机生成的多边形骨料的面积计算方法为：用向量法则计算出当前随机生成的多边形骨料的相临两个角点与中心点围成的三角形面积，各三角形面积相加得到当前随机生成的多边形骨料的面积。
8.根据权利要求2所述的基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型构建方法，其特征在于，步骤1.2，具体为：计算出当前随机生成的多边形骨料的等效粒径，并判断该等效粒径是否满足预设的多边形骨料粒径范围，若满足多边形骨料的粒径范围，则将当前生成的多边形骨料的面积累加到多边形骨料的总面积，并判断多边形骨料的总面积是否满足预设的投放率，若满足预设的投放率，则进行步骤2，否则返回步骤1.1；若不满足多边形骨料的粒径范围，则返回步骤1.1。
9.根据权利要求8所述的基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型构建方法，其特征在于，多边形骨料的等效粒径的计算方法为：根据等效粒径公式
Figure FDA0003237649650000031
计算出当前随机生成的多边形骨料的等效粒径。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114462124A (zh) * 2022-01-18 2022-05-10 东南大学 一种混凝土三维多相细观模型的建立与数值模拟方法
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CN118706557A (zh) * 2024-08-20 2024-09-27 浙江天造环保科技有限公司 再生混凝土骨料试件制备方法、测试装置和测试方法

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