一种在混凝土细观有限元模型中嵌入黏聚单元的方法

1.本发明涉及混凝土细观有限元模型构建技术领域，尤其涉及一种在混凝土细观有限元模型中嵌入黏聚单元的方法。


背景技术：

2.混凝土作为应用最为广泛的复合建筑材料之一，其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。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，而数值模拟研究的便捷性和重要性日渐凸显。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。因此，从细观尺度开展混凝土开裂行为的数值模拟是混凝土断裂性能研究的重要方向。
3.粘聚单元是研究混凝土裂缝问题的有效工具，它可以较好地避免裂缝尖端出现应力奇异的现象。在传统的有限元模型中全局嵌入零厚度粘聚单元，可将粘聚单元应用于混凝土开裂行为的数值分析。粘聚单元模型具有与有限元方法相容性好、模拟结果精度较高等优点，并且已经在诸多混凝土开裂试验和一些混凝土坝的实际破坏过程的模拟中得到了有效的应用。混凝土的开裂通常以细观尺度的微裂缝为起点、在砂浆和界面过渡区进行扩展，因此，需在这些区域进行粘聚单元的全局嵌入。
4.现有的商业软件只提供了在有限元模型中局部嵌入粘聚单元的指令，为了模拟大型实体结构的全局开裂破坏过程，一些学者对粘聚单元的全局批量嵌入方法进行了研究。但是，基于粘聚单元进行混凝土坝开裂行为模拟时，仍存在粘聚单元全局嵌入效率较低、混合开裂模式表征方法欠缺等问题值得深入探讨。本发明旨在提出一种在模型开裂区域批量嵌入粘聚单元的方法，并基于python开发了的相应程序，以适应二维、三维不同尺寸混凝土细观模型的建模需求。
5.因此，提出一种在混凝土细观有限元模型中嵌入黏聚单元的方法，来解决现有技术存在的困难，是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种在混凝土细观有限元模型中嵌入黏聚单元的方法，可以适应二维、三维不同尺寸混凝土细观模型的建模需求。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种在混凝土细观有限元模型中嵌入黏聚单元的方法，包括以下步骤：
9.s1.获取混凝土骨料-砂浆数据，利用软件构建混凝土骨料-砂浆二相细观模型，对混凝土骨料-砂浆二相细观模型进行网格划分，并对混凝土骨料-砂浆二相细观模型中的骨料单元和砂浆单元进行分类存储，输出包含混凝土骨料-砂浆二相细观模型信息的文件；
10.s2.分别读取s1的文件中砂浆单元、骨料单元的所属集合、组成节点编号以及节点
坐标，确定需要插入粘聚单元的单元组成集合；
11.s3.记录集合中所有单元节点被使用的次数，并对所有单元节点进行重新编号及同位复制；
12.s4.遍历集合中的每个单元，将新生成的节点按照原始节点的连接关系进行连接生成新的单元边，进而实现原始节点与其新生成的新节点的连接；
13.s5.匹配首位节点相同的单元边形成多边形单元，并赋予粘聚单元类型，将新生成的黏聚单元分类存入相应集合，输出新的包含粘聚单元及其单元集合信息的文件，并导入软件进行后续分析。
14.上述的方法，可选的，s1中利用abaqus软件构建混凝土骨料-砂浆二相细观模型。
15.上述的方法，可选的，s2中利用查询关键词，读取s1中砂浆单元、骨料单元的所属集合、组成节点编号以及节点坐标。
16.上述的方法，可选的，s2中确定需要插入粘聚单元的单元组成集合主要内容为：
17.遍历并判断所有单元包含的所有节点是否出现在砂浆单元的节点组成信息中，若判断结果为“是”，则将该单元存入集合，进而形成需要插入粘聚单元的单元组成集合。
18.上述的方法，可选的，s3中对所有单元节点进行重新编号及同位复制，包括以下步骤：
19.s31.对所有单元节点按固定间隔d进行重新编号，即原节点编号为i，则新的节点编号为d*i；
20.s32.根据每个节点的重复次数复制生成具有相同节点坐标的新节点，并依次编号；
21.s33.在后续程序中可通过对节点编号整除d并取整来访问原始节点。
22.上述的方法，可选的，s5中将新生成的黏聚单元分类存入相应集合，具体内容为：
23.对生成的新生成的黏聚单元边进行搜索判断，若该黏聚单元相接两个单元均不属于骨料单元，则将该单元放入砂浆区黏聚单元集合；若该黏聚单元相接两个单元有一个属于骨料单元，则将该单元放入界面区黏聚单元集合。
24.上述的方法，可选的，s5中匹配首位节点相同的单元边形成多边形单元中，多边形单元包括但不限于四边形单元和六面体单元。
25.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种在混凝土细观有限元模型中嵌入黏聚单元的方法：
26.(1)abaqus生成和处理的inp文件包含了丰富的关键词索引信息，本发明提出的插入方法基于这些关键词对原始有限元模型的单元节点信息进行读取和处理，可以方便对需要插入粘聚单元的单元进行分开存储，不需要对插入区域进行识别，由此提高了方法的效率。
27.(2)本发明提出的插入方法在读入节点时，对节点进行进位制重编号，这样编号的优势在于，新生成的节点可直接在同位置处的原始节点之后进行编号，且在进行节点配对和连接时，可通过整除运算对节点编号进行方便有效的访问，而且不会打乱原始节点的相对编号关系。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
29.图1为本发明提供的一种在混凝土细观有限元模型中嵌入黏聚单元的方法流程图；
30.图2为本发明提供的在混凝土二维细观模型中嵌入黏聚单元的过程图；
31.图3为本发明提供的在混凝土三维细观模型中嵌入黏聚单元的过程图；
32.图4为本发明提供的在混凝土二维细观模型中嵌入黏聚单元的示意图；
33.图5为本发明提供的在混凝土三维细观模型中嵌入黏聚单元的示意图；
34.图6为本发明提供的在混凝土三维细观模型中嵌入单元数与所需时间的关系图；
35.其中，1-实体单元、2-粘聚单元、3-砂浆单元视图、4-粘聚单元视图、5-骨料单元视图。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.参见图1所示，本发明公开了一种在混凝土细观有限元模型中嵌入黏聚单元的方法，包括以下步骤：
38.s1.获取混凝土骨料-砂浆数据，利用软件构建混凝土骨料-砂浆二相细观模型，对混凝土骨料-砂浆二相细观模型进行网格划分，并对混凝土骨料-砂浆二相细观模型中的骨料单元和砂浆单元进行分类存储，输出包含混凝土骨料-砂浆二相细观模型信息的文件；
39.s2.分别读取s1的文件中砂浆单元、骨料单元的所属集合、组成节点编号以及节点坐标，确定需要插入粘聚单元的单元组成集合；
40.s3.记录集合中所有单元节点被使用的次数，并对所有单元节点进行重新编号及同位复制；
41.s4.遍历集合中的每个单元，将新生成的节点按照原始节点的连接关系进行连接生成新的单元边，进而实现原始节点与其新生成的新节点的连接；
42.s5.匹配首位节点相同的单元边形成多边形单元，并赋予粘聚单元类型，将新生成的黏聚单元分类存入相应集合，输出新的包含粘聚单元及其单元集合信息的文件，并导入软件进行后续分析。
43.进一步的，s1中利用abaqus软件构建混凝土骨料-砂浆二相细观模型。
44.进一步的，s2中利用查询关键词，读取s1中砂浆单元、骨料单元的所属集合、组成节点编号以及节点坐标。
45.进一步的，s2中确定需要插入粘聚单元的单元组成集合主要内容为：
46.遍历并判断所有单元包含的所有节点是否出现在砂浆单元的节点组成信息中，若
判断结果为“是”，则将该单元存入集合，进而形成需要插入粘聚单元的单元组成集合。
47.进一步的，s3中对所有单元节点进行重新编号及同位复制，包括以下步骤：
48.s31.对所有单元节点按固定间隔d进行重新编号，即原节点编号为i，则新的节点编号为d*i；
49.s32.根据每个节点的重复次数复制生成具有相同节点坐标的新节点，并依次编号；
50.s33.在后续程序中可通过对节点编号整除d并取整来访问原始节点。
51.具体的，s31中对所有单元节点按固定间隔d进行重新编号，d取10、100或1000，i为正整数。
52.进一步的，s5中将新生成的黏聚单元分类存入相应集合，具体内容为：
53.对生成的新生成的黏聚单元边进行搜索判断，若该黏聚单元相接两个单元均不属于骨料单元，则将该单元放入砂浆区黏聚单元集合；若该黏聚单元相接两个单元有一个属于骨料单元，则将该单元放入界面区黏聚单元集合。
54.进一步的，s5中匹配首位节点相同的单元边形成多边形单元中，多边形单元包括但不限于四边形单元和六面体单元。
55.在一个具体实施例中，包括以下内容：
56.s01.利用abaqus软件构建混凝土的骨料-砂浆二相细观模型，对其进行网格划分，并对模型中的骨料单元和砂浆单元进行分类存储，输出包含模型信息的inp文件；
57.s02.查询关键词，分别读取砂浆、骨料单元的所属集合、组成节点编号以及节点的坐标，确定需要插入粘聚单元的单元组成集合；
58.s03.记录集合中所有单元节点被使用的次数，并对所有单元节点进行重新编号及同位复制；
59.s04.遍历集合中的每个单元，将新生成的节点按照原始节点的连接关系进行连接生成新的单元边，进而实现原始节点与其新生成的新节点的连接；
60.s05.匹配首位节点相同的单元边形成四边形(或六面体)单元，并赋予粘聚单元类型，并将新生成的黏聚单元分类存入相应集合，输出新的包含粘聚单元及其单元集合信息的inp文件，并导入abaqus软件进行后续分析。参见图2、3所示，分别展示了实体单元1在混凝土二维、三维细观模型中嵌入黏聚单元2的过程。
61.所述s02.中“确定需要插入粘聚单元的单元组成集合”主要包括，遍历并判断所有单元包含的所有节点是否出现在砂浆单元的节点组成信息中，如果判断结果为“是”，则将该单元存入集合，进而形成需要插入粘聚单元的单元组成集合；
62.所述s03.中“对所有单元节点进行重新编号及同位复制”主要包括如下步骤：
63.s301.对所有单元节点按固定间隔100进行重新编号，即原节点编号为i，则新的节点编号为100*i；
64.s302.根据每个节点的重复次数n复制生成具有相同节点坐标的n-1个新节点，并依次编号为100*i+j(j＝1,2,
…
，n-1)；
65.s303.在后续程序中可通过对节点编号整除100并取整来访问原始节点；
66.所述s05.中“将新生成的黏聚单元分类存入相应集合”主要包括，对生成的新生成的黏聚单元边(面)进行搜索判断，如果该黏聚单元相接两个单元均不属于骨料单元，则将
该单元放入砂浆区黏聚单元集合；如果该黏聚单元相接两个单元有一个属于骨料单元，则将该单元放入界面区黏聚单元集合。参见图4所示，包括骨料单元4a、砂浆单元4b、骨料区粘聚单元4c、砂浆区粘聚单元4d，展示了在混凝土二维细观模型中嵌入黏聚单元的效果图。参见图5所示，包括砂浆单元视图3、删除了砂浆单元的粘聚单元视图4、删除了砂浆单元和粘聚单元的骨料单元视图5，展示了在混凝土三维细观模型中嵌入黏聚单元的效果图。参见图6所示，展示了本发明中在混凝土三维细观模型中嵌入单元数与所需时间的关系图，说明本发明嵌入黏聚单元的速度较快，且嵌入时间与嵌入单元数成正比。
67.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种在混凝土细观有限元模型中嵌入黏聚单元的方法，其特征在于，包括以下步骤：s1.获取混凝土骨料-砂浆数据，利用软件构建混凝土骨料-砂浆二相细观模型，对混凝土骨料-砂浆二相细观模型进行网格划分，并对混凝土骨料-砂浆二相细观模型中的骨料单元和砂浆单元进行分类存储，输出包含混凝土骨料-砂浆二相细观模型信息的文件；s2.分别读取s1的文件中砂浆单元、骨料单元的所属集合、组成节点编号以及节点坐标，确定需要插入粘聚单元的单元组成集合；s3.记录集合中所有单元节点被使用的次数，并对所有单元节点进行重新编号及同位复制；s4.遍历集合中的每个单元，将新生成的节点按照原始节点的连接关系进行连接生成新的单元边，进而实现原始节点与其新生成的新节点的连接；s5.匹配首位节点相同的单元边形成多边形单元，并赋予粘聚单元类型，将新生成的黏聚单元分类存入相应集合，输出新的包含粘聚单元及其单元集合信息的文件，并导入软件进行后续分析。2.根据权利要求1所述的一种在混凝土细观有限元模型中嵌入黏聚单元的方法，其特征在于，s1中利用abaqus软件构建混凝土骨料-砂浆二相细观模型。3.根据权利要求1所述的一种在混凝土细观有限元模型中嵌入黏聚单元的方法，其特征在于，s2中利用查询关键词，读取s1中砂浆单元、骨料单元的所属集合、组成节点编号以及节点坐标。4.根据权利要求1所述的一种在混凝土细观有限元模型中嵌入黏聚单元的方法，其特征在于，s2中确定需要插入粘聚单元的单元组成集合主要内容为：遍历并判断所有单元包含的所有节点是否出现在砂浆单元的节点组成信息中，若判断结果为“是”，则将该单元存入集合，进而形成需要插入粘聚单元的单元组成集合。5.根据权利要求1所述的一种在混凝土细观有限元模型中嵌入黏聚单元的方法，其特征在于，s3中对所有单元节点进行重新编号及同位复制，包括以下步骤：s31.对所有单元节点按固定间隔d进行重新编号，即原节点编号为i，则新的节点编号为d*i；s32.根据每个节点的重复次数复制生成具有相同节点坐标的新节点，并依次编号；s33.在后续程序中可通过对节点编号整除d并取整来访问原始节点。6.根据权利要求1所述的一种在混凝土细观有限元模型中嵌入黏聚单元的方法，其特征在于，s5中将新生成的黏聚单元分类存入相应集合，具体内容为：对生成的新生成的黏聚单元边进行搜索判断，若该黏聚单元相接两个单元均不属于骨料单元，则将该单元放入砂浆区黏聚单元集合；若该黏聚单元相接两个单元有一个属于骨料单元，则将该单元放入界面区黏聚单元集合。7.根据权利要求1所述的一种在混凝土细观有限元模型中嵌入黏聚单元的方法，其特征在于，s5中匹配首位节点相同的单元边形成多边形单元中，多边形单元包括但不限于四边形单元和六面体单元。

技术总结
本发明公开了一种在混凝土细观有限元模型中嵌入黏聚单元的方法，涉及混凝土细观有限元模型构建技术领域，包括：获取混凝土骨料-砂浆数据，利用软件构建混凝土骨料-砂浆二相细观模型，对混凝土骨料-砂浆二相细观模型进行网格划分，并对混凝土骨料-砂浆二相细观模型中的骨料单元和砂浆单元进行分类存储，输出包含混凝土骨料-砂浆二相细观模型信息的文件。本发明1)提出了一种在混凝土细观有限元模型中嵌入黏聚单元的方法；2)本发明提出的插入方法基于这些关键词对原始有限元模型的单元节点信息进行读取和处理，可以方便对需要插入粘聚单元的单元进行分开存储，不需要对插入区域进行识别，由此提高了方法的效率。由此提高了方法的效率。由此提高了方法的效率。


技术研发人员：秦向南 邵晨飞 陈旭东 郭进军 郑森
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：2023.04.13
技术公布日：2023/10/6