混凝土细观分析中随机多边形骨料生成方法

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混凝土三维随机凸型骨料模型生成方法研究

混凝土三维随机凸型骨料模型生成方法研究
隨機凸型骨料是混凝土研究中最具有挑戰性的一種骨料形狀，普通的骨料粒子會沿著
一定方向形成凸型骨料，導致骨料孔隙率和界面摩擦系數均有一定的相關性。

本文探討了
混凝土中的三維隨機凸型骨料模型的生成方法。

首先，分析了幾何學幾何圖形的要求，其中單位球的軸向收斂率要求為90％以上。

然後，建立了三維隨機凸型單位球的模型。

此模型包括了尺寸和位置的確定，邊界碰撞的模擬，塑變收斂的模擬以及微觀球面坡度的模擬。

此外，使用模擬礦石球和混凝土界面來驗證凸型單位球模型的有效性和穩定性。

最後，模擬了三維隨機凸型骨料的碎骨料模型的排列方式，該排列滿足骨料空洞率和界面摩擦系
數的要求，為混凝土研究中的三維隨機凸型骨料模型提供了一種可行的模型。

綜上所述，本文提出了一種混凝土中三維隨機凸型骨料模型的生成方法。

該模型不僅
可以建立三維隨機凸型骨料，而且可以確保其在有限空間內充分去塑變，並且與碎骨料模
型完全符合要求。

本研究可作為今後混凝土研究中三維隨機凸型骨料的建模的準則和參考。

一种混凝土随机凸多边形骨料模型生成方法

与多边形及多边形与多边形的贯穿和侵入的几何关系，编制了凸多边形生成程序和细观有限元剖分程序。全级配混凝土梁三分点加载弯曲数值试验显示了所编程序的正确性。
关键词：观力学；级配混凝士；机凸多边形骨料模型；值模拟细全随数
形和凸多面体随机骨料的投放算法，此基础上形成了混凝土凸多边形和混凝土凸多面体随机骨料模在型，但所建立的模型骨料含量较低，没有考虑实际骨料级配。孙立国等提出了一种通过一次性随机且
投放形成所有三角形基骨料，然后在此基础上随机延凸、生成任意形状的随机骨料的方法。尽管该算法生成效率较高，是这种简化成多边形的骨料所占混凝土试件内截面的面积应该保持与实际骨料级配但及其含量的等效关系。本文基于瓦拉文公式所生成的圆形骨料模型，次将圆形骨料内接多边形向外依延凸，至达到圆形骨料模型所占混凝土内截面的面积为止，直即生成了与圆形骨料面积相同的多边形随机骨料模型。因此，文提出的算法所生成的凸多边形骨料模型既反映了骨料的实际形态又能维持骨本
中圈分类号：３３ｌ Ⅳ 文献标识码：Ａ
混凝土的级配及骨料含量对其宏观力学特性有直接的影响，立能够客观反映混凝土这种细观结建构不均匀性特征的骨料模型，是进行混凝土细观力学数值模拟分析的前提和基础。球形骨料模型和基

混凝土随机多面体骨料模型的生成方法

ｐｌｈｄａａｇｅａｅｍｏｅｃｎｒｅｔｖｒｕｒｄｄａｇｅａｅｉｃｕｌｐｏｅｔａｄｐｏｉｅｓｆｃｅｔｏｅｒｌｇｒｇｔｙｄｌａｅｃａｏｓｇａｅｇｒｇｔｎａｔａｒｃｎｒｖｄｕｉｉｌｌｆｉｓｊｆｎｙ
ＬＩＴａｎＺＨＵｍｉｎＣｉａ
（ｅａｍｅｔｆｕｌｉｇＥｇｅｒｇＴｎｊＵｉｒｉ，ｈｎｈｉ００２ｈｎ）Ｄｐｒｎｉｎｎｉｅｉ，ｏｇｎｅｓｙＳａｇａ２０９，ＣｉｔｏＢｄｎｎｉｖｔａ
二维到现在的三维，最初的圆形集料到现在的多从
方法有以下两种：一种是从一个凸的基体开始，在
它的周围不断随机生长新的顶点和表面，到满直足要求为止 ’ 蛐。为此需要建立一个基本的Ｊ
几何体，然后在这个几何体的各个表面随机生成新的顶点，后计算该点与对应表面所形成的多然
目前，内外普遍应用蒙特卡罗法在一个给国
１引言
混凝土是以骨料为填料和以硬化水泥浆为母
定的区域随机投放二维及三维骨料颗粒。Ｊ
Ｂｚｎ等在２ａａｔ０世纪９０年代初提出了随机粒子模型，采用随机分布的颗粒来模拟混凝土骨料。
第２７卷第４期２１年８月０１
结
构
工
程
师
Ｖｏ＿ｌ２７．Ｎｏ４．Ａｕｇ２１．０１

混凝土细观层次损伤数值模拟——随机骨料结构的生成

混凝土细观层次损伤数值模拟——随机骨料结构的生成
姜绍飞;邱云飞;陈仲堂
【期刊名称】《沈阳建筑大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2007(023)002
【摘要】目的在细观层次上对混凝土进行数值模拟,进而对混凝土的力学性能分析.方法应用蒙特卡罗方法,使用C++语言编程开发二维三相混凝土随机骨料结构(RAS)模型.结果提出了避免产生不合常规骨料颗粒的控制措施,引入向量理论分析并去除凹点,弥补了现有方法中确定骨料多边形延伸率的缺陷;并在Visual C++上模拟实现、生成了具有概率和统计意义的RAS.最后,通过一个数值算例验证了所提方法的有效性.结论笔者提出的RAS产生方法为进一步开发混凝土细观有限元模型打下了坚实的基础.
【总页数】6页(P182-186,194)
【作者】姜绍飞;邱云飞;陈仲堂
【作者单位】沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁,沈阳,110168;沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁,沈阳,110168;沈阳建筑大学理学院,辽宁,沈阳,110168
【正文语种】中文
【中图分类】TU317
【相关文献】
1.基于真实骨料的随机骨料混凝土模型的建立及其细观层次力学分析 [J], 刘冰;杜成斌;张一鸣
2.基于matlab-混凝土二维细观结构数值模拟骨料随机投放 [J], 高利甲;刘锡军;王玉梅
3.基于细观层次的混凝土随机骨料建模 [J], 屈瑾;娄宗科;刘兆松
4.混凝土细观结构三维球形骨料随机生成方法研究 [J], 张守丽;滕文川;朱彦鹏
5.基于ANSYS的混凝土随机骨料生成方法与细观破坏数值模拟 [J], 王彩峰; 贺颖; 刘振; 王一冰
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混凝土细观力学研究进展及评述

混凝土细观力学研究进展及评述马怀发陈厚群黎保琨展，在细观层次上利用数值方法直接模拟混凝土试件或结构的裂缝扩展过程及破坏形态，直观地反映出试件的损伤破坏机理引起了广泛的注意。

近十几年来，基于混凝土的细观结构，人们提出了许多研究混凝土断裂过程的细观力学模型，最具典型的有格构模型（Ｌａｔｔｉｃｅｍｏｄｅｌ）、随机粒子模型（Ｒ跚ｄｏｍｐａｒｔｉｃｌｅ啪ｄｅｌ）‘掣ＭｏｈａｍｅｄＡＲ【引等提出的细观模型、随机骨料模型（Ｒａｎｄｏｍａｇｇｌｌｅｇａｔｅｍｏｄｅｌ）及唐春安等人心８’２引提出的随机力学特性模型等。

这些模型都假定混凝土是砂浆基质、骨料和两者之间的粘结带组成的三相复合材料，用细观层次上的简单本构关系来模拟复杂的宏观断裂过程。

另外，文献［３０～３２］根据混凝土材料特性与分形维数的相关关系，运用分形方法定量描述了混凝土的损伤演化行为。

４．１格构模型格构模型将连续介质在细观尺度上被离散成由弹性杆或梁单元连结而成的格构系统，如图２。

每个单元代表材料的一小部分（如岩石、混凝土的固体基质）。

网格一般为规则三角形或四边形，也可是随机形态的不规则网格。

单元采用简单的本构关系（如弹脆性本构关系）和破坏准则，并考虑骨料分（ａ）格构杼件网络（ｂ）格构杆件属性布及各相力学特性分布的随机性。

计算时，图２格构模型在外载作用下对整体网格进行线弹性分析，计算出格构中各单元的局部应力，超过破坏阈值的单元将从系统中除去，单元的破坏为不可逆过程。

单元破坏后，荷载将重新分配，再次计算以得出下个破坏单元。

不断重复该计算过程，直至整个系统完全破坏，各单元的渐进破坏即可用于模拟材料的宏观破坏过程。

格构模型思想产生于５０多年前，当时由于缺乏足够的数值计算能力，仅仅停留在理论上。

２０世纪８０年代后期，该模型被用于非均质材料的破坏过程模拟ｎ８瑚’２１’３３。

６］’。

后来，ｓｃｈｌａｎｇｅｎＥ等人汹’２１’”“３将格构模型应用于混凝土断裂破坏研究，模拟了混凝土及其它非均质材料所表现的典型破坏机理和开裂面的贯通过程。

三级配混凝土二维随机多边形骨料模型数值模拟_王菁

混凝土是以水泥为主，与水和粗细骨料按一定配合比组成的复合材料，广泛应用于实际工程。根据特征尺寸和研究方法的侧重点不同，可将混凝土内部结构分为 4 个层次：纳观、微观、细观和宏观。在细观尺度上，混凝土是由粗骨料、砂浆和粘结界面组成的三相复合材料。由于组成混凝土各材料的力学性能不同，细观尺度上的裂缝扩展直接影响混凝土的宏观力学性能。在进行混凝土力学性能试验时，需耗费大量的人力、财力、物力，且因试验条件限制，其试验结果并不能准确地反映材料的力学特性。然而，基于细观层次的数值模拟，避免了影响试验结果的不利因素，同时可对混凝土力学性能及裂缝扩展规律进行研究。近年来，随着计算机技术的快速发展，借助于数值方法建立混凝土随机骨料模型并研究其断裂破坏行为逐渐得到许多研究者的认可，该方法可以更加明确地了解混凝土的损伤断裂过程以及内部力学性能。针对多边形随机骨料的生成，国内一些研究者提出了不同的算法，如高政国等提出二维混凝土多边形骨料的生成算法［1］，张剑等提出任意面积百分比和任意边数多边形骨料的生成算法［2］，孙立国等提出了通过一次性投放三角形基
小∶ 中∶ 大∶ 特大 1∶ 0∶ 0∶ 0 5． 5∶ 4． 5∶ 0∶ 0 3∶ 3∶ 4∶ 0 2∶ 2∶ 3∶ 3
为在细观尺度上进行混凝土二维细观数值模拟，
首要的问题是将实际混凝土三维级配转化为二维级
配。于是，瓦拉文基于球形骨料在试件空间上等概率
分布的假定，建立了混凝土试件空间内骨料级配及含量与其内截面所切割骨料面积的关系模型［9］，使混凝
不过所得到的所有 φ（ j）之和不一定等于 2π，为
满足此条件，需对 φ（ j）作如下修正
h
φ（ j） = φ（ j） 2π /Σ φ（ i）
（ 3）

基于细观层次混凝土随机骨料模型创建研究

ｏｎａｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓｉｎｃｒｅａｔｉｎｇｃｏｎｃｒｅｔｅａｇｇｒｅｇａｔｅｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｃｏｎｃｒｅｔｅａｇｇｒｅｇａｔｅｍｏｄｅｌｃｒｅａｔｅｄｉｎｔｈｅａｇ — ｇｒｅｇａｔｅｓｈａｐｅ，ｐａｒｔｉｃｌｅｃｏｕｎｔ，ｅｆｆｅｃｔｉｖｅａｇｇｒｅｇａｔｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，ｉｎｔｒｕｓｉｏｎｒｕｌｅａｎｄｄｅｌｉｖｅｒｙｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｏｔｈｅｒｉｓｓｕｅｓ，ａｒｅ
构有限元几何模型中一个重要部分。１混凝土研究层次分级
众多研究学者基于混凝土多种组成成分间相互作用和
影响的细微观机理理论，并从多相细微观结构的角度出发，把混凝土材料研究分为４个层次＿＿８，即宏观、细观、微观和纳
０引言
混凝土是多相复合、性质复杂的材料，目前尚未完全被人们全面深入了解和认识，例如，尺寸效应、微观裂缝扩展情况、混凝土材料的应变软化特性和破坏机理等＿１］。
长期以来，混凝土的研究结果大多是基于大量试验，而试验仅能观察到混凝土材料的表面破坏过程，无法真正了解

二维混凝土骨料随机生成与投放算法及程序

ａｇｇｒｅｇａｔｅｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅ，ａｎｄｉｔｓｇｅｏｍｅｔｉｒｃｍｏｄｅｌｉｓｔｈｅｂａｓｉｓｆｏｒｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ
ｍｅｃｈａｎｉｃｓｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｃｏｎｃｒｅｔｅ．Ｂｕｉｌｄｉｎｇａｃｏａｒｓｅａｇｒｅｇｇａｔｅｇｅｏｍｅｔｉｃｒｍｏｄｅｌｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｒｅｆｌｅｃｔｔｈｅ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅａｌｎｕｍｂｅｒｓｏｌｕｔｉｏｎｓｏｆｅｌｌｉｐｔｉｃｅｑｕａｔｉｏｎｓ，ａｎｅｗｉｎｔｅｆｅｒｒｅｎｃｅ
ＲＥＮＺｈｉ — ｇａｎｇ，ＸＵＢｉｎ，ＬＩＰｅｉ－ｐｅｎｇ，ＸＵＣｈａｎｇ－Ｗｉｔ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇａｎｄＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７０，Ｃｈｉｎａ）
ｒａｇｄａｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｅｎｔｉｎｔｈｅｐｒａｃｔｉｃｌａｃｏｎｃｒｅｔｅｉｓｏｆｇｒｅａｔｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｃｅｔｏｔｈｅｍｅｓｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｎｕｍｅｉｃｒａｌ

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文章编号：６３２４（０９０ —０９０１７０９２０）４０５－７
混凝土细观分析中随机多边形骨料生成方法
侯宇星，立成王
（连理工大学土木水利学院，宁大连１６２）大辽１０４
ｉｆｕｅｃｓｏｅｈｎｃｌｐｒｐｅｔｅｎｃｃｅｅｓｃｍｅｄｅｎｉｘａｅｓｏｎｄｃｍｐｅｓｏｎｌｎｅｆｍｃａｉａｏｒｉｓｏｏｎｒｔｐｅｉｎｓｕｎｒｕａｉｌｔｎｉｎａｏｒｓｉｎ
ＡｂｔａｔＡｎｉｐｒｖｅｎｅａｉｅｈｏｆｒｎｄｍｏｒｔｇｇｒｇａｅｎ２Ｄａｅｓｄｎｓｒｃ：ｍｏｄｇｅｒｔｎｇｍｔｄｏａｏｃｎｃｅｅａｅｔｓｉ－ｒａｂａｅｏａｅｃｉｅｉａｇｎｒｔｎｐａｔｒｗａｐｏｓｄ．Ｔｈｒｕｇｉｐｒｖｉｇｇｅｔｅｅｉｎｒａｒｔｒａｎｄｅｅａｉｇｔｅｎｓｒｐｏｅｏｈｍｏｎａｇｒｇａｅｘｔｎｓｏ
ＭｅｏｃｐｉｉｕａｉｎｏｎｒｔｓｓｏｃＳｍｌｔｏｆＣｏｃｅｅ
ＨＯＵｕｘｎｇ，ＷＡＮＧ — ｈｅｇＹ —ｉＬｉｃｎ
（ｈｏｖｌａｄＳｃｏｌｏｆＣｉｉｎＨｙａｕｉｇｉｅｉｇ，ＤａｌｎＵｎｉｒｉｙｏｅｈｎｏｇｄｒｌｃＥｎｎｅｒｎｉａｖｅｓｔｆＴｃｏｌｙ，Ｄａｌｎ６４，Ｌｉｏｎｎｇ，Ｃｈｉ）ｉ１１０２ａａｉｎａ
ｐｙｏｎａｇｒｇａｅｗａｒｉｅｏｌｇｇｅｔｓｓａｓｄ，ａｔｅｏｍｐｕａｉａｐｏｇａｗａｓｂｓｑｎｔｙｍｐｏｅ．ｎｄｈｃｔｔｏｎｌｒｒｍｓｕｅｕｅｌｉｒｖｄ
Ｆｉｌｙ，ｔｒｇｈｃｍｐａｉｇｔａｃａｉｎｘａｎａｌｈｏｕｏｒｎｈｅｃｌｕｌｔｏｅｍｐｌｓｕｎｄｒａｘａｅｉｎａｄｏｐｅｓｏｅｅｉｌｔｎｓｏｎｃｍｒｓｉｎ，ｔｈｅ
状对混凝土试件拉压力学性能数值模拟结果的影响很小。
关键词：凝土；机多边形骨料；维模型；值模拟；观分析；坏形态混随二数细破中图分类号：ＴＵ５８２文献标志码：Ａ
ＧｅｅａｉｇＭｅｈｄｏｎｍｌｇｎＡｇｒｇｔｎｎｒｔｎｔｏｆＲａｄｏＰｏｙｏｇｅａｅｉ
ｃｄｉｉｎａｉｉｉｈｅｃｏｎｔｏｎｄｌｍｔｎｇｔｏｎｄｔｏｎｏｆｓｅｉｌｐｎ ’ ｏａｉｎ，ｔｅｇｎｅａｉｎｅｆｃｅｙｏｆｒｎｄｍｉｉｐｃａｏｉｔＳｌｃｔｏｈｅｒｔｏｆｉｉｎｃａｏ
第２６卷第４期２Ｏ０９年１２月
建筑科学与工程学报
ＪｕｎｌｆｃｉｃｕｅａｄＣｉｉＥｇｎｅｉｇｏｒａｏｈｔｔｒｎｖｌｎｉｅｒｎＡｒｅ
２０９ｃ０
ａｇｒｇｔｈａｌｔｌｅｆｃｏｔｔｎｉｅｎｄｏｐｅｓｖｍｅｈａｉａｐｏｒｉｓｆｏｒｔｇｅａｅｓｉｔｅｆｅｔｎｈｅｅｓｌａｃｍｒｓｉｅｃｎｃｌｒｐｅｔｅｏｃｎｃｅｅ
ｗｅｅａａｙｅｏｐｒｎｔｆｅｅｔｓｐｓｆａｇｒｇｔｓ，ｓｈａｉｃａｇｅａｅｎｄｒｎｌｚｄｂｙｃｍａｉｇｈｅｄｉｆｒｎｈａｅｏｇｅａｅｕｃｓｃｒｕｌｒａｇｒｇｔａｐｙｎａｇｒｇａｅＴｈｅｒｓｌｈｏｌｇｏｇｅｔ．ｅｕｔｓｏｗｓｔｔｔｏｃｅｅｐｃｍｅｔｉｃａｇｇｅａｅｖｈａｈｅｃｎｒｔｓｅｉｎｓｗｉｈｃｒｕｌｒａｒｇｔｓｈａｅ
ｓｉｔｙｈｉｅｓｒｎｈｈｎｈａｏｐｏｙｇｎｇｇｅａｅｌｇｈｌｇｈｒｔｅｇｔｔａｔｔｆｌｏａｒｇｔｓ，ｗｈｉｈｌｏｎｄｃｔｓｈａｓｐｅｆｃａｓｉｉａｅｔｔｈａｏ
摘要：出了一种以改进面积判别准则和凸多边形生成方式为基础的二维混凝土骨料随机生成算提
法。通过对骨料延伸条件的改进和定点位置条件的限定，改进了程序的可执行性，高了随机多边提
形骨料的生成效率；过轴向拉压计算实例对比分析了圆形和多边形骨料对于混凝土试件单轴抗通拉、抗压力学性能的影响。结果表明：圆形骨料试件抗拉、抗压能力略高于多边形骨料试件，骨料形