[发明专利]一种基于离散元的钢纤维混凝土纤维定向分布的方法

说明书

本发明公开了一种基于离散元的钢纤维混凝土纤维定向分布的方法，其具体步骤如下：(1)C++编程后生成磁场计算DLL文件；(2)定义表征混凝土的粗细颗粒以及钢纤维，建立几何体模型；(3)设置颗粒参数，选择颗粒与颗粒、颗粒与几何体的接触模型；(4)生成粗细颗粒以及钢纤维；(5)设置TXT文件中的磁感应强度等参数，并在颗粒体积力中选择第一步生成的DLL文件；(6)进行磁场定向钢纤维模拟。本发明基于离散元软件EDEM中的API进行二次开发，通过外加磁场的方式使钢纤维定向分布，统计不同情况下钢纤维定向分布的程度，从而提高新拌混凝土流动性以及硬化后的力学性能。

技术领域

本发明涉及混凝土仿真技术领域，尤其涉及一种基于离散元的钢纤维混凝土仿真技术领域。

背景技术

混凝土抗拉强度远低于抗压强度，属于脆性材料，为了将混凝土增强增韧，常在混凝土中掺入各种纤维，如钢纤维、碳纤维、聚乙烯醇纤维等。对于钢纤维混凝土来说，钢纤维的掺入会使混凝土抗拉强度提升，韧性增强，但是乱序排列的钢纤维混凝土中纤维方向与受力方向夹角太大时钢纤维起到的作用较小，这样不但浪费了材料，同时对于新拌混凝土的流动性产生不利影响，而外加磁场将纤维定向后可以消去这种不利影响，提高钢纤维利用率。

目前有研究在实验中通过圆柱形螺线圈接电后利用线圈产生的匀强磁场制备出了定向良好的钢纤维混凝土，并证明了钢纤维的定向对于钢纤维混凝土的力学性能有提升作用，说明了实验中钢纤维定向的可行性和实用性，但是不同混凝土的流动性能不一样，钢纤维定向所需的磁场力也不一样，磁场力过大能使所有的纤维定向良好但是会造成资源的浪费，磁场力过小又不能使所有的纤维定向，如何根据混凝土的流动性能来施加磁场力使所有的纤维定向具有重要意义。

离散元法作为一种专门用来解决不连续介质问题的数值模拟方法，被广泛应用于土木工程等领域。采用离散元进行钢纤维定向的方法是可行的。在模拟中，可以根据不同性能的混凝土施加不同的磁场力，使得所有的纤维定向良好。能更好地控制磁感应强度以及统计钢纤维定向分布的情况，成本也更低。所以采用离散元方法模拟纤维的定向是有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种基于离散元的钢纤维混凝土纤维定向分布的方法，采用离散元软件EDEM通过编写钢纤维在磁场作用下定向分布的颗粒体积力进行二次开发，最后统计定向分布情况。具体内容如下

1.一种基于离散元的钢纤维混凝土纤维定向分布的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)C++编程后生成磁场计算DLL文件；

(2)定义表征混凝土的粗细颗粒以及钢纤维，建立几何体模型；

(3)设置颗粒参数，选择颗粒与颗粒、颗粒与几何体的接触模型；

(4)生成粗细颗粒以及钢纤维，统计钢纤维分布情况；

(5)设置TXT文件中的磁感应强度等参数，并在颗粒体积力中选择第一步生成的DLL文件；

(6)进行磁场定向钢纤维模拟，并统计定向分布程度。

上述的一种基于离散元的钢纤维混凝土纤维定向分布的方法，其特征在于所述的颗粒体积力模型，即钢纤维在磁场中被磁化后受到磁场力作用而转动，其具体计算为：

在EDEM软件中，钢纤维的方向在全局坐标系下是通过方向余弦矩阵(DCM)来表示的，而在本体坐标系中为x轴正向，所以钢纤维在全局坐标系下的方向向量为方向余弦矩阵的第一行的三个值，即

设磁场方向向量为则钢纤维在磁场作用下受到的力矩的方向为

磁场力的具体计算如下所示