[发明专利]一种含预制裂缝的混凝土梁细观模型生成方法及系统

说明书

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。

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：