CN116070324A - 一种含预制裂缝的混凝土梁细观模型生成方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含预制裂缝的混凝土梁细观模型生成方法及系统，应用于混凝土细观有限元模型构建技术领域。主要步骤包括：根据所需混凝土试件的形状与细观组份特征，确定试件尺寸、预制裂缝尺寸、骨料体积份数、级配曲线、界面过渡区厚度、网格精度；根据试件尺寸及网格精度，将试件截面离散的单元组成映射网格平面；根据级配曲线，随机生成各级配骨料形状，通过边界超越、裂缝侵入与骨料侵入判断，将其投放于映射网格平面；通过是否满足各级配体积份数以及骨料体积份数的判断，终止骨料生成与投放，得到网格映射形式的混凝土细观模型。本发明优化了骨料的生成过程，可通过角度与半径的变换系数调整其凹凸特征，使得骨料形状更接近实际情况。

Description

一种含预制裂缝的混凝土梁细观模型生成方法及系统

技术领域

本发明涉及混凝土细观有限元模型构建技术领域，更具体的说是涉及一种含预制裂缝的混凝土梁细观模型生成方法及系统。

背景技术

混凝土作为应用最为广泛的复合建筑材料之一，其物理力学性质尤其是断裂性能对于建筑结构的服役性能和寿命有着十分显著的影响。三点或四点弯曲梁试验是测验混凝土断裂性能最为常用的方式，通常需在试件中预制裂缝来进行混凝土起裂韧度等参数的测定。研究人员通常采用室内试验和数值模拟两种方式，分析混凝土细观结构特征对于混凝土断裂性能的影响。考虑到试件尺寸、制备环境以及加载条件等方面的要求，开展试验往往会有一定的困难与限制；因此，数值模拟研究的重要性日渐凸显，而构建合理准确的含预制裂缝混凝土细观模型，对于有效开展混凝土断裂性能试验仿真至关重要。

从细观尺度上，混凝土可以看作是由骨料、砂浆、界面过渡区以及初始微裂缝组成的复合材料，骨料的形状、体积份数、最大粒径以及级配信息等对于混凝土的断裂性质影响很大。考虑到混凝土骨料本身及其投放位置的不确定性，可将混凝土细观模型的构建简化为骨料随机生成及投放的过程，即利用计算机产生与混凝土具有相同统计意义的各相材料的随机组合体。大多数研究通过将骨料简化为球体或椭球体等更为理想的形状的方法来建立混凝土细观结构的表征模型，但已有很多研究成果表明，对于骨料的形状简化会导致模拟结果的失真，且随机多面体骨料相较于球体或者椭球体骨料能给更好地描述混凝土材料的细观结构特征及宏观力学特性。此外，现有的很多细观模型构建算法通过复杂的几何计算进行骨料生成与侵入判断，导致骨料填充率不高且计算效率低下。

因此，提出一种含预制裂缝的混凝土梁细观模型生成方法及系统，来解决现有技术中存在的困难，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种含预制裂缝的混凝土梁细观模型生成方法及系统，可同时生成含预制裂缝的网格映射和几何剖分混凝土梁有限元模型，以满足混凝土梁三点或四点弯曲试验数值模拟的不同需求。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种含预制裂缝的混凝土梁细观模型生成方法，包括以下步骤：

S1、根据所需混凝土试件的形状与细观组份特征，确定所需混凝土试件的尺寸L×W、预制裂缝的尺寸l×w、骨料体积的份数Va、级配曲线、界面过渡区厚度t、网格精度a；

S2、根据所需混凝土试件的尺寸及网格精度，将试件截面离散为INT(L/a)×INT(W/a)个单元组成的映射网格平面，并将每一个单元网格赋初值0，将预制裂缝处的INT(l/a)×INT(w/a)个单元赋值为2；

S3、根据所需混凝土试件的级配曲线，随机生成各级配骨料形状，通过边界超越判断、裂缝侵入判断与骨料侵入判断，将其投放于映射网格平面之中并赋值2，根据过渡区厚度确定界面位置并赋值1；

S4、通过是否满足各级配体积份数以及骨料总体积份数的判断，终止骨料生成与投放，然后将预制裂缝处的INT(l/a)×INT(w/a)个单元删除，进而得到网格映射形式的混凝土细观模型，并通过记录骨料顶点信息，继续生成几何剖分形式的混凝土细观模型。

上述的方法，可选的，S3中随机生成各级配骨料形状，包括以下步骤：

1)在映射网格平面内随机给定一点作为形心、以某随机粒径为直径的圆周上形成具有随机边数n的正n边形，各边的初始对角α_j(j≤n)为2π/n；

2)进行多边形的对角随机化，在各边对角中随机挑选两个对角α_i,α_j(i,j≤n)，利用下式对其进行随机转换，确定转化后的对角α′_i,α′_j：

式中：v为角度变换系数，进行角度随机化后的多边形各顶点到初始圆心的距离r_j(j≤n)仍然相同；

3)利用下式对r_j进行随机化，确定转化后顶点距圆心的距离r'_j：

r′_j＝r_j+rand(-r_j×u,r_j×u)

式中：rand(a,b)指取a、b之间的随机数，u为半径变换系数。

上述的方法，可选的，S3中边界超越判断的具体内容包括：

骨料生成之后根据其各顶点的对角和到初始圆心的距离确定每个顶点的坐标(x_j,y_j)，然后判断坐标(x_j,y_j)是否在模型范围之内，若骨料多边形各顶点均在模型内部，则继续当前操作；若有顶点在模型外部，则重新生成骨料。

上述的方法，可选的，S3中裂缝侵入判断与骨料侵入判断的具体内容包括：

形成骨料和界面单元时，如果发现赋值单元的当前值等于0，则继续当前操作；若不等于0，则判定该骨料与已经投放完成的骨料发生侵入，则丢弃该骨料，重新生成骨料并进行投放。

上述的方法，可选的，S3中将随机骨料投放于映射网格平面之中并赋值2，根据过渡区厚度确定界面位置并赋值1，其包括以下步骤：

1)根据骨料多边形各顶点的坐标确定各边与x轴的夹角β，如果|tanβ|＜0，则定义该边为x轴占优边；如果|tanβ|＞0，则定义该边为y轴占优边；骨料边界单元在进行填充时，若单元的非占优轴方向的平分线顶点在骨料内部，则将其作为骨料单元，赋值为2；

2)利用泛洪填充算法对骨料内部未赋值的单元进行赋值，即把一个点的所有相邻的点都赋值为2，直到这个区域内所有的点都被赋值；

3)将骨料外围的INT(t/a)单元作为界面单元，并将其赋值为1。

上述的方法，可选的，所述S4中通过记录骨料顶点信息，继续生成几何剖分形式的混凝土细观模型，其主要内容为：

记录每个骨料多边形的顶点坐标，并在新建的模型平板内记录骨料多边形的几何位置，然后对模型进行自适应的单元网格重划分即可生成混凝土细观几何部分模型。

一种含预制裂缝的混凝土梁细观模型生成系统，应用上述的一种含预制裂缝的混凝土梁细观模型生成方法，包括依次连接的确定试件特征模块、映射网格平面形成模块、级配骨料形状形成模块和混凝土细观模型模块；

确定试件特征模块：根据所需混凝土试件的形状与细观组份特征，确定所需混凝土试件的尺寸L×W、预制裂缝的尺寸l×w、骨料体积的份数Va、级配曲线、界面过渡区厚度t、网格精度a；

映射网格平面形成模块：根据所需混凝土试件的尺寸及网格精度，将试件截面离散为INT(L/a)×INT(W/a)个单元组成的映射网格平面，并将每一个单元网格赋初值0，将预制裂缝处的INT(l/a)×INT(w/a)个单元赋值为2；

级配骨料形状形成模块：根据所需混凝土试件的级配曲线，随机生成各级配骨料形状，通过边界超越判断、裂缝侵入判断与骨料侵入判断，将其投放于映射网格平面之中并赋值2，根据过渡区厚度确定界面位置并赋值1；

混凝土细观模型模：通过是否满足各级配体积份数以及骨料总体积份数的判断，终止骨料生成与投放，然后将预制裂缝处的INT(l/a)×INT(w/a)个单元删除，进而得到网格映射形式的混凝土细观模型，并通过记录骨料顶点信息，继续生成几何剖分形式的混凝土细观模型。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种含预制裂缝的混凝土梁细观模型生成方法及系统，其有益效果是：

(1)本发明优化了多边形骨料的生成过程，可通过角度变换系数与半径变换系数调整骨料的凹凸特征，使得骨料形状更接近实际情况；

(2)本发明采用网格赋值检验的方法进行骨料之间的侵入判断，并通过把预制裂缝预设为骨料区域进行侵入判断，避免裂缝处被骨料侵占，无需进行繁琐的直线交叉判断，准确率高且计算简单，使得算法更加简洁高效；

(3)本发明可同时生成基于网格映射和几何剖分的两种含预制裂缝混凝土梁模型，实现对于混凝土细观结构的是四相表达，满足混凝土梁三点或四点弯曲试验数值模拟的不同需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种含预制裂缝的混凝土梁细观模型生成方法流程图；

图2为本发明提供的一种含预制裂缝的混凝土梁细观模型生成总体方法流程图；

图3为本发明提供的一种含预制裂缝的混凝土梁细观模型生成系统结构框图；

图4是本发明的随机骨料的生成过程图；

图5是本发明中混凝土细观四相组份的赋值流程图；

图6是本发明实施例1的骨料级配曲线；

图7是本发明实施例1的最终生成的带预制裂缝的网格映射和几何剖分混凝土梁模型示意图，其中7.1为带预制裂缝的混凝土梁网格映射模型，7.2为带预制裂缝的混凝土梁几何剖分模型。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1所示，本发明公开了一种含预制裂缝的混凝土梁细观模型生成方法，包括以下步骤：

一种含预制裂缝的混凝土梁细观模型生成方法，包括以下步骤：

S1、根据所需混凝土试件的形状与细观组份特征，确定所需混凝土试件的尺寸L×W、预制裂缝的尺寸l×w、骨料体积的份数Va、级配曲线、界面过渡区厚度t、网格精度a；

S2、根据所需混凝土试件的尺寸及网格精度，将试件截面离散为INT(L/a)×INT(W/a)个单元组成的映射网格平面，并将每一个单元网格赋初值0，将预制裂缝处的INT(l/a)×INT(w/a)个单元赋值为2；

S3、根据所需混凝土试件的级配曲线，随机生成各级配骨料形状，通过边界超越判断、裂缝侵入判断与骨料侵入判断，将其投放于映射网格平面之中并赋值2，根据过渡区厚度确定界面位置并赋值1；

S4、通过是否满足各级配体积份数以及骨料总体积份数的判断，终止骨料生成与投放，然后将预制裂缝处的INT(l/a)×INT(w/a)个单元删除，进而得到网格映射形式的混凝土细观模型，并通过记录骨料顶点信息，继续生成几何剖分形式的混凝土细观模型。

进一步的，如图4所示，S3中随机生成各级配骨料形状，包括以下步骤：

1)在映射网格平面内随机给定一点作为形心、以某随机粒径为直径的圆周上形成具有随机边数n的正n边形，各边的初始对角α_j(j≤n)为2π/n；

2)进行多边形的对角随机化，在各边对角中随机挑选两个对角α_i,α_j(i,j≤n)，利用下式对其进行随机转换，确定转化后的对角α′_i,α′_j：

式中：v为角度变换系数，进行角度随机化后的多边形各顶点到初始圆心的距离r_j(j≤n)仍然相同；

3)利用下式对r_j进行随机化，确定转化后顶点距圆心的距离r′_j：

r′_j＝r_j+rand(-r_j×u,r_j×u)

式中：rand(a,b)指取a、b之间的随机数，u为半径变换系数。

进一步的，S3中边界超越判断的具体内容包括：

骨料生成之后根据其各顶点的对角和到初始圆心的距离确定每个顶点的坐标(x_j,y_j)，然后判断坐标(x_j,y_j)是否在模型范围之内，若骨料多边形各顶点均在模型内部，则继续当前操作；若有顶点在模型外部，则重新生成骨料。

进一步的，S3中裂缝侵入判断与骨料侵入判断的具体内容包括：

形成骨料和界面单元时，如果发现赋值单元的当前值等于0，则继续当前操作；若不等于0，则判定该骨料与已经投放完成的骨料发生侵入，则丢弃该骨料，重新生成骨料并进行投放。

进一步的，如图5所示，S3中将随机骨料投放于映射网格平面之中并赋值2，根据过渡区厚度确定界面位置并赋值1，其包括以下步骤：

1)根据骨料多边形各顶点的坐标确定各边与x轴的夹角β，如果|tanβ|＜0，则定义该边为x轴占优边；如果|tanβ|＞0，则定义该边为y轴占优边；骨料边界单元在进行填充时，若单元的非占优轴方向的平分线顶点在骨料内部，则将其作为骨料单元，赋值为2；

2)利用泛洪填充算法对骨料内部未赋值的单元进行赋值，即把一个点的所有相邻的点都赋值为2，直到这个区域内所有的点都被赋值；

3)将骨料外围的INT(t/a)单元作为界面单元，并将其赋值为1。

进一步的，S4中通过记录骨料顶点信息，继续生成几何剖分形式的混凝土细观模型，其具体内容为：

记录每个骨料多边形的顶点坐标，并在新建的模型平板内记录骨料多边形的几何位置，然后对模型进行自适应的单元网格重划分即可生成混凝土细观几何剖分模型。

与图1所述的方法相对应，本发明还提供了一种含预制裂缝的混凝土梁细观模型生成系统，用于对图1中方法的具体实现，其系统结构示意图如图3所示，包括依次连接的确定试件特征模块、映射网格平面形成模块、级配骨料形状形成模块和混凝土细观模型模块；

确定试件特征模块：根据所需混凝土试件的形状与细观组份特征，确定所需混凝土试件的尺寸L×W、预制裂缝的尺寸l×w、骨料体积的份数Va、级配曲线、界面过渡区厚度t、网格精度a；

映射网格平面形成模块：根据所需混凝土试件的尺寸及网格精度，将试件截面离散为INT(L/a)×INT(W/a)个单元组成的映射网格平面，并将每一个单元网格赋初值0，将预制裂缝处的INT(l/a)×INT(w/a)个单元赋值为2；

级配骨料形状形成模块：根据所需混凝土试件的级配曲线，随机生成各级配骨料形状，通过边界超越判断、裂缝侵入判断与骨料侵入判断，将其投放于映射网格平面之中并赋值2，根据过渡区厚度确定界面位置并赋值1；

混凝土细观模型模：通过是否满足各级配体积份数以及骨料总体积份数的判断，终止骨料生成与投放，然后将预制裂缝处的INT(l/a)×INT(w/a)个单元删除，进而得到网格映射形式的混凝土细观模型，并通过记录骨料顶点信息，继续生成几何剖分形式的混凝土细观模型。

具体的：实施例1

S1.确定试件尺寸为800×200mm²、预制裂缝尺寸为50×10mm²、骨料体积份数为50％、界面过渡区厚度为1mm、网格精度为1mm，骨料级配曲线参阅图4；

S2.根据试件尺寸及网格精度，将试件截面离散为800×200个单元组成的映射网格平面，并将每一个单元网格赋初值0，将预制裂缝处的50×10个单元赋值为2；

S3.根据级配曲线如图6所示，随机生成各级配骨料形状，通过边界超越判断、裂缝侵入判断与骨料侵入判断，将其投放于映射网格平面之中并赋值2，根据过渡区厚度确定界面位置并赋值1；

S4.通过是否满足各级配体积份数以及骨料总体积份数的判断，终止骨料生成与投放，然后将预制裂缝处的50×10个单元删除，进而得到网格映射形式的混凝土细观模型，并通过记录骨料顶点信息，继续生成几何剖分形式的混凝土细观模型。实施例1最终生成的带预制裂缝的混凝土梁网格映射和几何剖分模型如图7所示。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种含预制裂缝的混凝土梁细观模型生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据所需混凝土试件的形状与细观组份特征，确定所需混凝土试件的尺寸L×W、预制裂缝的尺寸l×w、骨料体积的份数Va、级配曲线、界面过渡区厚度t、网格精度a；

S2、根据所需混凝土试件的尺寸及网格精度，将试件截面离散为INT(L/a)×INT(W/a)个单元组成的映射网格平面，并将每一个单元网格赋初值0，将预制裂缝处的INT(l/a)×INT(w/a)个单元赋值为2；

S3、根据所需混凝土试件的级配曲线，随机生成各级配骨料形状，通过边界超越判断、裂缝侵入判断与骨料侵入判断，将其投放于映射网格平面之中并赋值2，根据过渡区厚度确定界面位置并赋值1；

S4、通过是否满足各级配体积份数以及骨料总体积份数的判断，终止骨料生成与投放，然后将预制裂缝处的INT(l/a)×INT(w/a)个单元删除，进而得到网格映射形式的混凝土细观模型，并通过记录骨料顶点信息，继续生成几何剖分形式的混凝土细观模型。

2.根据权利要求1所述的一种含预制裂缝的混凝土梁细观模型生成方法，其特征在于：S3中随机生成各级配骨料形状，包括以下步骤：

1)在映射网格平面内随机给定一点作为形心、以某随机粒径为直径的圆周上形成具有随机边数n的正n边形，各边的初始对角α_j(j≤n)为²π/n；

2)进行多边形的对角随机化，在各边对角中随机挑选两个对角α_i,α_j(i,j≤n)，利用下式对其进行随机转换，确定转化后的对角α'_i,α'_j：

式中：v为角度变换系数，进行角度随机化后的多边形各顶点到初始圆心的距离r_j(j≤n)仍然相同；

3)利用下式对r_j进行随机化，确定转化后顶点距圆心的距离r'_j：

r'_j＝r_j+rand(-r_j×u,r_j×u)

式中：rand(a,b)指取a、b之间的随机数，u为半径变换系数。

3.根据权利要求1所述的一种含预制裂缝的混凝土梁细观模型生成方法，其特征在于：S3中边界超越判断的具体内容包括：

骨料生成之后根据其各顶点的对角和到初始圆心的距离确定每个顶点的坐标(x_j,y_j)，然后判断坐标(x_j,y_j)是否在模型范围之内，若骨料多边形各顶点均在模型内部，则继续当前操作；若有顶点在模型外部，则重新生成骨料。

4.根据权利要求1所述的一种含预制裂缝的混凝土梁细观模型生成方法，其特征在于：S3中裂缝侵入判断与骨料侵入判断的具体内容包括：

形成骨料和界面单元时，如果发现赋值单元的当前值等于0，则继续当前操作；若不等于0，则判定该骨料与已经投放完成的骨料发生侵入，则丢弃该骨料，重新生成骨料并进行投放。

5.根据权利要求1所述的一种含预制裂缝的混凝土梁细观模型生成方法，其特征在于：S3中将随机骨料投放于映射网格平面之中并赋值2，根据过渡区厚度确定界面位置并赋值1，其包括以下步骤：

1)根据骨料多边形各顶点的坐标确定各边与x轴的夹角β，如果|tanβ|＜0，则定义该边为x轴占优边；如果|tanβ|＞0，则定义该边为y轴占优边；骨料边界单元在进行填充时，若单元的非占优轴方向的平分线顶点在骨料内部，则将其作为骨料单元，赋值为2；

2)利用泛洪填充算法对骨料内部未赋值的单元进行赋值，即把一个点的所有相邻的点都赋值为2，直到这个区域内所有的点都被赋值；

3)将骨料外围的INT(t/a)单元作为界面单元，并将其赋值为1。

6.根据权利要求1所述的一种含预制裂缝的混凝土梁细观模型生成方法，其特征在于：S4中通过记录骨料顶点信息，继续生成几何剖分形式的混凝土细观模型，其具体内容为：

记录每个骨料多边形的顶点坐标，并在新建的模型平板内记录骨料多边形的几何位置，然后对模型进行自适应的单元网格重划分即可生成混凝土细观几何剖分模型。

7.一种含预制裂缝的混凝土梁细观模型生成系统，其特征在于应用权利要求1-6任一项所述的一种含预制裂缝的混凝土梁细观模型生成方法，包括依次连接的确定试件特征模块、映射网格平面形成模块、级配骨料形状形成模块和混凝土细观模型模块；

确定试件特征模块：根据所需混凝土试件的形状与细观组份特征，确定所需混凝土试件的尺寸L×W、预制裂缝的尺寸l×w、骨料体积的份数Va、级配曲线、界面过渡区厚度t、网格精度a；

映射网格平面形成模块：根据所需混凝土试件的尺寸及网格精度，将试件截面离散为INT(L/a)×INT(W/a)个单元组成的映射网格平面，并将每一个单元网格赋初值0，将预制裂缝处的INT(l/a)×INT(w/a)个单元赋值为2；

级配骨料形状形成模块：根据所需混凝土试件的级配曲线，随机生成各级配骨料形状，通过边界超越判断、裂缝侵入判断与骨料侵入判断，将其投放于映射网格平面之中并赋值2，根据过渡区厚度确定界面位置并赋值1；

混凝土细观模型模：通过是否满足各级配体积份数以及骨料总体积份数的判断，终止骨料生成与投放，然后将预制裂缝处的INT(l/a)×INT(w/a)个单元删除，进而得到网格映射形式的混凝土细观模型，并通过记录骨料顶点信息，继续生成几何剖分形式的混凝土细观模型。

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