CN115205486A - 混凝土三维细观数值模型构建方法及氯离子传输仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种混凝土三维细观数值模型构建方法及氯离子传输仿真系统，该方法首先利用Monte‑Carlo法、Fuller级配关系、德洛内三角网算法随机生成混凝土三维多面体集料，然后按照集料粒径从大到小排序后进行随机投放，在投放的过程生成多面体集料的界面区并根据重叠判别准则建立全部多面体集料及其界面区，完成混凝土三维细观数值模型的构建；本发明所生成的多面体集料在形状、粒径、分布等具有随机性，更符合实际情况，且计算效率高；同时，基于混凝土三维细观数值模型建立的氯离子传输仿真系统，可克服混凝土内氯离子传输数值仿真研究当中大多数将集料形状假定为规则球形或椭球形等与实际情况不符的问题。

Description

混凝土三维细观数值模型构建方法及氯离子传输仿真系统

技术领域

本发明涉及混凝土细观模型技术领域，特别是一种混凝土三维细观数值模型构建方法及氯离子传输仿真系统。

背景技术

混凝土在工程建设中有着广泛地应用，但在海洋环境条件下，钢筋混凝土耐久性破坏一直是威胁结构使用寿命的一个重要且亟待解决的问题。特别是沿海地区钢筋混凝土结构耐久性破坏现象极其严重，海洋环境下钢筋混凝土结构大部分都属于露天工程，所处服役环境复杂，所受影响因素众多。

混凝土是一种复杂的多相复合性物质，现阶段数值模拟研究中普遍将混凝土的细观结构考虑为由水泥浆体、集料以及界面区共同组成的三相非均质材料。其集料的随机生成及投放技术是混凝土耐久性计算研究的重要部分。

现有的混凝土细观数值模型研究成果中，多数学者将混凝土中的集料简化为圆形、球形或凸多边形、凸多面体。

但是实际当中的集料形状不一定是完全的凸多面体，有可能局部是凹陷的形状，在生成随机凸多面体集料过程中，随机凸多面体集料的各顶点是在其外接球的球面上，这与实际情况不相符。并且，上述模型会对氯离子在混凝土中的传输过程产生影响，因此现有的混凝土三维细观模型的构建方式具有局限性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种混凝土三维细观数值模型构建方法及氯离子传输仿真系统，该方法利用Monte-Carlo法、Fuller级配关系、德洛内三角网算法生成混凝土多面体集料并构建混凝土三维细观数值模型，然后根据该细观数值模型建立其内氯离子传输仿真系统。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供的混凝土三维细观数值模型构建方法，包括以下步骤：

S1：构建三维多面体集料模型，根据集料粒径范围生成不同粒径大小的三维多面体集料；

S2：将三维多面体集料按照粒径d_i从大到小进行排序，并按照排列顺序随机投放第i个多面体集料。通过Monte-Carlo法随机在L×M×H的混凝土三维细观模型线框中生成第i个多面体集料最小外接球的球心坐标；

重叠判别：判断第i个多面体集料是否会与之前已投放的i-1个集料重叠。采用多面体集料最小外接球球心距L_i,j与多面体集料最小外接球的半径之和L_r-i,j二者的关系来进行重叠判别，记录并保存满足条件L_i,j≥L_r-i,j的多面体集料几何信息；

其中，L_i,j为相邻两多面体集料最小外接球球心距；L_r-i,j为相邻两多面体集料最小外接球半径之和；

S3：构建并生成第i个多面体集料的界面区，记录第i个多面体集料的界面区信息；

S4：直到全部多面体集料投放完毕，即完成混凝土三维细观数值模型的构建。

进一步，所述步骤S1中构建三维多面体集料模型按照以下步骤进行：

步骤(1)：确定三维多面体集料模型中的基本参数；

步骤(2)：随机生成第i个多面体集料粒径d_i；

步骤(3)：判断集料粒径d_i是否满足d_min≤d_i≤d_max，若满足，继续执行步骤(4)，若不满足，则返回重新执行步骤(2)；其中，集料最小粒径d_min、最大粒径d_max；

步骤(4)：生成粒径为d_i的多面体集料模型；

步骤(5)：计算第i个集料体积v_ai并按照以下方式判断是否满足集料体积占比C_a0：

判断第i个集料体积占比C_ai是否满足C_ai≥C_a0，若满足，则继续执行步骤(6)，若不满足，则返回重新执行步骤(2)；其中，C_ai为第i个集料体积占比；v_ai为第i个多面体集料体积；其中，C_a0表示集料体积占比，即多面体集料体积占与之对应的外接球体积；

步骤(6)：记录并保存第i个多面体集料信息；

步骤(7)：按照以下方式判断集料是否生成完毕：

判断集料累计体积v_a是否满足v_a≥v_as，若不满足，令i＝i+1，返回步骤(2)；若满足，则三维多面体集料生成完毕，其中，v_as为混凝土集料体积。

进一步，所述步骤(2)中的第i个多面体集料粒径d_i按照以下步骤生成：

根据Monte-Carlo算法生成区间[0,1]内的任意随机数F_i，并根据Fuller级配公式(1)求解得到符合Fuller级配曲线的多面体集料粒径d_i；

其中，d_i表示第i个集料的粒径。

进一步，所述步骤(4)的多面体集料模型按照以下方式构建：

以(0,0,0)为中心点坐标生成直径为d_i的球，在球内及球面上任意取点并根据所取的点采用德洛内三角网算法构建粒径为d_i的多面体集料。

进一步，所述步骤(5)中的集料体积占比C_ai按照以下公式计算：

C_ai＝v_ai/v_si＝v_ai/(π*d_i ³/6) (2)

式中：C_ai为第i个集料体积占比；v_ai为第i个多面体集料体积；v_si为第i个集料对应的最小外接球的体积；d_i为第i个集料粒径。

进一步，所述步骤S2的重叠判别按照以下步骤进行：

按照以下公式计算多面体集料最小外接球球心距L_i,j与多面体集料最小外接球的半径之和L_r-i,j：

式中：L_i,j为相邻两多面体集料最小外接球球心距；L_r-i,j为相邻两多面体集料最小外接球半径之和；

判断L_i,j是否满足L_i,j≥L_r-i,j，若不满足，返回并重新随机投放下一个多面体集料，若满足，则保存并更新第i个多面体集料的几何信息。

进一步，所述步骤S3按照以下步骤构建并生成第i个多面体集料的界面区：

步骤S31：设置界面区基本参数；

步骤S32：生成第i个多面体集料的界面区，多面体集料界面区厚度按以下公式计算；

t_itz＝δ*R (4)

式中：t_itz为界面区厚度；δ为界面区厚度倍数；R为集料最小外接球中心点距离多面体角点的距离；

将多面体集料外接球球心O与集料任一角点A相连，得到集料中心点与角点A的距离R_OA，延长R_OA的δ倍至A’点，延长距离即为该处界面过渡区厚度t_itz；

其中，A’点坐标的计算表达式为：

式中：(x₀,y₀,z₀)为多面体集料中心点的坐标；(x_A,y_A,z_A)为集料角点A的坐标；(x_A’,y_A’,z_A’)为生成的界面区角点A’的坐标；δ为界面区厚度倍数；

步骤S33：记录第i个多面体集料界面区的信息；

步骤S34：判断集料界面区是否生成完毕：判断i是否满足i≥n_a，若不满足，则令i＝i+1，返回循环执行步骤S32，若满足，则全部多面体集料的界面区生成完毕。其中，n_a表示已生成的集料数量。

本发明提供的基于混凝土三维细观数值模型的氯离子传输仿真系统，包括混凝土多面体集料细观数值模型构建模块、氯离子传输参数模块、氯离子传输过程仿真分析模块和仿真结果输出模块；

所述混凝土多面体集料细观数值模型构建模块，用于构建不同集料含量、粒径、界面区特征的混凝土多面体集料细观数值模型；

所述氯离子传输参数模块，用于输入、设置混凝土三维细观数值模型中氯离子传输过程仿真分析的重要参数；

所述氯离子传输过程仿真分析模块，用于分析混凝土多面体集料细观数值模型中氯离子传输浓度的时空分布特征；

所述仿真结果输出模块，用于输出混凝土多面体集料细观数值模型中氯离子分布的数值仿真计算结果。

进一步，所述混凝土多面体集料细观数值模型构建模块包括三维多面体集料生成单元、三维多面体集料投放单元、多面体集料的界面区生成单元；

所述三维多面体集料模型构建单元，用于根据集料粒径范围构建并生成不同粒径大小的三维多面体集料；

所述三维多面体集料投放单元，用于将按照粒径排序的三维多面体集料以不重叠的方式进行随机投放；

所述多面体集料的界面区生成单元，用于生成并保存各个多面体集料界面区域信息。

进一步，所述氯离子传输参数模块包括氯离子传输参数输入单元和氯离子传输参数设置单元；所述氯离子传输参数输入单元，用于输入混凝土三维细观数值模型的表面氯离子浓度、初始氯离子含量和混凝土材料各细观组成相的氯离子扩散系数；

所述氯离子传输参数设置单元，包括氯离子传输维度子单元、氯离子传输方程子单元、氯离子传递属性子单元、网格精密程度划分子单元。所述氯离子传输维度子单元，用于设置混凝土三维细观模型中氯离子传输的维度；所述氯离子传输方程子单元，用于设置混凝土材料各组成相中的氯离子传输方程；所述氯离子传递属性子单元，用于设置混凝土材料各组成相中的氯离子传递属性；所述网格精密程度划分子单元，用于划分混凝土材料各组成相的网格精密程度。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的混凝土三维细观数值模型构建方法及氯离子传输仿真系统，该方法从细观尺度出发，将混凝土视为由水泥浆体、集料及界面区共同组成的三相非均质复合材料，基于Monte-Carlo法、Fuller级配关系、德洛内三角网算法等手段，提出生成多面体集料及界面区的混凝土三维细观模型构建方法。根据有限元FEM原理，基于COMSOL稀物质传递模块模拟混凝土三维细观模型内部氯离子的传输过程，建立混凝土三维细观模型内氯离子传输仿真方法及系统。

相比于其他的混凝土细观数值模型，本实施例建立的混凝土三维细观数值模型具有以下优点：

(1)从细观尺度出发，考虑了混凝土材料的不均匀性，建立了水泥浆体、多面体集料及界面区的三相细观数值模型。

(2)基于Monte-Carlo法、Fuller级配关系、德洛内三角网算法等手段，提出混凝土多面体集料的随机生成及投放算法。相比于传统的延凸算法，本发明算法简洁，计算效率高，生成的集料形状、粒径、分布等具有随机性，满足Fuller级配，更符合实际情况。

(3)引入集料体积占比的概念，避免生成畸形混凝土集料，可极大程度地提高混凝土多面体集料的生成及投放效率。

(4)提出界面区厚度倍数，考虑了界面区厚度与集料形状、尺寸的关系，本发明生成的多面体集料，不仅可以是凸多面体，还可以是凹陷形的多面体，更符合混凝土材料中多面体集料的实际情况。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为四面体单元角点坐标图示。

图2为界面区生成的几何图示。

图3为总体算法流程图。

图4为混凝土三维细观模型。

图5为氯离子传输仿真系统中的混凝土三维细观数值模型。

图6为模型网格划分示意图。

图7为混凝土三维细观数值模型中氯离子传输仿真计算结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1至图4所示，本实施例提供的混凝土三维细观数值模型构建方法，包括以下步骤：

S1：构建三维多面体集料模型，并根据集料粒径范围生成不同粒径大小的三维多面体集料，具体过程如下：

步骤(1)：确定混凝土三维细观模型中混凝土试件的基本参数，所述基本参数包括混凝土试件的几何尺寸：试件的长L、宽W、高H，以及集料体积分数V_a，集料最小粒径d_min、最大粒径d_max，集料体积占比C_a0(多面体集料体积占与之对应的外接球体积)等基本参数；

步骤(2)：根据混凝土三维细观模型中混凝土试件的尺寸随机生成第i个多面体集料粒径d_i；

本实施例根据Monte-Carlo算法生成区间[0,1]内的任意随机数F_i，并根据Fuller级配公式(1)求解得到符合Fuller级配曲线的多面体集料粒径d_i；

其中，d_i表示第i个集料的粒径。

步骤(3)：判断集料粒径d_i是否满足d_min≤d_i≤d_max，若满足，继续执行步骤(4)，若不满足，则返回重新执行步骤(2)；

步骤(4)：采用德洛内三角网算法构建粒径为d_i的多面体集料模型，以(0,0,0)为中心点坐标生成直径为d_i的球，在球的八个象限上任意取点，保证该球是随机多面体的最小外接球，即可认为该多面体集料的粒径为d_i；(经观察统计，混凝土集料一般有16～20个顶点，考虑到空间内任意取点时，许多点会在生成的多面体内部，故在球内或球面上任取20个点，采用德洛内三角网算法构建混凝土多面体集料模型。经统计，生成的集料模型约有15～22个顶点，符合实际情况。)

步骤(5)：计算集料体积v_ai并判断这第i个集料是否满足集料体积占比C_a0的要求，以球心为顶点，将已构建的多面体集料模型划分为多个四面体，基于式(2)计算粒径为d_i的第i个集料体积v_ai，为了避免畸形集料的产生和提高投放效率，引入集料体积占比C_a0，即多面体集料体积占与之对应的外接球体积；见式(3)：

当已知第i个四面体中四个顶点的坐标：A(0,0,0)，B(x_Bi,y_Bi,z_Bi)，C(x_Ci,y_Ci,z_Ci)，D(x_Di,y_Di,z_Di)时，可利用式(2)计算得到四面体的体积。如图1所示，图1为四面体单元角点坐标图示。

C_ai＝v_ai/v_si＝v_ai/(π*d_i ³/6) (3)

式中：C_ai为第i个集料体积占比；v_ai为第i个多面体集料体积；v_si为第i个集料对应的最小外接球的体积；d_i为第i个集料粒径，本实施例中C_a0取≥0.5。

判断C_ai是否满足C_ai≥C_a0，若满足，则继续执行步骤(6)，若不满足，则返回重新执行步骤(2)。

步骤(6)：记录并保存第i个多面体集料信息(包括：粒径、角点坐标、体积等)至统一数组中，方便后续调用。

步骤(7)：判断集料是否生成完毕，计算已生成的集料体积v_a＝v_a(i-1)+v_ai，而混凝土内需生成的集料总体积v_as如下：

v_as＝L*M*H*V_a (4)

式中：v_as为混凝土集料总体积；L、M、H分别为混凝土细观模型的长、宽、高；V_a为集料体积分数。

判断v_a是否满足v_a≥v_as，若不满足，令i＝i+1，返回步骤(2)；若满足，则混凝土多面体集料生成完毕。

本实施例提供的混凝土三维多面体集料模型是基于Monte-Carlo法、Fuller级配关系、德洛内三角网算法生成得到的，相比于其他方式建立的规则形状集料模型(圆形、球形、椭圆形、椭球体等)以及传统延凸算法构建的不规则形状集料模型，具有算法简洁，计算效率高，生成的集料符合实际混凝土集料形状等优点。

S2：混凝土三维细观数值模型中多面体集料的随机投放，具体过程如下：

步骤S21：设置集料投放基本参数，所述集料投放基本参数包括集料投放边界距离b_a，所述集料投放边界距离b_a为净浆层厚度，本实施例的净浆层厚度取b_a＝0.1mm，在所述净浆层厚度范围内无集料存在；

步骤S22：将生成的全部多面体集料按照粒径d_i从大到小降序排序，保证投放集料时按照粒径从大到小投放，可极大程度提高集料的投放效率；

步骤S23：随机投放第i个多面体集料：基于Monte-Carlo法随机在L×M×H的混凝土三维数值模型线框中生成第i个多面体集料最小外接球的球心坐标，其横、纵、竖坐标的取值范围如下：

步骤S24：重叠判别：判断第i个多面体集料是否会与之前已投放的i-1个集料重叠。采用多面体集料最小外接球球心距L_i,j与多面体集料最小外接球的半径之和L_r-i,j二者的关系来进行重叠判别。

式中：L_i,j为相邻两多面体集料最小外接球球心距；L_r-i,j为相邻两多面体集料最小外接球半径之和；

判断计算得到的L_i,j是否满足L_i,j≥L_r-i,j，若不满足，返回执行步骤S23，若满足，则继续执行步骤S25；

步骤S25：保存并更新第i个多面体集料的几何信息，所述几何信息包括粒径、角点数量、角点坐标、体积、最小外接球球心坐标等，本实施例中的几何信息保存至一个统一数组中，方便后续调用；

步骤S26：判断多面体集料是否投放完毕：判断i是否满足i≥n_a，若不满足，则令i＝i+1，返回循环执行步骤S23，若满足，则多面体集料投放完毕。

综上，本实施例提出的基于Monte-Carlo原理的混凝土多面体集料随机投放算法，能够更好地模拟实际混凝土中集料的随机分布。投放过程中，根据集料粒径从大到小依次投放，并进行重叠判别，算法简洁，投放效率高。

S3：构建并生成混凝土多面体集料界面区，具体过程如下：

步骤S31：设置界面区基本参数，所述界面区基本参数包括界面区厚度倍数δ等；

步骤S32：生成第i个多面体集料的界面区，多面体集料界面区厚度按以下公式计算；

t_itz＝δ*R (7)

式中：t_itz为界面区厚度；δ为界面区厚度倍数；R为集料最小外接球中心点距离多面体角点的距离；

将多面体集料外接球球心O与集料任一角点A相连，得到集料中心点与角点A的距离R_OA，延长R_OA的δ倍至A’点，延长距离即为该处界面过渡区厚度t_itz。此时，A’点坐标的计算表达式为：

式中：(x₀,y₀,z₀)为多面体集料中心点的坐标；(x_A,y_A,z_A)为集料角点A的坐标；(x_A’,y_A’,z_A’)为生成的界面区角点A’的坐标；δ为界面区厚度倍数。如图2所示，图2为界面区生成的几何图示。

步骤S33：记录第i个多面体集料界面区的信息，所述界面区的信息包括界面区厚度、角点坐标等，本实施例中是将信息保存至统一数组中，方便后续调用；

步骤S34：判断集料界面区是否生成完毕，判断i是否满足i≥n_a，若不满足，则令i＝i+1，返回循环执行步骤S32，若满足，则全部多面体集料的界面区生成完毕；其中，n_a表示已生成的集料数量；

本实施例考虑到实际情况下混凝土集料界面区存在重叠、连通等情况，故无需对界面区进行重叠判别，大大提高了计算效率。

综述上述，本实施例提供的混凝土三维细观模型构建方法，具体过程如下：通过随机生成混凝土多面体集料，然后对多面体集料进行随机投放，并构建多面体集料的界面区，如图3所示，图3为总体算法流程图，通过该流程可以得到长、宽、高分别为L、M、H的混凝土多面体集料及界面区三维细观模型，如图4，图4为混凝土三维细观模型。本实施例中的v＝100*100*100mm³,V_a＝0.1,d_amin～d_amax＝5～31.5mm。

本实施例提出的多面体集料顶点在多面体最小外接球的球面或内部任意位置(相当于是在以球心为坐标原点，集料外接球所在空间坐标系oxyz的8个象限的任意位置都可以作为多面体集料的顶点)，这样更符合实际情况；避免了传统算法中仅可以生成随机凸多面体集料的局限性，传统方法中生成的随机凸多面体集料的各顶点是设置在其最小外接球的球面上，这与实际情况不完全相符，具体理由如下：

由于实际当中的集料形状不一定是完全的凸多面体，有可能局部是凹陷的形状，因此只设置多面体集料角点在其最小外接球球面的方式具有局限性。而本方法可实现在外接球球面和内部任意位置随机生成集料角点坐标，这样建立的集料模型就只是多面体而并不完全是凸多面体。

实施例2

本实施例根据上述混凝土多面体集料随机生成和投放算法以及界面区构建方法，得到混凝土三维细观数值模型，并在混凝土三维细观数值模型内进行氯离子传输仿真，相比传统的混凝土细观数值模型而言，本发明建立的多面体集料及界面区的混凝土三维细观数值模型更符合实际情况。

本实施例提供的基于混凝土三维细观数值模型的氯离子传输仿真系统，包括混凝土多面体集料细观数值模型构建模块、氯离子传输参数模块、氯离子传输过程仿真分析模块和仿真结果输出模块；

所述混凝土多面体集料细观数值模型构建模块，用于构建不同集料含量、粒径、界面区特征的混凝土多面体集料细观数值模型；

所述氯离子传输参数模块，用于输入和设置混凝土三维细观数值模型中氯离子传输过程仿真分析的重要参数；

所述氯离子传输过程仿真分析模块，用于分析混凝土多面体集料细观数值模型中氯离子传输浓度的时空分布特征；

所述仿真结果输出模块，用于输出混凝土多面体集料细观数值模型中氯离子分布的数值仿真计算结果。

其中，所述混凝土多面体集料细观数值模型构建模块包括三维多面体集料生成单元、三维多面体集料投放单元、多面体集料的界面区生成单元；

所述三维多面体集料模型构建单元，用于根据集料粒径范围构建并生成不同粒径大小的三维多面体集料；

所述三维多面体集料投放单元，用于将按照粒径排序的三维多面体集料以不重叠的方式进行随机投放；

所述多面体集料的界面区生成单元，用于生成并保存各个多面体集料界面区域信息。

其中，所述氯离子传输参数模块包括氯离子传输参数输入单元、氯离子传输参数设置单元；

所述氯离子传输参数输入单元，用于输入混凝土三维细观数值模型的表面氯离子浓度(边界条件)，初始氯离子含量(初始条件)，混凝土材料各细观组成相(水泥浆体、集料、界面区)的氯离子扩散系数等重要氯离子传输计算参数；

所述氯离子传输参数设置单元，包括：氯离子传输维度子单元、氯离子传输方程子单元、氯离子传递属性子单元、网格精密程度划分子单元。用于分别设置混凝土三维细观模型中氯离子传输的维度、混凝土材料各组成相(水泥浆体、集料、界面区)中的氯离子传输方程、氯离子传递属性并划分网格精密程度。

本实施例提供的基于混凝土三维细观数值模型的氯离子传输仿真系统，具体按照以下步骤进行构建和使用：

(1)创建仿真环境

在COMSOL Multiphysics软件中新建模型，在模型向导的空间维度中选择三维，在物理场中选择化学物质传递物理场，添加稀物质传递(tds)接口，点击完成，即可完成仿真环境的创建。

(2)在仿真环境中导入并构建混凝土三维细观数值模型

在模型开发器组件的几何模块中建立水泥浆体、集料、界面区模块，分别导入已构建的混凝土多面体集料模型、混凝土多面体集料界面区模型(直接导入2个“.dxf”格式的集料模型和集料界面区模型)。采用“层”的方法，分层建立水泥浆体域、界面区域、集料域并形成联合体，即可在COMSOL仿真环境中构建混凝土三维细观数值模型。如图5所示，图5为氯离子传输仿真系统中的混凝土三维细观数值模型。

(3)输入模型参数

在模型开发器的全局定义参数模块中，输入混凝土三维细观数值模型内氯离子传输数值仿真所需要的参数。包括：参考氯离子扩散系数D₂₈、参考扩散时间t₂₈、表面氯离子浓度C_s(t)、龄期系数m、无因次化界面区氯离子扩散系数N_itz等。考虑到氯离子扩散系数的时变性，在组件定义模块中设置氯离子扩散系数时变模型D_t(t)。设置混凝土三维细观数值模型各组成相的初始氯离子浓度为0，即：C₀＝0。考虑混凝土三维细观模型表面氯离子浓度的时变性，设置边界条件：C＝C_s(t)。

(4)设置氯离子传输方程

在模型开发器的稀物质传递模块中，设置氯离子在混凝土中的传输机理为“扩散”，控制方程采用Fick第二定律偏微分方程。

(5)设置氯离子传输维度

在模型开发器的稀物质传递模块中，根据不同的氯离子传输维度设置混凝土三维细观模型不同的封闭面和扩散面。其中，封闭面设置为无通量，扩散面浓度设置为时变的表面氯离子浓度C_s(t)。

(6)设置氯离子传递属性

在模型开发器的稀物质传递模块中，采用“层”的方法，分层设置传递属性。首先设置水泥浆体层，扩散系数定义为水泥浆体的时变扩散系数D_t(t)；随后，覆盖界面区层，界面区扩散系数定义为水泥浆体层扩散系数D_t(t)的N_itz倍；最后，覆盖集料层，该层的氯离子扩散系数设置为0。

(7)模型划分网格

在模型开发器的网格1模块中划分网格。仿真平台可自动划分网格，根据模型尺寸、计算精度等要求选择不同的网格大小。也可根据自身要求，调整网格的最大最小单元、曲率因子等进行网格优化。如图6所示，图6为模型网格划分。

(8)模型计算

选择瞬态研究模块，根据实际情况设置氯离子在混凝土三维细观数值模型中传输的时长、步长等数据，即可开展数值模型仿真计算。计算完成后，选择模型开发器中的结果模块，即可查看计算结果。如图7所示，图7为混凝土三维细观数值模型中氯离子传输仿真计算结果。

(9)数据分析

选择模型开发器中的结果模块，对氯离子传输计算结果进行分析。设定相应坐标的面平均取值，即可求得混凝土三维细观数值模型在任意时间、任意扩散深度处的氯离子浓度分布。

采用COMSOL有限元软件来对生成的混凝土三维细观模型进行其内氯离子传输数值仿真分析，操作简单、使用方便、功能多样、计算效率高。

本实施例提供的混凝土三维细观数值模型中氯离子传输仿真方法及系统，相比于物理试验，数值模拟不但成本低、周期短、效率高，且可以从细观角度探究多因素对混凝土中氯离子传输的影响。该技术方案能够在极大程度上克服混凝土三维模型中氯离子传输数值仿真研究中大多数将集料形状假定为规则的球形或椭球形从而导致与实际情况不符的问题。本实施例提供的方法从细观尺度出发，将混凝土视为由水泥浆体、集料及界面区共同组成的三相非均质复合材料，基于Monte-Carlo法、Fuller级配关系、德洛内三角网算法等手段，构建混凝土三维细观模型，根据有限元FEM原理，基于COMSOL稀物质传递模块模拟混凝土三维细观模型内部氯离子的传输过程，形成混凝土三维细观模型内氯离子传输仿真方法及系统。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.混凝土三维细观数值模型构建方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：构建三维多面体集料模型，根据集料粒径范围生成不同粒径大小的三维多面体集料；

S2：将三维多面体集料按照粒径d_i从大到小进行排序，并按照排列顺序随机投放第i个多面体集料，通过Monte-Carlo法随机在L×M×H的混凝土三维细观模型线框中生成第i个多面体集料最小外接球的球心坐标；

重叠判别：判断第i个多面体集料是否会与之前已投放的i-1个集料重叠。采用多面体集料最小外接球球心距L_i,j与多面体集料最小外接球的半径之和L_r-i,j二者的关系来进行重叠判别，记录并保存满足条件L_i,j≥L_r-i,j的多面体集料几何信息；

其中，L_i,j为相邻两多面体集料最小外接球球心距；L_r-i,j为相邻两多面体集料最小外接球半径之和；

S3：构建并生成第i个多面体集料的界面区，记录第i个多面体集料的界面区信息；

S4：直到全部多面体集料投放完毕，即完成混凝土三维细观数值模型的构建。

2.如权利要求1所述的混凝土三维细观数值模型构建方法，其特征在于：所述步骤S1中构建三维多面体集料模型按照以下步骤进行：

步骤(1)：确定三维多面体集料模型中的基本参数；

步骤(2)：随机生成第i个多面体集料粒径d_i；

步骤(3)：判断集料粒径d_i是否满足d_min≤d_i≤d_max，若满足，继续执行步骤(4)，若不满足，则返回重新执行步骤(2)；其中，集料最小粒径d_min、最大粒径d_max；

步骤(4)：生成粒径为d_i的多面体集料模型；

步骤(5)：计算第i个集料体积v_ai并按照以下方式判断是否满足集料体积占比C_a0：

判断第i个集料体积占比C_ai是否满足C_ai≥C_a0，若满足，则继续执行步骤(6)，若不满足，则返回重新执行步骤(2)，其中，C_ai为第i个集料体积占比，C_a0表示集料体积占比；

步骤(6)：记录并保存第i个多面体集料信息；

步骤(7)：按照以下方式判断集料是否生成完毕：

判断集料累计体积v_a是否满足v_a≥v_as，若不满足，令i＝i+1，返回步骤(2)；

若满足，则三维多面体集料生成完毕，其中，v_as为混凝土集料总体积。

3.如权利要求2所述的混凝土三维细观数值模型构建方法，其特征在于：所述步骤(2)中的第i个多面体集料粒径d_i按照以下步骤生成：

根据Monte-Carlo算法生成区间[0,1]内的任意随机数F_i，并根据Fuller级配公式(1)求解得到符合Fuller级配曲线的多面体集料粒径d_i；

其中，d_i表示第i个集料的粒径。

4.如权利要求2所述的混凝土三维细观数值模型构建方法，其特征在于：所述步骤(4)的多面体集料模型按照以下方式构建：

以(0,0,0)为中心点坐标生成直径为d_i的球，在球内及球面上任意取点并根据所取的点采用德洛内三角网算法构建粒径为d_i的多面体集料。

5.如权利要求2所述的混凝土三维细观数值模型构建方法，其特征在于：所述步骤(5)中的集料体积占比C_ai按照以下公式计算：

C_ai＝v_ai/v_si＝v_ai/(π*d_i ³/6) (2)

式中：C_ai为第i个集料体积占比；v_ai为第i个多面体集料体积；v_si为第i个集料对应的最小外接球的体积；d_i为第i个集料粒径。

6.如权利要求1所述的混凝土三维细观数值模型构建方法，其特征在于：所述步骤S2的重叠判别按照以下步骤进行：

按照以下公式计算多面体集料最小外接球球心距L_i,j与多面体集料最小外接球的半径之和L_r-i,j：

式中：L_i,j为相邻两多面体集料最小外接球球心距，L_r-i,j为相邻两多面体集料最小外接球半径之和；

判断L_i,j是否满足L_i,j≥L_r-i,j，若不满足，返回并重新随机投放下一个多面体集料；若满足，则保存并更新第i个多面体集料的几何信息。

7.如权利要求1所述的混凝土三维细观数值模型构建方法，其特征在于：所述步骤S3按照以下步骤构建并生成第i个多面体集料的界面区：

步骤S31：设置界面区基本参数；

步骤S32：生成第i个多面体集料的界面区，多面体集料界面区厚度按以下公式计算；

t_itz＝δ*R (4)

式中：t_itz为界面区厚度，δ为界面区厚度倍数，R为集料最小外接球中心点距离多面体角点的距离；

将多面体集料外接球球心O与集料任一角点A相连，得到集料中心点与角点A的距离R_OA，延长R_OA的δ倍至A’点，延长距离即为该处界面区厚度t_itz；

其中，A’点坐标的计算表达式为：

式中：(x₀,y₀,z₀)为多面体集料中心点的坐标；(x_A,y_A,z_A)为集料角点A的坐标；

(x_A’,y_A’,z_A’)为生成的界面区角点A’的坐标；δ为界面区厚度倍数；

步骤S33：记录第i个多面体集料界面区的信息；

步骤S34：判断集料界面区是否生成完毕：判断i是否满足i≥n_a，若不满足，则令i＝i+1，返回循环执行步骤S32，若满足，则全部多面体集料的界面区生成完毕；其中，n_a表示已生成的集料数量。

8.基于混凝土三维细观数值模型的氯离子传输仿真系统，其特征在于：包括混凝土多面体集料细观数值模型构建模块、氯离子传输参数模块、氯离子传输过程仿真分析模块和仿真结果输出模块；

所述混凝土多面体集料细观数值模型构建模块，用于构建不同集料含量、粒径、界面区特征的混凝土多面体集料细观数值模型；

所述氯离子传输参数模块，用于输入和设置混凝土三维细观数值模型中氯离子传输过程仿真分析的重要参数；

所述氯离子传输过程仿真分析模块，用于分析混凝土多面体集料细观数值模型中氯离子传输浓度的时空分布特征；

所述仿真结果输出模块，用于输出混凝土多面体集料细观数值模型中氯离子分布的数值仿真计算结果。

9.如权利要求8所述的基于混凝土三维细观数值模型的氯离子传输仿真系统，其特征在于：所述混凝土多面体集料细观数值模型构建模块包括三维多面体集料生成单元、三维多面体集料投放单元、多面体集料的界面区生成单元；

所述三维多面体集料模型构建单元，用于根据集料粒径范围构建并生成不同粒径大小的三维多面体集料；

所述三维多面体集料投放单元，用于将按照粒径排序的三维多面体集料以不重叠的方式进行随机投放；

所述多面体集料的界面区生成单元，用于生成并保存各个多面体集料界面区域信息。

10.如权利要求8所述的基于混凝土三维细观数值模型的氯离子传输仿真系统，其特征在于：所述氯离子传输参数模块包括氯离子传输参数输入单元和氯离子传输参数设置单元；

所述氯离子传输参数输入单元，用于输入混凝土三维细观数值模型的表面氯离子浓度、初始氯离子含量和混凝土材料各细观组成相的氯离子扩散系数；

所述氯离子传输参数设置单元包括氯离子传输维度子单元、氯离子传输方程子单元、氯离子传递属性子单元、网格精密程度划分子单元；

所述氯离子传输维度子单元；用于设置混凝土三维细观模型中氯离子传输的维度；

所述氯离子传输方程子单元；用于设置混凝土材料各组成相中的氯离子传输方程；

所述氯离子传递属性子单元；用于设置混凝土材料各组成相中的氯离子传递属性；

所述网格精密程度划分子单元；用于划分混凝土材料各组成相的网格精密程度。

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