全级配混凝土细观力学网格划分的单元切割法与等效弹模的计算

发布时间：2019-09-20 00:27

【摘要】：混凝土细观力学是研究混凝土材料性质的重要方法之一.首先,采用被占区域剔除法生成骨料,该方法能较快地完成高含量骨料的混凝土细观力学模型生成.然后,针对目前混凝土细观力学网格剖分的难题,提出了单元切割法,解决了全级配高含量骨料有限元网格剖分的难题,并且所产生的网格单元形状比较规则均匀.最后编写了三维细观混凝土试件等效弹模的数值计算程序.算例给出了湿筛二级配、三级配以及全级配混凝土的细观力学模型,并将单元切割法产生的网格应用于混凝土细观力学等效弹模的计算,数值计算结果与其他数学方法的结果接近,表明该方法具有较好的实用性.
【图文】：

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分的一种新的方法———单元切割法．图１是混凝土的球体骨料，图２为投放域的背景网格图．单元切割法的具体思路如下：首先，将投放域划分成比较规则的背景网格（网格的尺寸小于球体骨料的最小粒径），并形成单元之间的拓扑关系，包括点、线、面、单元之间的关系．然后将图１所示的骨料投放进图２的背景网格中．背景网格中的单元有３种类型：所有结点均在球外的单元为砂浆单元；所有结点均在球内的单元为骨料单元；单元部分结点在球内，部分结点在球外的单元，暂定为相交单元．图３所示的单元即为相交单元．对于砂浆单元和骨料单元不做处理．对于相交单元则进行如下的处理：球体骨料和背景网格的单元相交之后，新增点、线、面、子单元，然后再将新增子单元进行细分成有限单元．可以看出单元切割法主要涉及的几何拓扑计算算法如下．图１球体骨料图２投放域的背景网格图Ｆｉｇ．１ＳｐｈｅｒｅａｇｇｒｅｇａｔｅＦｉｇ．２Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｍｅｓｈ图３单元切割法示意图Ｆｉｇ．３Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｅｌｅｍｅｎｔｃｕｔｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ２．１背景网格拓扑信息对于背景网格，首先需要得到几何拓扑信息，包括模型中的单元总数、结点总数、单元棱线的总数、面的总数、共棱线的面数及面号、面相邻的单元号等．２．２新增交点的形成对于图３所示的模型，背景网格中的单元ＡＢ－ＣＤＥＦＧＨ的１２条棱线分别被球Ｏ１、Ｏ２切割．对于每条棱线的两个端点，如果两个端点分别在球面的两侧，那么该条棱线被球面切割，新增一个交点，并求出该交点的坐标．背景网格中的单元被所有的球体切

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２５３２８０６８８４０～８０ｍｍ大石颗粒数００００４７１２９８０～１５０ｍｍ特大石颗粒数０００００１８图４～６给出了湿筛二级配、三级配以及全级配混凝土的细观力学模型，图７为采用本文提出的单元切割法生成的有限元网格．图４二级配混凝土细观模型Ｆｉｇ．４Ｔｗｏ－ｇｒａｄｅｄｓｐｈｅｒｅａｇｇｒｅｇａｔｅｃｏｎｃｒｅｔｅｍｏｄｅｌ图５三级配混凝土细观模型Ｆｉｇ．５Ｔｈｒｅｅ－ｇｒａｄｅｄｓｐｈｅｒｅａｇｇｒｅｇａｔｅｃｏｎｃｒｅｔｅｍｏｄｅｌ图８和图９分别为全级配混凝土细观模型有限元网格Ｙ＝０．０ｍｍ及Ｘ＝０．０ｍｍ剖面的网格平切图，可以看出球形骨料里面以及骨料外面的砂浆单元均为六面体单元，球形骨料附近的单元被细分．利用本文方法生成的有限元网格形状比较均匀规则，，能够用于细观力学的计算分析．本文提出的单元切割法在个人计算机平台Ｉｎ－ｔｅｌ（Ｒ）Ｃｏｒｅ（ＴＭ）ｉ７－３７７０ＣＰＵ＠３．４０ＧＨｚ上很快就得到了有限元网格，而有限元软件划分网格时运图６全级配混凝土细观模型Ｆｉｇ．６Ｆｕｌｌ－ｇｒａｄｅｄｓｐｈｅｒｅａｇｇｒｅｇａｔｅｃｏｎｃｒｅｔｅｍｏｄｅｌ图７全级配混凝土有限元网格图Ｆｉｇ．７ＦＥＭｍｅｓｈｏｆｆｕｌｌ－ｇｒａｄｅｄｓｐｈｅｒｅａｇｇｒｅｇａｔｅｃｏｎｃｒｅｔｅｍｏｄｅｌ图８全级配细观模型有限元网格的平切图Ｙ＝０．０ｍｍＦｉｇ．８ＳｌｉｃｅｏｆＹ＝０．０ｍｍｐｌａｎｅｏｆＦＥＭｍｅｓｈｏｆｆｕｌｌ－ｇｒａｄｅｄｓｐｈｅｒｅａｇｇｒｅｇａｔｅｃｏｎｃｒｅｔｅｍｏｄｅｌ图９全级配细观模型有限元网格
【作者单位】：长江勘测规划设计研究院;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室;
【基金】：国家自然科学基金项目(编号:51079109) 中央高校基本科研业务费专项资金资助(编号:201120602020003)
【分类号】：TV431

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