[發明專利]一種混凝土三維細觀仿真模型及其建立方法

有效

• 申請號: 201110052626.3
• 申請日: 2011-03-07
• 公開（公告）號: CN102136157A
• 公開（公告）日: 2011-07-27
• 發明（設計）人: 趙海濤;王潘繡;吳勝興;周繼凱;沈德建;王巖;黃冬輝;劉婷;展辰輝;聞世強
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G06T17/30
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 許方

技術領域

本發明涉及一種混凝土三維細觀仿真模型及其建立方法，屬于混凝土細觀數值試驗前處理技術領域。

背景技術

混凝土骨料-砂漿過渡區(界面層)對混凝土宏觀力學性能起著至關重要的作用，在混凝土細觀仿真中必須合理反映界面層的影響。但界面層實際厚度僅為15μm?~100μm，若按實際尺寸構建符合界面厚度的細觀模型，勢必存在模型單元數動輒百萬，單機環境下無法運行的問題。因此，如何兼顧界面層厚度以及計算機性能，在普通性能計算條件下實現混凝土三維細觀數值仿真是推廣和發展混凝土細觀數值試驗的關鍵及難點問題。目前國內外眾多學者通常采用界面單元細分方法、Delaunay漸變網格剖分方法以及并行有限元算法進行混凝土細觀數值試驗研究。界面單元細分方法通過對識別為界面的單元進行多次細分，減小界面單元尺寸構建混凝土細觀有限元模型。所生成界面單元尺寸雖然有所減小，但仍不符合混凝土界面層厚度要求，而多次細分后界面單元形態不佳也將直接影響計算結果的精確性。Delaunay漸變網格剖分方法可以實現界面和試件表面附近網格密，其他地方網格疏，是一種比較合理的混凝土細觀模型建模方法。但在實際使用時Delaunay漸變網格剖分方法使用復雜，細觀模型單元數規模也較大，無法適用于單機計算環境下的混凝土細觀數值試驗，因而基于Delaunay漸變網格剖分的混凝土有限元計算仍主要集中在混凝土二維細觀數值試驗。并行算法采用其特殊的存儲方式和求解技術，可較大程度縮短混凝土細觀數值試驗計算時間，節省50%~95%的計算機時。但并行算法需以高性能并行計算機（組）及并行程序為依托，適用范圍受到較大限制。

此外混凝土細觀模型骨料識別率也是影響混凝土細觀數值仿真精確度的重要因素之一，常用混凝土骨料識別方法分為背景網格法和Delaunay漸變網格剖分法。前者根據背景網格單元和骨料的相對位置確定骨料單元，該方法使用簡單，是目前混凝土骨料識別的常用方法，但骨料最終的識別率受背景網格尺寸的影響較大，尤其在網格尺寸略大的情況下識別后骨料單元的體積可能大幅度小于骨料實際投放量。后者則基于骨料實體直接剖分骨料單元，但Delaunay漸變網格剖分方法單元數眾多，無法適用于單機計算環境下的混凝土細觀數值試驗。

因此尋找一種概念清晰、使用簡單、骨料識別率高、對計算機性能要求低，可推廣應用至普通性能計算機和混凝土小型計算軟件的混凝土三維細觀仿真模型的建模方法，對推廣和發展混凝土細觀數值試驗具有十分重要的現實意義。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術所存在的不足，提供一種概念清晰、使用簡單、骨料識別率高、對計算機性能要求低的混凝土三維細觀仿真模型及其建立方法。

本發明的思路是在現有背景網格法的基礎上，引入無厚度界面單元的概念來模擬骨料-砂漿界面，具體而言，本發明采用以下技術方案解決上述技術問題：

一種混凝土三維細觀仿真模型，包括利用背景網格法生成的骨料單元、砂漿單元，其特征在于，該模型還包括無厚度界面單元，所述無厚度界面單元為骨料單元和砂漿單元的界面。

一種混凝土三維細觀仿真模型的建立方法，包括利用背景網格法對骨料單元、砂漿

單元進行識別的步驟，其特征在于，還包括將骨料單元和砂漿單元的界面模擬為無厚度界面單元的步驟。

所述將骨料單元和砂漿單元的界面模擬為無厚度界面單元的步驟，具體為：

首先對所有砂漿單元循環，讀取砂漿單元節點坐標，在此坐標下生成同坐標節點并標號，新生成的節點號與原背景網格的所有單元節點號均無重復；用新生成的節點替換砂漿單元中同坐標的節點號，并重新存儲砂漿單元信息；對所有骨料單元循環，讀取該骨料單元的節點號，判斷該骨料單元的節點是否出現在同一砂漿單元中，若該單元有3~4個節點出現在同一砂漿單元，則將該3~4個節點所確定的面作為骨料單元和砂漿單元的界面，并將其模擬為無厚度界面單元。

進一步地，所述利用背景網格法對骨料單元、砂漿單元進行識別的步驟，是根據骨料與背景網格單元的相對位置進行識別和細分，具體按照以下方法：

對于與任一骨料均無接觸的背景網格單元，將其識別為砂漿單元；

對于所有單元節點均位于某一骨料內的背景網格單元，將其識別為骨料單元；

對于部分單元節點位于某一骨料內的背景網格單元，則將該背景網格單元細分為兩部分，靠近該骨料的部分識別為骨料單元，另一部分識別為砂漿單元。