[发明专利]一种基于离散元的大孔隙混凝土抗压试件模型构建方法

说明书

本发明公开了一种基于离散元的大孔隙混凝土抗压试件模型构建方法，包括以下步骤：任选一个非针片状的骨料，根据选出的骨料形状和尺寸，绘制骨料外轮廓的三维几何图；基于绘制的骨料外轮廓三维几何图，生成刚性颗粒簇模板；基于生成的刚性颗粒簇模板，按级配生成刚性颗粒簇作为初始的模拟骨料；将生成的刚性颗粒簇转为柔性颗粒簇作为最终的模拟骨料；对最终的模拟骨料进行模拟装料；对模拟装料后的试件进行模拟压实，并删除多余模拟骨料；在模拟骨料间赋予粘结，建立抗压试件模型。本发明建模方法有效平衡了计算精度和计算效率，提出了主要参数的选取和确定方法，显著提高了基于离散元的大孔隙混凝土抗压性能仿真分析的精准度。

技术领域

本发明涉及大孔隙混凝土抗压试件离散元模拟分析技术，具体涉及一种基于离散元的大孔隙混凝土抗压试件模型构建方法。

背景技术

为考虑开裂、分离等非连续因素对大孔隙混凝土力学性能数值模拟的影响，学者们开始利用离散元软件建立模型，主要存在以下三个问题：(1)骨料力学模型。目前多以无法被破坏的刚性颗粒簇模拟骨料，无法刻画骨料破碎和试件破坏的真实状态；(2)骨料形状模型。目前建立的颗粒簇模型使用的颗粒单元较少，或直接使用单个颗粒模拟骨料，与实际情况相差较大，且多采用2D模型，所用细观参数理论价值较低；(3)结构模型设计。普通混凝土的离散元结构模型多以“砂浆-骨料-粘结面”三相结构为主，而大孔隙混凝土具有孔隙率大、骨料点接触等特点，其结构模型设计应不同于传统混凝土，而目前对此研究较少。

专利CN 107657128 B基于CT扫描和图像处理技术得到的骨料轮廓信息，利用PFC2D建立了可考虑骨料自身破碎的堆积cluster模型，该专利存在以下局限性：(1)仅建立了2D模型；(2)不考虑颗粒重叠导致所用颗粒数目较多，降低了计算效率；(3)未考虑骨料间的粘结，不适用于大孔隙混凝土建模；(4)细观参数的物理意义较弱、理论价值较低，参数选择和修正也较为繁琐。

专利CN 106528979 B利用Matlab程序绘制随机多面体壳，在壳中填充颗粒，并将颗粒整体定义为一个clump，以形成模拟骨料，该专利未能考虑骨料自身的破碎，同时还存在CN 107657128B中所述的(2)(3)局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于离散元的大孔隙混凝土抗压试件模型构建方法，以提高基于离散元的大孔隙混凝土抗压试验仿真的效率和精确度。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于离散元的大孔隙混凝土抗压试件模型构建方法，包括以下步骤：

(1)任选一个非针片状的骨料，根据选出的骨料形状和尺寸，绘制骨料外轮廓的三维几何图；

(2)基于绘制的骨料外轮廓三维几何图，生成刚性颗粒簇模板；

(3)基于生成的刚性颗粒簇模板，按级配生成刚性颗粒簇作为初始的模拟骨料；

(4)将生成的刚性颗粒簇转为柔性颗粒簇作为最终的模拟骨料；

(5)对最终的模拟骨料进行模拟装料；

(6)对模拟装料后的试件进行模拟压实，并删除多余模拟骨料；

(7)模拟压实后，在模拟骨料间赋予粘结，建立抗压试件模型。

上述所有步骤均在离散元软件PFC3D(5.0版本)中进行，但也不限于该软件。

本发明一种基于离散元的大孔隙混凝土抗压试件模型构建方法，详细步骤为：