CN115329642A - 纤维增强混凝土的参数化细观建模方法、设备及存储介质 - Google Patents

纤维增强混凝土的参数化细观建模方法、设备及存储介质 Download PDF

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CN115329642A
CN115329642A CN202211087477.9A CN202211087477A CN115329642A CN 115329642 A CN115329642 A CN 115329642A CN 202211087477 A CN202211087477 A CN 202211087477A CN 115329642 A CN115329642 A CN 115329642A
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李江南
龙志林
许福
印长俊
孙金磊
匡凤兰
徐鑫
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Abstract

本发明提供一种纤维增强混凝土的参数化细观建模方法、设备及存储介质，该方法步骤包括：S01.确定所需生成的纤维参数以及混凝土试件的边界条件；S02.根据纤维参数以及混凝土试件的尺寸计算出纤维数量；S03.在由边界条件所确定的区域内，根据纤维数量生成各个纤维的初始端点；S04.在由边界条件所确定的区域内，根据纤维直径依次生成各个纤维的初始端点对应的终点端点；S05.将生成的各个纤维的初始端点与对应的终点端点连接，生成不存在线段相交的多条纤维线段；S06以命令流的形式输入生成的数据信息进行参数化建模，得到所需纤维混凝土三维细观模型。本发明具有实现方法简单、建模效率以及精度高、灵活性强等优点。

Description

纤维增强混凝土的参数化细观建模方法、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及混凝土建模技术领域，尤其涉及一种纤维增强混凝土的参数化细观建模方法、设备及存储介质。
背景技术
混凝土作为工程中广泛应用的建筑材料，其抗压强度远远超过抗拉强度，而较差的抗拉强度往往会导致混凝土材料在实际工程中的受拉区极易产生裂缝进而发生破坏。在混凝土中掺入适量的纤维能够很好的改善混凝土的抗拉性能，即掺入纤维对混凝土的力学性能够带来很大的改变，因而当前对纤维混凝土的研究受受到了越来越多的关注。
为实现纤维混凝土的性能分析，现有技术中通常是采用仿真计算的方式，即首先建立合理的纤维混凝土模型，然后通过软件计算得出纤维混凝土的力学性能。但是实际要建立完全精准的纤维混凝土模型较为困难，尤其是在进行建模分析以及后期计算时，为适应于多种不同的应用场景，需要建立出多种不同的纤维混凝土模型进行分析，导致需要针对于不同应用场景重复构建出大量的维混凝土模型，不仅实现复杂、繁琐，且建模效率低，并不适用于需要进行多种情况建模与分析的场合。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种实现方法简单、易于实现、建模效率以及精度高、灵活性强，可以大大降低计算量，同时节省计算成本的纤维增强混凝土的参数化细观建模方法、设备及存储介质，能够适用于多种不同应用场景下，快速、高效的建模出多种所需的纤维混凝土模型。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种纤维增强混凝土的参数化细观建模方法，步骤包括：
S01.确定所需生成的纤维参数以及混凝土试件的边界条件，所述纤维参数包括纤维长度、纤维直径以及纤维含量；
S02.根据所述纤维参数以及混凝土试件的尺寸计算出纤维数量；
S03.在由所述混凝土试件的边界条件所确定的区域内，根据所述纤维数量生成个纤维的初始端点；
S04.在由所述混凝土试件的边界条件所确定的区域内，根据所述纤维直径依次生成各个所述纤维的初始端点对应的另一端的终点端点；
S05.将生成的各个所述纤维的初始端点与对应的另一端的终点端点连接，生成不存在任意两条线段相交的多条纤维线段；
S06以命令流的形式输入步骤S05生成的数据信息进行参数化建模，生成得到所需纤维混凝土三维细观模型。
进一步的，所述步骤S02步骤包括：
计算单根纤维体积Vf：
Figure BDA0003835753910000021
其中，L为纤维长度，D为纤维截面直径；
根据所述单根纤维体积Vf以及纤维体积掺量fv计算混凝土基体中所需纤维数量n：
Figure BDA0003835753910000022
其中，Vc为混凝土试件的体积。
进一步的，所述步骤S03包括：
S301.定义0～1之间的三个随机数rdm1,rdm2,rdm3；
S302.生成纤维初始端点node(m,1)，并根据所述混凝土试件的边界条件分别使用随机数rdm1,rdm2,rdm3随机生成每根纤维的初始端点的X、Y、Z坐标：
node(m,2)＝XR+rdm1×(XR-XL)
node(m,3)＝YT+rdm2×(YT-YB)
node(m,4)＝ZT+rdm3×(ZT-ZB)
其中，node(m,2)为随机生成的每根纤维的初始端点的X坐标，node(m,3)为随机生成的每根纤维的初始端点的Y坐标，node(m,4)为随机生成的每根纤维的初始端点的Z坐标，XL、XR分别为边界条件中X坐标方向上左、右边界值，YB、YT分别为边界条件中Y坐标方向上左、右边界值，ZB、ZT分别为边界条件中Z坐标方向上左、右边界值。
进一步的，所述步骤S04包括：
S401.定义0～1之间的三个随机数rdm4,rdm5,rdm6；
S402.使用随机数rdm4,rdm5,rdm6计算空间任意方向向量(vector_x，vector_y，vector_z)，其中vector_x，vector_y，vector_z分别是空间任意方向向量vector的X、Y、Z坐标；
S403.根据空间任意方向向量(vector_x，vector_y，vector_z)得到过初始端点的任意空间直线方程：
(X-node(m,2))/vector_x＝(Y-node(m,3))/vector_y＝(Z-node(m,4))/vector_z；
S404.计算位于所述任意空间直线方程上、与当前生成的初始端点(node(m,2)，node(m,3)，node(m,4))的空间距离为Fiber_L的点，Fiber_L为纤维直径；
S405.判断步骤S404得到的点是否位于所述边界条件所确定的区域内，如果是则得到所需的与当前初始端点对应的终点端点并进行保存，否则返回步骤S402以循环生成其他方向的空间直线，直至得到所有初始端点对应的终点端点。
进一步的，所述步骤S404中，得到位于所述任意空间直线方程上、与当前生成的初始端点(node(m,2)，node(m,3)，node(m,4))的空间距离为Fiber_L的两个点分别为(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，其中：
x1＝node(m,2)+Fiber_L*vector_x/((vector_x)**2+(vector_y)**2+(vector_z)**2)**0.5
y1＝node(m,3)+Fiber_L*vector_y/((vector_x)**2+(vector_y)**2+(vector_z)**2)**0.5
z1＝node(m,4)+Fiber_L*vector_z/((vector_x)**2+(vector_y)**2+(vector_z)**2)**0.5
以及
x2＝node(m,2)-Fiber_L*vector_x/((vector_x)**2+(vector_y)**2+(vector_z)**2)**0.5
y2＝node(m,3)-Fiber_L*vector_y/((vector_x)**2+(vector_y)**2+(vector_z)**2)**0.5
z2＝node(m,4)-Fiber_L*vector_z/((vector_x)**2+(vector_y)**2+(vector_z)**2)**0.5。
进一步的，所述步骤S405中，通过步骤S404得到的点是否同时满足以下判定条件：
Figure BDA0003835753910000041
如果判定到满足所述判定条件时，则判定步骤S404得到的点位于所述边界条件所确定的区域内，否则判定不位于所述边界条件所确定的区域内。
进一步的，所述步骤S05中，判断两条纤维线段是否相交的步骤包括：
取过一根纤维上两个纤维端点A、B的直线l1，在直线l1上取点A(x1,y1,z1)，取过另一根两个纤维端点M、N的直线l2，冰在直线l2上取点M(m1,n1,k1)，得到向量
Figure BDA0003835753910000042
若直线l1与直线l2异面，则判定直线l1、l2不相交，且向量
Figure BDA0003835753910000043
不共面，即
Figure BDA0003835753910000044
判定线段AB和线段MN范围内不相交，其中
Figure BDA0003835753910000045
分别为线段l1、l2的方向向量；
如果直线l1与直线l2共面且相交，则判定
Figure BDA0003835753910000046
共面且
Figure BDA0003835753910000047
不平行，即：
Figure BDA0003835753910000048
且x2-x1:y2-y1:z2-z1≠m2-m1:n2-n1:k2-k1，其中dOA+dOB>dAB，则判定交点O不在线段AB内，即AB与线段MN不相交；若
dOA+dOB＝dAB，则判定交点O在线段AB内，即AB与线段MN相交，doA为线段OA的距离，doB为线段OB的距离，dAB为线段AB的距离，O为直线l1、l2的交点；
若直线l1与直线l2平行，则判定
Figure BDA0003835753910000051
平行但不与向量
Figure BDA0003835753910000052
平行，判定线段AB与线段MN不相交；
若直线l1与直线l2重合，则判定线段AB与线段MN重合。
进一步的，所述步骤S06中，以ANSYS命令流的形式将步骤S05生成的数据信息输入至ANSYS软件中以进行参数化建模，通过修改命令流中参数以生成不同类型的纤维模型。
一种计算机设备，包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述计算机程序以执行如上述方法。
一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序执行时实现如上述的方法。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本实施例通过采用以命令流方式进行参数化建模，先确定出纤维参数、边界条件以及纤维数量，然后根据边界条件生成各个纤维的初始端点、终点端点，进而连接生成纤维线段，再将生成的信息以命令流的形式输入实现参数化建模，可以将复杂的建模过程转化命令流的形式完成，不仅能够大大的降低建模难度和建模时间，而且能够便于后续进行计算分析，从而大大减少工作量和计算难度；同时，基于以命令流方式的参数化建模，通过修改参数即可以方便的建立得到不同不同尺寸试块、不同纤维参数、不同纤维含量等不同类型的纤维混凝土模型以及混杂纤维模型，而无需重复进行大量的模型构建操作，可以大大提高模型构建的效率以及灵活性。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1是本发明实施例1纤维增强混凝土的参数化细观建模方法的实现流程示意图。
图2是本发明实施例1中实现纤维增强混凝土的参数化细观建模的详细流程示意图。
图3是本发明实施例1具体示例中生成的初始端点结果示意图。
图4是本发明实施例1具体示例中生成的终端点结果示意图。
图5是本发明实施例1具体示例中生成的纤维模型示意图。
图6是本发明实施例2生成的纤维模型示意图。
图7是发明实施例3生成的纤维模型示意图。
图8是本发明实施例4生成的纤维模型示意图。
图9是本发明实施例5生成的三种混杂纤维混凝土模型示意图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例1：
如图1所示，本实施例中纤维增强混凝土的参数化细观建模方法的步骤包括：
S01.确定所需生成的纤维参数以及混凝土试件的边界条件，纤维参数包括纤维长度Fiber_L、纤维直径Fiber_D以及纤维含量；
S02.根据纤维参数以及混凝土试件的尺寸计算出纤维数量；
S03.在由混凝土试件的边界条件所确定的区域内，根据纤维数量生成各个纤维的初始端点；
S04.在由混凝土试件的边界条件所确定的区域内，根据纤维直径依次生成各个纤维的初始端点对应的另一端的终点端点；
S05.将生成的各个纤维的初始端点与对应的另一端的终点端点连接，生成不存在任意两条线段相交的多条纤维线段；
S06.以命令流的形式输入步骤S05生成的数据信息进行参数化建模，生成得到所需纤维混凝土三维细观模型。
本实施例通过采用以命令流方式进行参数化建模，先确定出纤维参数、边界条件以及纤维数量，然后根据边界条件生成各个纤维的初始端点、终点端点，进而连接生成纤维线段，再将生成的信息以命令流的形式输入实现参数化建模，可以将复杂的建模过程转化命令流的形式完成，不仅能够大大的降低建模难度和建模时间，而且能够便于后续进行计算分析，从而大大减少工作量和计算难度；同时，基于以命令流方式的参数化建模，通过修改参数即可以方便的建立得到不同不同尺寸试块、不同纤维参数、不同纤维含量等不同类型的纤维混凝土模型以及混杂纤维模型，而无需重复进行大量的模型构建操作，可以大大降低计算量、节省计算成本，从而大大提高模型构建的效率以及灵活性。
本实施例步骤S01中具体可按照给定的纤维具体参数确定所需生成的纤维长度Fiber_L，纤维直径Fiber_D。设定混凝土试件的边界条件时，具体包括边界区域的X、Y、Z坐标方向上的边界值。本实施例以长方体形状试件为例，设定区域的边界条件XL、XR、YB、YT、ZB、ZT分别为长方体区域在x坐标、y坐标上、z坐标方向上的边界值。假设长方体形状试件的三边长度分别为La，Lb，Lc，则进一步可以得到混凝土试件的体积为Vc：
Vc＝La*Lb*Lc (1)
本实施例中，步骤S02步骤具体包括：
按照式(1)计算单根纤维体积Vf：
Figure BDA0003835753910000071
其中，L为纤维长度，D为纤维截面直径；
根据单根纤维体积Vf以及纤维体积掺量fv计算混凝土基体中所需纤维数量n：
Figure BDA0003835753910000072
其中，Vc为混凝土试件的体积。
可以理解的是，纤维数量具体也可以根据实际需求采用其他的计算方式得到。
本实施例中，步骤S03根据纤维数量Fiber_Num在长方体区域内生成各个纤维的初始端点，具体步骤包括：
S301.定义0～1之间的三个随机数rdm1,rdm2,rdm3；
S302.生成纤维初始端点node(m,1)，并根据混凝土试件的边界条件分别使用各随机数随机生成每根纤维的初始端点的X、Y、Z坐标：
node(m,2)＝XR+rdm1×(XR-XL) (4)
node(m,3)＝YT+rdm2×(YT-YB) (5)
node(m,4)＝ZT+rdm3×(ZT-ZB) (6)
其中，node(m,2)为随机生成的每根纤维的初始端点的X坐标，node(m,3)为随机生成的每根纤维的初始端点的Y坐标，node(m,4)为随机生成的每根纤维的初始端点的Z坐标，XL、XR分别为边界条件中X坐标方向上左、右边界值，YB、YT分别为边界条件中Y坐标方向上左、右边界值，ZB、ZT分别为边界条件中Z坐标方向上左、右边界值。
本实施例中，步骤S04在当前已经生成的Fiber_Num个初始端点的基础上，依次生成与初识端点之间的空间距离为Fiber_L且位于边界条件确定区域内的另外Fiber_Num个纤维端点，具体步骤包括：
S401.定义0～1之间的三个随机数rdm4,rdm5,rdm6；
S402.使用随机数rdm4,rdm5,rdm6计算空间任意方向向量(vector_x，vector_y，vector_z)，其中vector_x，vector_y，vector_z分别是X、Y、Z坐标；
S403.根据空间任意方向向量(vector_x，vector_y，vector_z)得到过初始端点的任意空间直线方程：
(X-node(m,2))/vector_x＝(Y-node(m,3))/vector_y＝(Z-node(m,4))/vector_z(7)
其中，向量(vector_x，vector_y，vector_z)不为零向量。
S404.计算位于任意空间直线方程上、与当前生成的初始端点(node(m,2)，node(m,3)，node(m,4))的空间距离为Fiber_L的点，Fiber_L为纤维直径；
S405.判断步骤S404得到的点是否位于边界条件所确定的区域内，如果是则得到所需的与当前初始端点对应的终点端点并进行保存，否则返回步骤S402以循环生成其他方向的空间直线，直至得到所有初始端点对应的终点端点。
在具体应用实施例中，上述步骤S402中具体按照下式得到空间任意方向向量：
Figure BDA0003835753910000081
由上式可知，vector_x，vector_y，vector_z是三个位于[-1,1]之间的随机数，则用向量(vector_x，vector_y，vector_z)可表示为空间任意方向向量。
本实施例步骤S404中，得到位于任意空间直线方程上、与当前生成的初始端点(node(m,2)，node(m,3)，node(m,4))的空间距离为Fiber_L的两个点分别为(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，其中：
x1＝node(m,2)+Fiber_L*vector_x/((vector_x)**2+(vector_y)**2+(vector_z)**2)**0.5
y1＝node(m,3)+Fiber_L*vector_y/((vector_x)**2+(vector_y)**2+(vector_z)**2)**0.5
z1＝node(m,4)+Fiber_L*vector_z/((vector_x)**2+(vector_y)**2+(vector_z)**2)**0.5
x2＝node(m,2)-Fiber_L*vector_x/((vector_x)**2+(vector_y)**2+(vector_z)**2)**0.5
y2＝node(m,3)-Fiber_L*vector_y/((vector_x)**2+(vector_y)**2+(vector_z)**2)**0.5
z2＝node(m,4)-Fiber_L*vector_z/((vector_x)**2+(vector_y)**2+(vector_z)**2)**0.5
本实施例步骤S405中，通过步骤S404得到的点是否同时满足以下判定条件：
Figure BDA0003835753910000091
如果判定到满足上述判定条件，即同时满足式(9)时，则判定步骤S404得到的点位于边界条件所确定的区域内，将生成的点进行保存；否则判定不位于边界条件所确定的区域内，不保存该点，继续当前循环，生成其他方向的空间直线，直到确定与当前初始端点对应的另一端点，完成一个初始端点的确定后再开始对下一个初始端点重复进行上述流程。
在具体应用实施例中，以50mm*50mm*50mm立方体试块为例，纤维数量为500根，纤维长度为6mm，生成的500个位于试块内的初始端点如图3所示。在图3的基础上，生成的距离初始端点6mm的500个终端点如图4所示。
可以理解的是，除上述终点端点的确定方式以外，还可以根据实际需求采用其他的方式实现，例如通过以初始端点为球心、以纤维长度为直径建立球体，在球体上任取一点的方式得到纤维的终点端点，然后通过判定终端点是否在混凝土边界内部以生成满足要求的纤维混凝土模型。
本实施例步骤S05中，将生成的符合程序要求的初始端点依次连接成线段，并对线段进行位置判定，若两条线段相交，则不生成该线段并返回步骤S04，若不相交则输出当前生成得到的线段。
为方便判定，本实施例记第一根纤维端点为A,B,取过A、B端点的直线记为l1，其中A(x1,y1,z1)，B(x2,y2,z2)，另一纤维端点为M,N，取过M,N端点的直线记为l2,其中M(m1,n1,k1),N(m2,n2,k2)，直线l1方程为：
Figure BDA0003835753910000101
方向向量为
Figure BDA0003835753910000102
直线l2方程为：
Figure BDA0003835753910000103
方向向量为
Figure BDA0003835753910000104
在直线l1上取点A(x1,y1,z1)、在直线l2上取点M(m1,n1,k1)得到向量
Figure BDA0003835753910000105
本实施例中，判断上述两条纤维线段AB、MN是否相交的步骤具体包括：
1、l1与l2异面
若直线l1、l2异面，则判定直线l1、l2不相交，且向量
Figure BDA0003835753910000106
不共面，即
Figure BDA0003835753910000107
判定线段AB和线段MN范围内不相交。
2、l1与l2共面
2.1)如果直线l1、l2共面且相交，则判定
Figure BDA0003835753910000108
共面且
Figure BDA0003835753910000109
不平行，即：
Figure BDA0003835753910000111
且x2-x1:y2-y1:z2-z1≠m2-m1:n2-n1:k2-k1。
通过联立l1与l2方程可求出交点O(x3,y3,z3)，则：
线段OA的距离为：
Figure BDA0003835753910000112
线段OB的距离为：
Figure BDA0003835753910000113
线段AB的距离为：
Figure BDA0003835753910000114
其中若dOA+dOB>dAB，则判定交点O不在线段AB内，即AB与线段MN不相交；
若dOA+dOB＝dAB，则判定交点O在线段AB内，即AB与线段MN相交
2.2)若直线l1、l2平行，则判定
Figure BDA0003835753910000115
平行但不与向量
Figure BDA0003835753910000116
平行，即：x2-x1:y2-y1:z2-z1＝m2-m1:n2-n1:k2-k1≠m1-x1:n1-y1:k1-z1则判定线段AB与线段MN不相交。
2.3)若线段l1、l2重合，则
Figure BDA0003835753910000117
为共线向量，即：
x2-x1:y2-y1:z2-z1＝m2-m1:n2-n1:k2-k1＝m1-x1:n1-y1:k1-z1则判定线段AB与线段MN重合。
本实施例步骤S06中，具体以ANSYS命令流的形式将步骤S05生成的数据信息输入至ANSYS软件中以进行参数化建模，通过修改命令流中参数以生成不同类型的纤维模型。例如，在完成Fiber_Num个初始端点处理后，以ANSYS命令流的形式将生成的所有数据信息写入TXT文档中，然后输入至ANSYS软件中进行参数化建模。
在具体应用实施例中，在图4的基础上，最终生成的500根纤维模型如图5所示。
本实施例通过结合ANSYS命令流在ANSYS中进行参数化建模，可以将成百上千甚至更多数量纤维的生成与交叉碰撞判定过程通过程序写入ANSYS命令流中，从而将复杂的建模过程以命令流的形式来完成，能够大大的减少工作量和计算难度，同时通过修改参数即可以方便的快速建立生成任意形状试块、任意纤维长度、纤维直径和任意纤维含量的细观模型，避免了复杂的建模GUI方式。
本实施例还提供计算机设备，包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机程序，其特征在于，所述处理器用于执行所述计算机程序以执行如上述方法。
本实施例还提供存储有计算机程序的计算机可读存储介质，计算机程序执行时实现如上述方法。
如图2所示，在具体应用实施例中采用上述方法进行纤维混凝土的细观建模时，详细步骤为：
步骤1:定义一个足够大的四维数组，以用于储存纤维的端点序号以及端点的三个空间坐标；
步骤2:按照给定的纤维具体参数确定所需生成的纤维长度Fiber_L，纤维直径Fiber_D；
步骤3:设定混凝土试件的边界条件，本实施例具体为长方体形状试件，区域的边界条件XL、XR、YB、YT、ZB、ZT分别为长方体区域在x坐标、y坐标上、z坐标方向上的边界值；
步骤4:根据试件的纤维含量和试件的尺寸计算出纤维数量Fiber_Num；
步骤5:根据纤维数量Fiber_Num在长方体区域内生成各个纤维的初始端点，定义0～1之间的三个随机数rdm1,rdm2,rdm3，进而随机生成每根纤维的初始端点的x坐标、y坐标、z坐标node(m,2)、node(m,3)、node(m,4)；
步骤6:在当前已经生成的Fiber_Num个初始端点的基础上，按照式(4)～(9)依次生成与其空间距离为Fiber_L且位于长方体区域内的另外Fiber_Num个纤维端点，冰将得到的点保存在四维数组中；
步骤7:将生成的符合程序要求的初始端点依次连接成线段，并对线段进行位置判定，若两条线段相交，则不生成该线段并重复步骤6，若不相交则输出当前生成的线段；
步骤8:对Fiber_Num个初始端点的运算结束以后，以ANSYS命令流的形式将以上信息写入TXT文档中，在ANSYS软件中进行参数化建模，生成得到所需要的纤维混凝土三维细观模型。
实施例2：
本实施例为在实施例1的基础上，通过修改参数以进行任意形状试块的纤维混凝土模型建立。
本实施例具体以直径80mm，厚度50mm的圆柱形试块，纤维数量为500根，纤维长度15mm、纤维直径0.5mm为例。首先按照实施例1的步骤构建得到纤维混凝土三维细观模型后，通过修改上述流程中的试块尺寸和纤维参数，可以实现在圆柱形试块内建立500个初始端点，如图6中(a)所示。
进一步通过在初始端点基础上生成并经过判别，最终在试块范围内生成距离相应初始端点15mm的500个终端点，如图6中(b)所示；然后通过对线段空间位置进行判定，如果任意两条线段出现交叉重叠则进入循环，直至线段两两不交叉重叠，则进行生成并记录入数组，直至生成500个彼此两两不交叉重叠的线段，然后以ANSYS命令流的形式将以上信息写入TXT文档中，在ANSYS软件中进行参数化建模。至此程序运行结束，最终在试块内部生成500根长15mm的纤维模型。如图6中(c)所示。
实施例3：
本实施例是在实施例1的基础上，通过修改参数以进行任意纤维长度的纤维混凝土模型建立：
本实施例具体以150mm*150mm*150mm的立方体试块，1000根纤维，纤维直径0.5mm，纤维长度分别为6mm、15mm、25mm的模型为例，按照实施例1的方式纤维混凝土三维细观模型后，通过修改上述流程中的试块尺寸和纤维参数，可以实现在立方体试块内建立1000个初始端点，然后建立距离初始端点6mm的1000个终端点，并将初始端点与终端点依次对应连成线段，并进行线段交叉重叠判定，然后在ANSYS软件中进行参数化建模。生成1000根长度为6mm的纤维混凝土模型，如图7中(a)所示；对纤维长度进行修改，生成1000根长度为15mm的纤维混凝土模型，如图7中(b)所示；对纤维长度进行修改，生成1000根长度为25mm的纤维混凝土模型，如图7中(c)所示。
实施例4：
本实施例是在实施例1的基础上，通过修改参数以进行不同纤维含量的纤维混凝土模型建立：
本实施例具体以150mm*150mm*150mm的立方体试块，纤维长度15mm，纤维直径0.5mm，三种不同纤维含量的模型为例，按照实施例1的方式纤维混凝土三维细观模型后，通过修改上述流程中的试块尺寸和纤维参数，可以实现在立方体试块内建立1000个初始端点，然后建立距离初始端点15mm的1000个终端点，并将初始端点与终端点依次对应连成线段，并进行线段交叉重叠判定，然后在ANSYS软件中进行参数化建模。生成1000根纤维长度为15mm的纤维混凝土模型，如图8中(a)所示；对纤维数量进行修改，生成3000根长度为15mm的纤维混凝土模型，如图8中(b)所示；对纤维数量进行修改，生成5000根长度为15mm的纤维混凝土模型，如图8中(c)所示。
实施例5：
本实施例是在实施例1的基础上，通过修改参数以进行混杂纤维混凝土模型建立：
本实施例具体以150mm*150mm*150mm的立方体试块，600根长6mm、直径0.1mm的纤维，600根长15mm、直径0.3mm的纤维，600根长25mm、直径0.5mm的混杂纤维模型为例，按照实施例1的方式纤维混凝土三维细观模型后，然后对纤维尺寸、数量进行参数设置，其中设置600根长6mm、直径0.1mm的纤维，600根长15mm、直径0.3mm的纤维，600根长25mm、直径0.5mm的混杂纤维。共随机生成1800个初始端点，与之一一对应随机生成600个相距初始端点6mm的终端点、600个相距15mm的终端点、600个相距初始端点25mm的终端点，并将初始端点与终端点依次对应连成线段，进行线段交叉重叠判定后，在ANSYS软件中进行参数化建模，最终生成三种混杂纤维混凝土模型如图9所示。
本发明并未列出纤维混凝土的所有纤维类型，通过本方法建立的不同种类、不同含量的纤维混凝土模型均属于本发明的保护内容。除混杂纤维模型外，本发明还可以生成骨料与纤维混杂的混凝土模型。本发明通过修改参数可以很方便的生成任意形状试块、任意纤维尺寸、任意纤维含量和多种纤维混杂的纤维混凝土细观模。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种纤维增强混凝土的参数化细观建模方法，其特征在于，步骤包括：
S01.确定所需生成的纤维参数以及混凝土试件的边界条件，所述纤维参数包括纤维长度、纤维直径以及纤维含量；
S02.根据所述纤维参数以及混凝土试件的尺寸计算出纤维数量；
S03.在由所述混凝土试件的边界条件所确定的区域内，根据所述纤维数量生成各个纤维的初始端点；
S04.在由所述混凝土试件的边界条件所确定的区域内，根据所述纤维直径依次生成各个所述纤维的初始端点对应的另一端的终点端点；
S05.将生成的各个所述纤维的初始端点与对应的另一端的终点端点连接，生成不存在任意两条线段相交的多条纤维线段；
S06以命令流的形式输入步骤S05生成的数据信息进行参数化建模，生成得到所需纤维混凝土三维细观模型。
2.根据权利要求1所述的纤维增强混凝土的参数化细观建模方法，其特征在于，所述步骤S02步骤包括：
计算单根纤维体积Vf：
Figure FDA0003835753900000011
其中，L为纤维长度，D为纤维截面直径；
根据所述单根纤维体积Vf以及纤维体积掺量fv计算混凝土基体中所需纤维数量n：
Figure FDA0003835753900000012
其中，Vc为混凝土试件的体积。
3.根据权利要求1所述的纤维增强混凝土的参数化细观建模方法，其特征在于，所述步骤S03包括：
S301.定义0～1之间的三个随机数rdm1,rdm2,rdm3；
S302.生成纤维初始端点node(m,1)，并根据所述混凝土试件的边界条件分别使用随机数rdm1,rdm2,rdm3随机生成每根纤维的初始端点的X、Y、Z坐标：
node(m,2)＝XR+rdm1×(XR-XL)
node(m,3)＝YT+rdm2×(YT-YB)
node(m,4)＝ZT+rdm3×(ZT-ZB)
其中，node(m,2)为随机生成的每根纤维的初始端点的X坐标，node(m,3)为随机生成的每根纤维的初始端点的Y坐标，node(m,4)为随机生成的每根纤维的初始端点的Z坐标，XL、XR分别为边界条件中X坐标方向上左、右边界值，YB、YT分别为边界条件中Y坐标方向上左、右边界值，ZB、ZT分别为边界条件中Z坐标方向上左、右边界值。
4.根据权利要求3所述的纤维增强混凝土的参数化细观建模方法，其特征在于，所述步骤S04包括：
S401.定义0～1之间的三个随机数rdm4,rdm5,rdm6；
S402.使用随机数rdm4,rdm5,rdm6计算空间任意方向向量(vector_x，vector_y，vector_z)，其中vector_x，vector_y，vector_z分别是空间任意方向向量vector的X、Y、Z坐标；
S403.根据空间任意方向向量(vector_x，vector_y，vector_z)得到过初始端点的任意空间直线方程：
(X-node(m,2))/vector_x＝(Y-node(m,3))/vector_y＝(Z-node(m,4))/vector_z；
S404.计算位于所述任意空间直线方程上、与当前生成的初始端点(node(m,2)，node(m,3)，node(m,4))的空间距离为Fiber_L的点，Fiber_L为纤维直径；
S405.判断步骤S404得到的点是否位于所述边界条件所确定的区域内，如果是则得到所需的与当前初始端点对应的终点端点并进行保存，否则返回步骤S402以循环生成其他方向的空间直线，直至得到所有初始端点对应的终点端点。
5.根据权利要求4所述的纤维增强混凝土的参数化细观建模方法，其特征在于，所述步骤S404中，得到位于所述任意空间直线方程上、与当前生成的初始端点(node(m,2)，node(m,3)，node(m,4))的空间距离为Fiber_L的两个点分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)，其中：
x1＝node(m,2)+Fiber_L*vector_x/((vector_x)**2+(vector_y)**2+(vector_z)**2)**0.5
y1＝node(m,3)+Fiber_L*vector_y/((vector_x)**2+(vector_y)**2+(vector_z)**2)**0.5
z1＝node(m,4)+Fiber_L*vector_z/((vector_x)**2+(vector_y)**2+(vector_z)**2)**0.5
以及
x2＝node(m,2)-Fiber_L*vector_x/((vector_x)**2+(vector_y)**2+(vector_z)**2)**0.5
y2＝node(m,3)-Fiber_L*vector_y/((vector_x)**2+(vector_y)**2+(vector_z)**2)**0.5
z2＝node(m,4)-Fiber_L*vector_z/((vector_x)**2+(vector_y)**2+(vector_z)**2)**0.5。
6.根据权利要求4所述的纤维增强混凝土的参数化细观建模方法，其特征在于，所述步骤S405中，通过步骤S404得到的点是否同时满足以下判定条件：
Figure FDA0003835753900000031
如果判定到满足所述判定条件时，则判定步骤S404得到的点位于所述边界条件所确定的区域内，否则判定不位于所述边界条件所确定的区域内。
7.根据权利要求1～6中任意一项所述的纤维增强混凝土的参数化细观建模方法，其特征在于，所述步骤S05中，判断两条纤维线段是否相交的步骤包括：
取过一根纤维上两个纤维端点A、B的直线l1，在直线l1上取点A(x1,y1,z1)，取过另一根两个纤维端点M、N的直线l2，冰在直线l2上取点M(m1,n1,k1)，得到向量
Figure FDA0003835753900000032
若直线l1与直线l2异面，则判定直线l1、l2不相交，且向量
Figure FDA0003835753900000033
不共面，即
Figure FDA0003835753900000034
判定线段AB和线段MN范围内不相交，其中
Figure FDA0003835753900000035
分别为线段l1、l2的方向向量；
如果直线l1与直线l2共面且相交，则判定
Figure FDA0003835753900000041
共面且
Figure FDA0003835753900000042
不平行，即：
Figure FDA0003835753900000043
且x2-x1:y2-y1:z2-z1≠m2-m1:n2-n1:k2-k1，其中dOA+dOB>dAB，则判定交点O不在线段AB内，即AB与线段MN不相交；若dOA+dOB＝dAB则判定交点O在线段AB内，即AB与线段MN相交，doA为线段OA的距离，doB为线段OB的距离，dAB为线段AB的距离，O为直线l1、l2的交点；
若直线l1与直线l2平行，则判定
Figure FDA0003835753900000044
平行但不与向量
Figure FDA0003835753900000045
平行，判定线段AB与线段MN不相交；
若直线l1与直线l2重合，则判定线段AB与线段MN重合。
8.根据权利要求1～6中任意一项所述的纤维增强混凝土的参数化细观建模方法，其特征在于，所述步骤S06中，以ANSYS命令流的形式将步骤S05生成的数据信息输入至ANSYS软件中以进行参数化建模，通过修改命令流中参数以生成不同类型的纤维模型。
9.一种计算机设备，包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，其特征在于，所述处理器用于执行所述计算机程序以执行如权利要求1～8中任意一项所述方法。
10.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序执行时实现如权利要求1～8中任意一项所述的方法。
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