CN114510760A - 一种基于离散元的大孔隙混凝土抗压试件模型构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于离散元的大孔隙混凝土抗压试件模型构建方法,包括以下步骤:任选一个非针片状的骨料,根据选出的骨料形状和尺寸,绘制骨料外轮廓的三维几何图;基于绘制的骨料外轮廓三维几何图,生成刚性颗粒簇模板;基于生成的刚性颗粒簇模板,按级配生成刚性颗粒簇作为初始的模拟骨料;将生成的刚性颗粒簇转为柔性颗粒簇作为最终的模拟骨料;对最终的模拟骨料进行模拟装料;对模拟装料后的试件进行模拟压实,并删除多余模拟骨料;在模拟骨料间赋予粘结,建立抗压试件模型。本发明建模方法有效平衡了计算精度和计算效率,提出了主要参数的选取和确定方法,显著提高了基于离散元的大孔隙混凝土抗压性能仿真分析的精准度。
Description
技术领域
本发明涉及大孔隙混凝土抗压试件离散元模拟分析技术,具体涉及一种基于离散元的大孔隙混凝土抗压试件模型构建方法。
背景技术
为考虑开裂、分离等非连续因素对大孔隙混凝土力学性能数值模拟的影响,学者们开始利用离散元软件建立模型,主要存在以下三个问题:(1)骨料力学模型。目前多以无法被破坏的刚性颗粒簇模拟骨料,无法刻画骨料破碎和试件破坏的真实状态;(2)骨料形状模型。目前建立的颗粒簇模型使用的颗粒单元较少,或直接使用单个颗粒模拟骨料,与实际情况相差较大,且多采用2D模型,所用细观参数理论价值较低;(3)结构模型设计。普通混凝土的离散元结构模型多以“砂浆-骨料-粘结面”三相结构为主,而大孔隙混凝土具有孔隙率大、骨料点接触等特点,其结构模型设计应不同于传统混凝土,而目前对此研究较少。
专利CN 107657128 B基于CT扫描和图像处理技术得到的骨料轮廓信息,利用PFC2D建立了可考虑骨料自身破碎的堆积cluster模型,该专利存在以下局限性:(1)仅建立了2D模型;(2)不考虑颗粒重叠导致所用颗粒数目较多,降低了计算效率;(3)未考虑骨料间的粘结,不适用于大孔隙混凝土建模;(4)细观参数的物理意义较弱、理论价值较低,参数选择和修正也较为繁琐。
专利CN 106528979 B利用Matlab程序绘制随机多面体壳,在壳中填充颗粒,并将颗粒整体定义为一个clump,以形成模拟骨料,该专利未能考虑骨料自身的破碎,同时还存在CN 107657128B中所述的(2)(3)局限性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于离散元的大孔隙混凝土抗压试件模型构建方法,以提高基于离散元的大孔隙混凝土抗压试验仿真的效率和精确度。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种基于离散元的大孔隙混凝土抗压试件模型构建方法,包括以下步骤:
(1)任选一个非针片状的骨料,根据选出的骨料形状和尺寸,绘制骨料外轮廓的三维几何图;
(2)基于绘制的骨料外轮廓三维几何图,生成刚性颗粒簇模板;
(3)基于生成的刚性颗粒簇模板,按级配生成刚性颗粒簇作为初始的模拟骨料;
(4)将生成的刚性颗粒簇转为柔性颗粒簇作为最终的模拟骨料;
(5)对最终的模拟骨料进行模拟装料;
(6)对模拟装料后的试件进行模拟压实,并删除多余模拟骨料;
(7)模拟压实后,在模拟骨料间赋予粘结,建立抗压试件模型。
上述所有步骤均在离散元软件PFC3D(5.0版本)中进行,但也不限于该软件。
本发明一种基于离散元的大孔隙混凝土抗压试件模型构建方法,详细步骤为:
(1)任选一个非针片状的骨料,根据选出的骨料形状和尺寸,采用三维几何图形(geometry)的形式绘制其外轮廓。在绘制的骨料外轮廓内部,采用如下参数和方法生成刚性颗粒簇模板:表面平整度取使颗粒个数为4-8个时的数值,最小颗粒与最大颗粒的半径之比在0.3-0.5,颗粒伸出骨料外轮廓边界的长度与颗粒半径的比例在1.00-1.05,最后利用刚性颗粒簇模板的表面形状自动计算惯性参数。之后生成的所有模拟骨料的形状和惯性参数都与该刚性颗粒簇模板相同。按目标抗压试件尺寸的50倍高生成封闭盒形墙体B1,将B1内部的空间P作为构建抗压试件模型的主要操作空间。
(2)按目标抗压试件的级配将不同粒径的骨料进行均匀混合,将混合后的骨料分别加入且刚好装满m个目标抗压试件大小的模具中,分别对m个模具中的骨料进行筛分并统计各个粒径档位的骨料的个数,取m个模具中的各个粒径档位的骨料的个数的均值作为目标抗压试件中各个粒径档位的骨料的估算个数,其中m≥3。基于刚性颗粒簇模板在空间P中生成一个默认大小的刚性颗粒簇,并采用fish语言编写函数获取其粒径作为默认粒径,然后将该刚性颗粒簇删除。生成模拟骨料前,按目标比例设置模拟骨料默认粒径的放缩倍数,以使生成的模拟骨料满足级配要求,目标比例为目标粒径与默认粒径的比值。设置好不同粒径骨料的放缩倍数后,在空间P内基于刚性颗粒簇模板分别按各个粒径档位的骨料的估算个数的1.5-2.0倍生成不重叠(指模拟骨料之间不重叠)且方位、倾角和高度随机的刚性颗粒簇(clump),作为初始的模拟骨料。
(3)采用fish语言编写函数获取各个clump的组成单元(pebble)的坐标和半径,然后按获取的坐标和半径生成球体颗粒(ball),由同一个clump得到的所有ball都赋予对应clump的编号,最后删除所有clump。将赋予了同一个编号的ball之间的接触作为模拟骨料内部ball之间的接触。对模拟骨料内部ball之间选择线性平行粘结接触模型并赋予粘结参数以模拟真实骨料的自身强度(粘结参数赋予的粘结强度,一部分用来抵消骨料内部ball之间因重叠而产生的排斥力,另一部分用来还原真实骨料的强度),此时所有的clump都转化为了柔性颗粒簇(cluster),作为最终的模拟骨料。
(4)对墙体与模拟骨料、模拟骨料与模拟骨料之间选择线性接触模型并按实际值赋予接触参数,以防止模拟骨料因“穿墙”而“逃离”操作空间P,以及防止模拟骨料之间发生较大重叠,其中将赋予了不同编号的ball之间的接触作为模拟骨料与模拟骨料之间的接触。按实际值赋予模拟骨料阻尼系数、密度以及模型重力加速度,让模拟骨料在空间P内自然下落,并设置当模型整体的平均不平衡力与平均力的比值aratio低于r时停止运算,即下落终止,此时认为骨料已自然堆积完毕,其中参数r的确定方法为:设置r值初始值为0.01,运算中观察实时的aratio值,当其在30秒内的变化幅度不超过0.05时,以30秒内出现的aratio最大值作为最终r值。
(5)取空间P内部从其底面至底面上方a mm处的空间S作为模拟抗压试件的存在和诞生空间,a mm为目标抗压试件的高度。将重心高度在空间S的顶面上方50mm以上的模拟骨料删除。在空间S的底面和顶面上方100mm处分别生成边长大于b mm的水平向的墙体W2和W1,以模拟试件压实时需要的上下承压板,其中b mm为目标抗压试件的底面边长。设置W1以每秒20mm的速度向下移动,以模拟试件压实过程,采用fish语言编写函数监测W1受到的竖向力,当其达到0.01MPa时结束压实。最后将重心高度在空间S的顶面上方的模拟骨料删除。
(6)将赋予了不同编号的ball之间的接触作为模拟骨料与模拟骨料之间的接触。模拟骨料间选择线性平行粘结接触模型并按实际值赋予粘结参数,将(4)中设置的模拟骨料间的线性接触模型覆盖掉,以模拟骨料间的浆体粘结。粘结厚度取0.1mm-1.0mm。赋予粘结后删除盒形墙体B1,即去除模拟试件的侧向约束。
上述所有步骤均在离散元软件PFC3D(5.0版本)中进行。
优选的,步骤(1)(2)(5)中目标抗压试件尺寸为100mm×100mm×100mm或150mm×150mm×150mm。
优选的,步骤(1)(2)(5)中目标抗压试件尺寸为150mm×150mm×150mm。
优选的,步骤(2)中按计算个数的2.0倍生成clump。
优选的,步骤(6)中粘结厚度取0.5mm。
步骤(3)中cluster内部ball之间线性平行粘结接触模型的粘结参数赋值方法为:
(31)由于线性平行粘结接触模型的法向刚度和切向刚度可以由粘结的弹性模量、刚度比和粘结两端的颗粒粒径自动计算得到,故cluster内部ball之间线性平行粘结接触模型的粘结参数中的线性接触部分的法向刚度(kn)、切向刚度(ks)和粘结部分的法向刚度(pb_kn)、切向刚度(pb_ks)不直接赋值,改为分别对线性接触部分的弹性模量(deformability emod)、刚度比(deformability kratio)和粘结部分的弹性模量(pb_deformability emod)、刚度比(pb_deformability kratio)按实际值进行赋值,以考虑cluster内部ball的粒径大小对模拟骨料刚度的影响,使材料在宏观上更趋于各向同性;
(32)cluster内部ball之间线性平行粘结接触模型的粘结半径放大系数(pb_rmul)取1作为初值。对静压试验几乎没有影响的阻尼部分参数即法向临界阻尼比(dp_nratio)、切向临界阻尼比(dp_sratio)和阻尼模式(dp_mode)均取0,以简化模型。除了决定颗粒间粘结力大小的粘结张量强度(pb_ten)和粘聚力(pb_coh)外,其他参数即线性接触部分的摩擦系数(fric)、参考间隙(rgap)、法向力更新模式(lin_mode)、线性外力(lin_force),和粘结部分的弯矩贡献系数(pb_mcf)、内摩擦角(pb_fa)、所受外力(pb_force)、所受外力矩(pb_moment)均按实际值选取;
(33)将pb_ten和pb_coh基于实际值以10%为梯度逐级放大(为了抵消cluster内部ball因重叠而产生的排斥力),每放大一次就进行一次运算,直到cluster内部ball在重叠产生的内力和pb_ten与pb_coh赋予的粘结力的综合作用下刚好不再“炸开”,此时的pb_ten和pb_coh取值作为初值;
(34)开展3组大孔隙混凝土的抗压强度试验,分别建立3组试验的离散元抗压试件模型,调整pb_rmul、pb_ten和pb_coh,使3组试件的应力-应变曲线的模拟结果与试验结果平均拟合度最高。此时的pb_rmul、pb_ten和pb_coh取值即为最终取值。
步骤(6)中模拟骨料与模拟骨料之间线性平行粘结接触模型的粘结参数赋值方法为:
(61)kn、ks和pb_kn、pb_ks不直接赋值,分别改为对deformability emod、deformability kratio和pb_deformability emod、pb_deformability kratio按实际值进行赋值;
(62)pb_rmul取1,dp_nratio、dp_sratio和dp_mode取0,其他参数即fric、rgap、lin_mode、lin_force、pb_mcf、pb_ten、pb_coh、pb_fa、pb_force、pb_moment均按实际值选取。
各参数的实际值,获取和选择方法为:
(1)模拟骨料与墙体之间的线性接触模型参数、模拟骨料与模拟骨料之间的线性接触模型参数、模拟骨料内部ball之间的线性平行粘结接触模型参数:基于所用的所有类型的骨料开展相应性能的测试试验,分别在每一类骨料范围内计算各项性能3次试验结果的平均值。若满足下列条件之一,则所涉及的性能参数取该性能在各类骨料范围内3次试验结果平均值的最小值。否则该项性能的参数取该性能在各类骨料范围内3次试验结果平均值的平均值;
①同一项性能在各类骨料范围内的试验结果平均值之间的最大差距大于80%;
②同一项性能在各类骨料范围内的试验结果平均值之间的最大差距大于30%,且均值最小的一类骨料在试件中的体积占比达到30%以上;
③同一项性能在各类骨料范围内的试验结果平均值最小的一类骨料在试件中的体积占比达到50%以上。
(2)模拟骨料与模拟骨料之间的线性平行粘结接触模型参数:对所用粘结浆体开展相应性能的测试试验,各项性能的参数取3次试验结果的平均值;
(3)模型重力加速度按当地实际值选取。模拟骨料阻尼系数与密度实际值选取方法与上述(1)中各接触参数选取方法相同。
本发明的优点为:
1.基于真实骨料形状生成3D颗粒簇作为模拟骨料,较准确地还原了骨料的真实外观,使骨料在立体空间中的嵌挤和摩擦作用对试件强度的影响在模拟中得到有效考虑;
2.模拟骨料的组成颗粒互相重叠,有效减少了模型所需的颗粒数量,在确保计算精度的同时大大提高了计算效率。同时,可仅通过调整模拟骨料生成时的平整度参数,快速增减模型的颗粒数量,灵活实现计算精度和计算效率间的不同权衡和侧重;
3.采用柔性颗粒簇作为模拟骨料,考虑了骨料自身破坏对试件强度的影响,更接近实际情况,提高了模拟精度;
4.试件模型采用“骨料-粘结面”的二相体系,不赋予浆体实体并忽略其空间位阻,仅通过设置粘结厚度以考虑浆体厚度,实现模拟骨料的非接触粘结,较好地结合了大孔隙混凝土浆体少、孔隙大和骨料点接触的特点,在确保计算精度的同时,优化了模型结构,提高了计算效率;
5.试件模型的构建过程还原了真实试件制备的多个步骤,包括装料、压实等,使制备因素对试件强度的影响在模拟中得到有效考虑;
6.模拟骨料按级配生成,不同粒径的模拟骨料在试件中分布随机、方位随机、倾角随机,较好地实现了骨料在试件中的状态还原;
7.可对模拟试验后的模拟试件中的各档粒径的模拟骨料分别进行显示、观察和统计,通过对比分析各档粒径的模拟骨料内部颗粒的组成情况变化,判断各档粒径骨料的破碎程度,从而对实际试件进行传力分析和级配优化;
8.通过编辑fish函数实现刚性颗粒簇粒径的计算和放缩,使得试件模型可仅通过调整不同粒径的刚性颗粒簇模拟骨料个数,实现模拟骨料级配的直观、快速调整;
9.模拟骨料内部颗粒间的粘结参数优化校准与模拟骨料粒径无关,故在材料种类或性能不变时,无需再次进行参数赋值或校准,即可快速生成不同级配的模拟试件;
10.模拟骨料内部颗粒间的粘结参数选取方式考虑了试件中各种骨料的性能,使多种类骨料混合使用时,性能较差的骨料会成为抗压试验中试件的薄弱点这一情况得到了有效考虑;
11.对模拟骨料内部及模拟骨料间的线性平行粘结接触模型进行参数赋值时,由于组成模拟骨料的球体颗粒尺寸不同,且球体颗粒间的重叠量大小各不相同,故对每个接触赋予统一的弹性模量和刚度比比赋予统一的刚度使材料在宏观上更趋于各向同性,更符合混凝土材料的实际情况;
12.对模拟骨料内部颗粒间和模拟骨料间分别设置线性平行粘结接触模型,可通过对模拟试验前后模型中模拟骨料内部接触和模拟骨料间接触的变化和分布进行分析,结合力链较为准确地预测实际试件的内部受力情况和破坏类型,确定不同级配、骨料种类、浆体组成下,试件内部受力的薄弱环节和试件破坏的决定性因素;
13.提出的各个连接模型(包括线性接触模型和线性平行粘结接触模型)的各项参数选取和确定方法较为系统、准确和简便,基于实际值选取的参数具有较好的物理意义和理论价值,为大孔隙混凝土的离散元仿真分析和参数选取、修正提供思路和指导。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明:
图1为本发明的方法流程图;
图2为模拟骨料生成示意图。其中(a)是基于真实骨料绘制的骨料三维几何图形,(b)是在骨料三维几何图形中生成刚性颗粒簇模板,(c)是生成的刚性颗粒簇;
图3为模拟试件生成示意图。其中(a)是在盒中生成模拟骨料,(b)是盒中模拟骨料自然堆积,(c)是模拟试件压实,(d)是压实后的模拟试件;
图4为进行模拟抗压试验后的模拟试件特征。其中(a)是模拟试件外观状态,(b)是模拟试件内部接触状态,(c)是模拟试件中心截面接触状态;
图5为进行抗压试验后的真实试件中心截面。
具体实施方式
下面根据具体实施例对本发明作进一步描述。
以下实施例中所用骨料为泡沫混凝土骨料与红砖骨料按2:1混合的再生轻骨料,骨料性能符合《轻集料及其试验方法第1部分轻集料》GB-T 17431.1-2010中工业废渣轻集料的要求。目标抗压试件尺寸为100mm×100mm×100mm。
以下实施例中模拟骨料内部颗粒间线性平行粘结接触模型的粘结参数赋值方法为:
(1)由于线性平行粘结接触模型的法向刚度和切向刚度可以由粘结的弹性模量、刚度比和粘结两端的颗粒粒径自动计算得到,故cluster内部ball之间线性平行粘结接触模型的粘结参数中的线性接触部分的法向刚度(kn)、切向刚度(ks)和粘结部分的法向刚度(pb_kn)、切向刚度(pb_ks)不直接赋值,改为分别对线性接触部分的弹性模量(deformability emod)、刚度比(deformability kratio)和粘结部分的弹性模量(pb_deformability emod)、刚度比(pb_deformability kratio)按实际值进行赋值,以考虑cluster内部ball的粒径大小对模拟骨料刚度的影响,使材料在宏观上更趋于各向同性。
(2)cluster内部ball之间线性平行粘结接触模型的粘结半径放大系数(pb_rmul)取1作为初值。对静压试验几乎没有影响的阻尼部分参数即法向临界阻尼比(dp_nratio)、切向临界阻尼比(dp_sratio)和阻尼模式(dp_mode)均取0,以简化模型。除了决定颗粒间粘结力大小的粘结张量强度(pb_ten)和粘聚力(pb_coh)外,其他参数即线性接触部分的摩擦系数(fric)、参考间隙(rgap)、法向力更新模式(lin_mode)、线性外力(lin_force),和粘结部分的弯矩贡献系数(pb_mcf)、内摩擦角(pb_fa)、所受外力(pb_force)、所受外力矩(pb_moment)均按实际值选取。
(3)将pb_ten和pb_coh基于实际值以10%为梯度逐级放大(为了抵消cluster内部ball因重叠而产生的排斥力),每放大一次就进行一次运算,直到cluster内部ball在重叠产生的内力和pb_ten与pb_coh赋予的粘结力的综合作用下刚好不再“炸开”,此时的pb_ten和pb_coh取值作为初值。
(4)开展3组大孔隙混凝土的抗压强度试验,试验级配与配合比分别如表1、表2所示,其中C-1、C-2和C-3分别采用级配G-1、G-2和G-3,分别建立3组试验的离散元抗压试件模型,调整pb_rmul、pb_ten和pb_coh,使3组试件的应力-应变曲线的模拟结果与试验结果平均拟合度最高。此时的pb_rmul、pb_ten和pb_coh取值即为最终取值。
表1用于调整参数的试验级配
表2用于调整参数的试验配合比kg/m3
以下实施例中模拟骨料与模拟骨料之间线性平行粘结接触模型的粘结参数赋值方法为:
(1)kn、ks和pb_kn、pb_ks不直接赋值,分别改为对deformability emod、deformability kratio和pb_deformability emod、pb_deformability kratio按实际值进行赋值;
(2)pb_rmul取1,dp_nratio、dp_sratio和dp_mode取0,其他参数即fric、rgap、lin_mode、lin_force、pb_mcf、pb_ten、pb_coh、pb_fa、pb_force、pb_moment均按实际值选取。
以下实施例中各接触模型的参数实际值的获取和选择方法为:
(1)分别基于泡沫混凝土骨料和红砖骨料,对模拟骨料与墙体之间的线性接触模型参数、模拟骨料与模拟骨料之间的线性接触模型参数、模拟骨料内部颗粒间的线性平行粘结接触模型参数分别开展相应性能的测试试验,分别在2类骨料范围内计算各项性能3次试验结果的平均值。结果表明同一项性能在2类骨料范围内的试验结果平均值之间的最大差距小于30%,且试验结果平均值最小的红砖骨料在试件中的体积占比未达到50%,故各项性能的参数取该性能在2类骨料范围内3次试验结果平均值的平均值;
(2)针对模拟骨料与模拟骨料之间的线性平行粘结接触模型参数,对所用粘结浆体开展相应性能的测试试验,各项性能的参数取3次试验结果的平均值;
(3)模型重力加速度实际值取9.8m/s2。模拟骨料密度与阻尼系数实际值选取方法与上述(1)中各接触参数选取方法相同,骨料密度实际值取2231kg/m3,骨料阻尼系数实际值取0.7。
具体建模步骤如下,所有步骤均在离散元软件PFC3D(5.0版本)中进行。
(1)任选一个非针片状的骨料,根据选出的骨料形状和尺寸,采用三维几何图形(geometry)的形式绘制其外轮廓,如图2(a)所示。在绘制的骨料外轮廓内部,采用表3所示的参数生成刚性颗粒簇模板,最后利用刚性颗粒簇模板的表面形状自动计算惯性参数,如图2(b)所示。之后生成的所有模拟骨料的形状和惯性参数都与该刚性颗粒簇模板相同。生成100mm×100mm×5000mm的盒形墙体B1,将B1内部的空间P作为构建抗压试件模型的主要操作空间。
表3根据几何图形生成刚性颗粒簇模板的参数
(2)考虑表4中级配,将不同粒径的骨料进行均匀混合,将混合后的骨料分别加入且刚好装满3个100mm×100mm×100mm的模具中,分别对3个模具中的骨料进行筛分并统计各个粒径档位的骨料的个数,取3个模具中的各个粒径档位的骨料的个数的均值作为目标抗压试件中各个粒径档位的骨料的估算个数。基于刚性颗粒簇模板在空间P中生成一个默认大小的刚性颗粒簇,如图2(c)所示,并采用fish语言编写函数获取其粒径作为默认粒径,然后将该刚性颗粒簇删除。生成模拟骨料前,按目标比例设置模拟骨料默认粒径的放缩倍数,以使生成的模拟骨料满足级配要求,目标比例为目标粒径与默认粒径的比值。设置好不同粒径骨料的放缩倍数后,在空间P内基于刚性颗粒簇模板分别按各个粒径档位的骨料的估算个数的2.0倍生成不重叠(指模拟骨料之间不重叠)且方位、倾角和高度随机的刚性颗粒簇(clump),作为初始的模拟骨料,如图3(a)所示。
表4目标试件级配
(3)采用fish语言编写函数获取各个clump的组成单元(pebble)的坐标和半径,然后按获取的坐标和半径生成球体颗粒(ball),由同一个clump得到的所有ball都赋予对应clump的编号,最后删除所有clump。将赋予了同一个编号的ball之间的接触作为模拟骨料内部ball之间的接触。对模拟骨料内部ball之间选择线性平行粘结接触模型并赋予粘结参数以模拟真实骨料的自身强度(粘结参数赋予的粘结强度,一部分用来抵消骨料内部ball之间因重叠而产生的排斥力,另一部分用来还原真实骨料的强度),并基于表1中级配和表2中配合比开展试验和模拟,对pb_rmul、pb_ten和pb_coh进行调整优化,优化后的具体参数如表5所示。此时所有的clump都转化为了柔性颗粒簇(cluster),作为最终的模拟骨料。
表5模拟骨料内部颗粒间线性平行粘结接触模型参数
(4)对墙体与模拟骨料、模拟骨料与模拟骨料之间选择线性接触模型并按实际值赋予接触参数,具体参数如表6所示,以防止模拟骨料因“穿墙”而“逃离”操作空间P,以及防止模拟骨料之间发生较大重叠,其中将赋予了不同编号的ball之间的接触作为模拟骨料与模拟骨料之间的接触。按实际值赋予模拟骨料阻尼系数、密度以及模型重力加速度,让模拟骨料在空间P内自然下落,并设置当模型整体的平均不平衡力与平均力的比值aratio低于r时停止运算,即下落终止,此时认为骨料已自然堆积完毕,其中参数r的确定方法为:设置r值初始值为0.01,运算中观察实时的aratio值,当其在30秒内的变化幅度不超过0.05时,以30秒内出现的aratio最大值作为最终r值,本实施例中实测最终r值为0.08。
表6墙面-模拟骨料、模拟骨料-模拟骨料间线性接触模型参数
(5)取空间P内部从其底面至底面上方100mm处的空间S作为模拟抗压试件的存在和诞生空间。将重心高度在空间S的顶面上方50mm以上的模拟骨料删除。在空间S的底面和顶面上方100mm处分别生成尺寸为120mm×120mm的正方形水平向的墙体W2和W1,以模拟试件压实时需要的上下承压板,如图3(c)所示。设置W1以每秒20mm的速度向下移动,以模拟试件压实过程,采用fish语言编写函数监测W1受到的竖向力,当其达到0.01MPa时结束压实。最后将重心高度在空间S的顶面上方的模拟骨料删除。
(6)将赋予了不同编号的ball之间的接触作为模拟骨料与模拟骨料之间的接触。模拟骨料间选择线性平行粘结接触模型并按实际值赋予粘结参数,将(4)中设置的模拟骨料间的线性接触模型覆盖掉,具体参数如表7所示,以模拟骨料间的浆体粘结。粘结厚度取0.1mm。赋予粘结后删除盒形墙体B1,即去除模拟试件的侧向约束,得到试件模型如图3(d)所示。
表7模拟骨料间线性平行粘结接触模型参数
对三组抗压试件模型分别进行抗压强度模拟试验。图4(a)中可以看出试验后的试件已经产生了较大的变形,且边角处存在部分模拟骨料自身压碎后掉落的“碎片”。图4(b)中蓝色部分为模拟骨料内部的粘结接触,绿色部分为模拟骨料间的粘结接触,可以看出模拟试件压碎后,部分模拟骨料内的“Y”字型接触断裂为“一”字型接触,模拟骨料间的接触也剩余不多。图4(c)中绿色部分为模拟骨料内部的粘结接触,红色部分为模拟骨料间的粘结接触,可以看出模拟试件压碎后,中心截面的模拟骨料间的粘结接触寥寥无几,而模拟骨料内部的粘结接触相对更多,对比分析多个截面均有此规律,可判断出该试件的破坏形式为浆体粘结破坏,这与图5中进行了抗压试验后的真实试件中心截面破坏特征一致。将模拟结果与实际试验结果进行对比,如表8所示,模拟结果与实际结果较为接近,平均误差为5.8%。
综上,本发明对大空隙混凝土的抗压试验过程和抗压试验结果都做出了较好的还原,通过对模拟试验前后的模型内部骨料、接触和力链等细部组成和特征展开分析,可得到较为准确的破坏形式、传力路径和级配特性等模拟细节,为实际试件的性能分析和配比优化提供有力指导。
表8抗压强度模拟计算结果与实际试验结果对比
以上所述仅是为清楚地说明本发明所做的举例,而并非是对本发明实施方式的限定,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和替换,这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于离散元的大孔隙混凝土抗压试件模型构建方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)任选一个非针片状的骨料,根据选出的骨料形状和尺寸,绘制骨料外轮廓的三维几何图;
(2)基于绘制的骨料外轮廓三维几何图,生成刚性颗粒簇模板;
(3)基于生成的刚性颗粒簇模板,按级配生成刚性颗粒簇作为初始的模拟骨料;
(4)将生成的刚性颗粒簇转为柔性颗粒簇作为最终的模拟骨料;
(5)对最终的模拟骨料进行模拟装料;
(6)对模拟装料后的试件进行模拟压实,并删除多余模拟骨料;
(7)模拟压实后,在模拟骨料间赋予粘结,建立抗压试件模型。
2.根据权利要求1所述的基于离散元的大孔隙混凝土抗压试件模型构建方法,其特征在于:所述步骤(2)中基于绘制的骨料外轮廓三维几何图生成刚性颗粒簇模板的方法为:
(21)在绘制的骨料外轮廓内部,采用如下参数生成刚性颗粒簇模板的表面形状:表面平整度取使颗粒个数为4-8个时的数值,最小颗粒与最大颗粒的半径之比在0.3-0.5,颗粒伸出骨料外轮廓边界的长度与颗粒半径的比例在1.00-1.05;
(22)利用生成的刚性颗粒簇模板表面形状自动计算惯性参数。
3.根据权利要求1所述的基于离散元的大孔隙混凝土抗压试件模型构建方法,其特征在于:所述步骤(3)中基于生成的刚性颗粒簇模板,按级配生成刚性颗粒簇的方法为:
(31)按目标抗压试件的级配将不同粒径的骨料进行均匀混合,将混合后的骨料分别加入且刚好装满m个目标抗压试件大小的模具中,分别对m个模具中的骨料进行筛分并统计各个粒径档位的骨料的个数,取m个模具中的各个粒径档位的骨料的个数的均值作为目标抗压试件中各个粒径档位的骨料的估算个数,其中m≥3;
(32)基于刚性颗粒簇模板在空间P中生成一个默认大小的刚性颗粒簇,并获取其粒径作为默认粒径,然后将该刚性颗粒簇删除,其中空间P为B1内部空间,B1为按目标抗压试件尺寸的50倍高生成的封闭盒形墙体;
(33)基于刚性颗粒簇模板分别按目标抗压试件中各个粒径档位的骨料的估算个数的1.5-2.0倍在空间P中生成不重叠且方位、倾角和高度随机的刚性颗粒簇,作为初始的模拟骨料,其中模拟骨料粒径的控制方法为:生成模拟骨料前,按目标比例设置模拟骨料默认粒径的放缩倍数,目标比例为目标粒径与默认粒径的比值。
4.根据权利要求1所述的基于离散元的大孔隙混凝土抗压试件模型构建方法,其特征在于:所述步骤(4)中将生成的刚性颗粒簇转化为柔性颗粒簇的方法为:
(41)获取各个刚性颗粒簇的组成单元的坐标和半径,然后按获取的坐标和半径生成球体颗粒;由同一个刚性颗粒簇得到的所有球体颗粒,都赋予对应刚性颗粒簇的编号,最后将所有刚性颗粒簇删除;
(42)将赋予了同一个编号的球体颗粒之间的接触作为模拟骨料内部颗粒间的接触;对模拟骨料内部的组成颗粒之间选择线性平行粘结接触模型并赋予粘结参数,以模拟真实骨料的自身强度。
5.根据权利要求4所述的一种基于离散元的大孔隙混凝土抗压试件模型构建方法,其特征在于:步骤(42)中,模拟骨料内部颗粒之间线性平行粘结接触模型的粘结参数赋值方法为:
(421)分别对线性接触部分的弹性模量、刚度比和粘结部分的弹性模量、刚度比按实际值进行赋值,粘结半径放大系数取1作为初值;阻尼部分参数即法向临界阻尼比、切向临界阻尼比和阻尼模式取0;除了粘结张量强度和粘聚力外,其他参数即线性接触部分的摩擦系数、参考间隙、法向力更新模式、线性外力,和粘结部分的弯矩贡献系数、内摩擦角、所受外力、所受外力矩均按实际值选取;
(422)将粘结张量强度和粘聚力基于实际值以10%为梯度逐级放大,每放大一次就进行一次模拟运算,直到模拟骨料内部颗粒在重叠产生的内力和粘结张量强度与粘聚力赋予的粘结力的综合作用下刚好不再“炸开”,此时粘结张量强度和粘聚力取值作为初值;
(423)开展3组大孔隙混凝土的抗压强度试验,分别建立3组试验的离散元抗压试件模型,调整粘结半径放大系数、粘结张量强度和粘聚力,使3组试件的应力-应变曲线的模拟结果与试验结果平均拟合度最高,此时的粘结半径放大系数、粘结张量强度和粘聚力取值即为最终取值。
6.根据权利要求5所述的基于离散元的大孔隙混凝土抗压试件模型构建方法,其特征在于:所述步骤(5)中对最终的模拟骨料进行模拟装料的方法为:
(51)对墙体与模拟骨料、模拟骨料与模拟骨料之间选择线性接触模型并按实际值赋予参数,其中将赋予了不同编号的球体颗粒之间的接触作为模拟骨料与模拟骨料之间的接触;
(52)按实际值赋予模拟骨料阻尼系数、密度以及模型重力加速度,让模拟骨料在空间P内自然下落,并设置下落终止条件。
7.根据权利要求6所述的基于离散元的大孔隙混凝土抗压试件模型构建方法,其特征在于:步骤(52)中,设置的模拟骨料下落终止条件,包括:
(521)当模型整体的平均不平衡力与平均力的比值aratio低于r时停止运算,即下落终止,此时认为骨料已自然堆积完毕;
(522)参数r的确定方法为:设置r值初始值为0.01,运算中观察实时的aratio值,当其在30秒内的变化幅度不超过0.05时,以30秒内出现的aratio最大值作为最终r值。
8.根据权利要求7所述的一种基于离散元的大孔隙混凝土抗压试件模型构建方法,其特征在于:各参数的实际值,获取和选择方法为:
S1.模拟骨料与墙体之间的线性接触模型参数、模拟骨料与模拟骨料之间的线性接触模型参数、模拟骨料内部颗粒间的线性平行粘结接触模型参数:基于所用的所有类型的骨料开展相应性能的测试试验,分别在每一类骨料范围内计算各项性能3次试验结果的平均值;若满足下列条件之一,则所涉及的性能参数取该性能在各类骨料范围内3次试验结果平均值的最小值,否则该项性能的参数取该性能在各类骨料范围内3次试验结果平均值的平均值;
①同一项性能在各类骨料范围内的试验结果平均值之间的最大差距大于80%;
②同一项性能在各类骨料范围内的试验结果平均值之间的最大差距大于30%,且均值最小的一类骨料在试件中的体积占比达到30%以上;
③同一项性能在各类骨料范围内的试验结果平均值最小的一类骨料在试件中的体积占比达到50%以上;
S2.模拟骨料与模拟骨料之间的线性平行粘结接触模型参数:对所用粘结浆体开展相应性能的测试试验,各项性能的参数取3次试验结果的平均值;
S3.模型重力加速度按当地实际值选取;模拟骨料阻尼系数与密度实际值选取方法与上述S1中各接触参数选取方法相同。
9.根据权利要求1所述的基于离散元的大孔隙混凝土抗压试件模型构建方法,其特征在于:所述步骤(6)中对模拟装料后的试件进行模拟压实,并删除多余模拟骨料的方法为:
(61)将重心高度在空间S的顶面上方50mm以上的模拟骨料删除,在空间S的底面和顶面上方100mm处分别生成边长大于b mm的水平向的墙体W2和W1,以模拟试件压实时需要的上下承压板,其中空间S为空间P内部从其底面至底面上方a mm处的空间,a mm为目标抗压试件的高度,b mm为目标抗压试件的底面边长;
(62)设置墙体W1以每秒20mm的速度向下移动,以模拟试件压实过程,监测墙体W1受到的竖向力,当其达到0.01MPa时结束压实;将重心高度在空间S的顶面上方的模拟骨料删除。
10.根据权利要求1所述的基于离散元的大孔隙混凝土抗压试件模型构建方法,其特征在于:所述步骤(7)中在模拟骨料间赋予粘结,建立抗压试件模型的方法为:将赋予了不同编号的球体颗粒之间的接触作为模拟骨料与模拟骨料之间的接触;模拟骨料间选择线性平行粘结接触模型,分别对线性接触部分的弹性模量、刚度比和粘结部分的弹性模量、刚度比按实际值进行赋值,粘结半径放大系数取1,阻尼部分参数即法向临界阻尼比、切向临界阻尼比和阻尼模式取0,其他参数即线性接触部分的摩擦系数、参考间隙、法向力更新模式、线性外力,和粘结部分的弯矩贡献系数、粘结张量强度、粘聚力、内摩擦角、所受外力、所受外力矩均按实际值选取;粘结厚度取0.1mm-1.0mm;赋予粘结后删除盒形墙体B1,即去除模拟试件的侧向约束。
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