一种混凝土试件非规则裂缝数值模拟方法及系统与流程

1.本发明公开了一种混凝土试件非规则裂缝数值模拟方法及系统，属于数值模拟技术领域。


背景技术：

2.混凝土裂缝是由于混凝土结构受内外因素的作用而产生的物理结构变化产生的，而裂缝是混凝土结构物承载能力、耐久性及防水性降低的主要原因。由于混凝土抗拉强度远低于抗压强度，当混凝土内部产生拉应力超过其抗拉强度时，就会产生裂缝。因此，需要制备混凝土试件，并对该试件进行拉伸试验，用以确定混凝土的力学性能。
3.为模拟拉伸试验过程中，混凝土试件裂缝扩展直至断裂的整个过程，现有技术通常是使用abaqus软件中的扩展有限元法(extended finite element method，xfem)进行模拟，扩展有限元法可以很好的模拟二维和三维准静态或动态问题中裂缝的产生和扩展。但是在abaqus软件中赋予材料属性阶段，其只能赋予材料一种属性，相当于视混凝土试件为一种材料组成的均质试件。
4.混凝土是由胶凝材料和骨料组成的，由于材料混合不均匀、内部存在气孔等因素，导致其实际是一种典型的非均质脆性材料。通过对混凝土的断面进行观察，在单轴拉伸的作用力下，其断面的裂缝粗糙呈现出一种曲折粗糙的锯齿状，具有自相似的泛形特征，这种断面表现出的泛形特征也反映出材料内部力学特性的非均匀性。而使用现有技术中的扩展有限元法模拟的裂缝是一条光滑的直线，模拟精度低，导致对混凝土试件的力学性能评估错误，降低建筑物的安全性。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于，提供一种混凝土试件非规则裂缝数值模拟方法及系统，以解决现有技术中使用扩展有限元法模拟的裂缝是一条光滑的直线，模拟精度低的技术问题。
6.本发明的第一方面提供了一种混凝土试件非规则裂缝数值模拟方法，包括：
7.构建混凝土试件的有限元模型，并对所述有限元模型进行网格划分，得到n个网格；
8.获取所述混凝土试件的m种性能参数，并随机生成每种所述性能参数的n个数值，每种所述性能参数均服从威布尔分布；
9.将每种所述性能参数的n个数值一一赋值于所述n个网格中，运行所述有限元模型，得到模拟的非规则裂缝。
10.优选地，所述m为2，则所述2种性能参数具体为弹性模量和泊松比。
11.优选地，所述有限元模型中包括初始裂缝，则在对所述有限元模型进行网格划分之前还包括：
12.根据所述初始裂缝的位置确定裂缝扩展的富集区域。
13.优选地，所述初始裂缝的长度为0.5～25mm。
14.优选地，所述富集区域为距所述初始裂缝3～5mm的裂缝两侧的区域。
15.优选地，对所述有限元模型进行网格划分，具体包括：
16.采用平面四边形单元对所述有限元模型进行网格划分，且所述富集区域内的网格的边长小于其他区域的网格。
17.优选地，所述网格的边长为0.5～4mm。
18.优选地，构建所述有限元模型的同时对所述混凝土试件进行拉伸试验；
19.对所述混凝土试件进行拉伸试验，具体为：
20.在所述混凝土试件相对两侧施加大小相等、方向相反的位移荷载；
21.所述初始裂缝的延伸方向垂直于所述位移荷载的方向。
22.本发明的第二方面提供了一种混凝土试件非规则裂缝数值模拟系统，包括：
23.构建及划分模块，所述构建及划分模块用于构建混凝土试件的有限元模型，并对所述有限元模型进行网格划分，得到n个网格；
24.参数生成模块，所述参数生成模块用于获取所述混凝土试件的m种性能参数，并随机生成每种所述性能参数的n个数值，每种所述性能参数均服从威布尔分布；
25.运行模块，所述运行模块用于将每种所述性能参数的n个数值一一赋值于所述n个网格中，运行所述有限元模型，得到模拟的非规则裂缝。
26.本发明的混凝土试件非规则裂缝数值模拟方法及系统，相较于现有技术，具有如下有益效果：
27.由于abaqus在赋予材料属性时只能赋予一种属性，导致模拟出的裂缝为光滑曲线，其并不能真实反映混凝土成型时材料的不均匀分布，因此本发明采用编写python脚本，限定弹性模量、泊松比服从威布尔分布，并将其一一赋予到每一个网格来模拟材料的不均匀分布，从而使得模拟的裂缝为非规则裂缝，更贴近实际中的裂缝的形状，提升了模拟精度，提高了混凝土试件的力学性能评估结果的准确性。
28.本发明可准确模拟混凝土拉伸的断裂裂缝从扩展直至断裂的整个过程，可获得与实际相符的非规则裂缝，为不同强度及性能的混凝土材料的及相关破坏试验的裂缝数值模拟提供方法。
附图说明
29.图1为本发明实施例提供的混凝土试件非规则裂缝数值模拟方法的流程图；
30.图2为本发明实施例提供的有限元计算模型图；
31.图3为本发明实施例提供的混凝土试件非规则裂缝数值模拟系统的结构示意图；
32.图4为本发明的具体实施例中弹性模量(e)为50时的裂缝扩展图；
33.图5为本发明的具体实施例中弹性模量(e)为100时的裂缝扩展图；
34.图6为本发明的具体实施例中弹性模量(e)为150时的裂缝扩展图；
35.图7为本发明的具体实施例中弹性模量(e)为200时的裂缝扩展图；
36.图8为本发明的具体实施例中形状系数(m)为4时的裂缝扩展图；
37.图9为本发明的具体实施例中形状系数(m)为6时的裂缝扩展图；
38.图10为本发明的具体实施例中形状系数(m)为8时的裂缝扩展图；
39.图11为本发明的具体实施例中形状系数(m)为10时的裂缝扩展图；
40.图12为本发明的具体实施例中网格边长为0.25mm时的裂缝扩展图；
41.图13为本发明的具体实施例中网格边长为0.5mm时的裂缝扩展图；
42.图14为本发明的具体实施例中网格边长为1mm时的裂缝扩展图；
43.图15为本发明的具体实施例中网格边长为2mm时的裂缝扩展图；
44.图16为本发明的具体实施例中裂缝开始扩展时的示意图；
45.图17为本发明的具体实施例中47增量步的裂缝扩展图；
46.图18为本发明的具体实施例中241增量步的裂缝扩展图；
47.图19为本发明的具体实施例中576增量步的裂缝扩展图。
48.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
49.101为构建及划分模块；102为参数生成模块；103为运行模块。
具体实施方式
50.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
51.本发明的第一方面提供了一种混凝土试件非规则裂缝数值模拟方法，如图1所示，包括：
52.步骤1、构建混凝土试件的有限元模型，并对有限元模型进行网格划分，得到n个网格。
53.其中，构建混凝土试件的有限元模型，具体包括：
54.步骤1.1、在abaqus软件或者cae软件中构建混凝土试件在拉伸试验中的有限元模型，生成有限元网格信息。其中，有限元模型中包括初始裂缝。
55.在一个具体实施例中，在构建的有限元模型的左端有一单边初始裂缝，初始裂缝的长度a的范围是0.5～25mm。
56.步骤1.2、根据初始裂缝的位置确定裂缝扩展的富集区域。在一个具体实施例中，考虑到计算机的性能问题及实际情况，仅将距初始裂缝3～5mm的裂缝两侧的区域选取为裂缝扩展的富集区域。
57.步骤1.3、对有限元模型进行网格划分，得到n个网格，具体为：
58.采用平面四边形单元对有限元模型进行网格划分，且富集区域内的网格的边长小于其他区域的网格，即在裂缝扩展的富集区域内，网格细化。
59.在一个具体的实施例中，网格的边长为0.5～4mm。在该边长范围内，能够得到最佳的模拟裂缝。
60.步骤2、获取混凝土试件的m种性能参数，并随机生成每种性能参数的n个数值，每种性能参数均服从威布尔分布。
61.本发明使用威布尔分布(weibull distribution)描述混凝土试件的非均匀性，该描述过程在模拟裂缝扩展中的材料参数设置步骤进行。材料参数根据试验参数或标准参数设置，主要参数为弹性模量e、泊松比μ、拉应力f、断裂能k，上述参数中弹性模量和泊松比服从威布尔分布，其余参数例如断裂能、拉应力、形状参数都是以正常指标取n个值。利用形状
参数或均质度m表示材料分布的非均匀程度，m越大，材料各部分的力学属性越集中，材料越均匀。该步骤可在python中实现，具体为应用python语言，根据威布尔分布生成弹性模量e、泊松比μ的随机场样本。
62.进一步地，本发明可以从弹性模量，形状系数，网格密度等多个层面进行对比，找出影响裂缝扩展复杂度的影响因素，计算出最佳效果图。
63.步骤3、将每种性能参数的n个数值一一赋值于n个网格中，运行有限元模型，得到模拟的非规则裂缝。
64.在一个具体的实施例中，python脚本将弹性模量e、泊松比μ，拉应力f、断裂能g1、g2、g3一一赋予到对应的网格上。
65.本发明实施例中，为了尽可能真实的模拟试验过程，在混凝土试件相对两侧施加大小相等、方向相反的位移荷载，加载方式采用单轴拉伸一步加载，其中初始裂缝的延伸方向垂直于位移荷载的方向，如图2所示。
66.本发明的应用对象可为普通混凝土或者超高性能混凝土，对混凝土类型不作限定。
67.本发明的第二方面提供了一种混凝土试件非规则裂缝数值模拟系统，如图3所示，包括构建及划分模块101、参数生成模块102和运行模块103。
68.其中构建及划分模块101用于构建混凝土试件的有限元模型，并对有限元模型进行网格划分，得到n个网格；
69.参数生成模块102用于获取混凝土试件的m种性能参数，并随机生成每种性能参数的n个数值，每种性能参数均服从威布尔分布；
70.运行模块103用于将每种性能参数的n个数值一一赋值于n个网格中，运行有限元模型，得到模拟的非规则裂缝。
71.下面将以更为具体的实施例详述本发明的方法。
72.对超高性能混凝土的拉伸破坏形态进行数值模拟，根据t/cecs 10107-2020《超高性能混凝土(uhpc)技术要求》中的抗拉性能试验方法，选取拉伸试件有效拉伸区为计算的有限元简化模型，模型尺寸为l
×
w＝200mm
×
50mm。考虑到计算机的性能问题及实际情况，仅将裂缝两侧4mm区域选取为富集区域。
73.为了验证弹性模量，形状系数，网格密度等参数对裂缝扩展复杂度影响，得出裂缝扩展最佳效果且适用一般情况，分别选取当弹性模量(e)＝200，150，100，50时，形状系数(m)＝4，6，8，10时，网格边长＝2mm，1mm，0.5mm，0.25mm时裂缝扩展图进行对比。为了验证弹性模量的大小与泛型裂缝扩展复杂度的关系，选择不同的弹性模量服从weibull分布观察其大小与裂缝复杂度关系。模拟得到的泛型裂缝扩展如图4至图7所示。从弹性模量裂缝扩展度效果图对比中可以看出，弹性模量e＝50时裂缝扩展粗糙度最大。
74.为了更好模拟效果，在对形状系数m裂缝复杂度模拟时，选取弹性模量e＝50。模拟得到的泛型裂缝扩展如图8至图11所示。
75.从上图8至图11可以看出，形状系数m由小变大时，裂缝扩展的粗糙度逐渐变小，与威布尔分布密度公式保持一致。
76.在应用扩展有限元对材料进行断裂失效分析时，必须考虑单元网格尺寸对计算结果的影响。理论上，网格越密集计算结果越精确，但过分增加网格密度将会迅速增加计算所
需时间。当网格细化到一定程度后继续增加网格对计算结果精度的提高基本可以忽略不计。因此为了模拟结果的精确，选取4种网格大小进行精确度计算，并确定弹性模量(e)＝50，形状系数(m)＝4，所得结果如图12至图15所示，从如图12至图15可以看出网格边长l＝0.25时，与l＝0.5时裂缝扩展形状及粗糙度相似，因此当网格边长l＝0.5时就可以精确表达裂缝扩展。
77.裂缝的最佳效果展示图如图16至图19所示。
78.可见，本发明可准确模拟混凝土拉伸的断裂裂缝从扩展直至断裂的整个过程，可获得与实际相符的非规则裂缝，为不同强度及性能的混凝土材料的及相关破坏试验的裂缝数值模拟提供方法。
79.以上所述，仅是本技术的几个实施例，并非对本技术做任何形式的限制，虽然本技术以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本技术，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本技术技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

技术特征：
1.一种混凝土试件非规则裂缝数值模拟方法，其特征在于，包括：构建混凝土试件的有限元模型，并对所述有限元模型进行网格划分，得到n个网格；获取所述混凝土试件的m种性能参数，并随机生成每种所述性能参数的n个数值，每种所述性能参数均服从威布尔分布；将每种所述性能参数的n个数值一一赋值于所述n个网格中，运行所述有限元模型，得到模拟的非规则裂缝。2.根据权利要求1所述的混凝土试件非规则裂缝数值模拟方法，其特征在于，所述m为2，则2种性能参数具体为弹性模量和泊松比。3.根据权利要求1所述的混凝土试件非规则裂缝数值模拟方法，其特征在于，所述有限元模型中包括初始裂缝，则在对所述有限元模型进行网格划分之前还包括：根据所述初始裂缝的位置确定裂缝扩展的富集区域。4.根据权利要求3所述的混凝土试件非规则裂缝数值模拟方法，其特征在于，所述初始裂缝的长度为0.5～25mm。5.根据权利要求3所述的混凝土试件非规则裂缝数值模拟方法，其特征在于，所述富集区域为距所述初始裂缝3～5mm的裂缝两侧的区域。6.根据权利要求3所述的混凝土试件非规则裂缝数值模拟方法，其特征在于，对所述有限元模型进行网格划分，具体包括：采用平面四边形单元对所述有限元模型进行网格划分，且所述富集区域内的网格的边长小于其他区域的网格。7.根据权利要求6所述的混凝土试件非规则裂缝数值模拟方法，其特征在于，所述网格的边长为0.5～4mm。8.根据权利要求3所述的混凝土试件非规则裂缝数值模拟方法，其特征在于，构建所述有限元模型的同时对所述混凝土试件进行拉伸试验；对所述混凝土试件进行拉伸试验，具体为：在所述混凝土试件相对两侧施加大小相等、方向相反的位移荷载；所述初始裂缝的延伸方向垂直于所述位移荷载的方向。9.一种混凝土试件非规则裂缝数值模拟系统，其特征在于，包括：构建及划分模块，所述构建及划分模块用于构建混凝土试件的有限元模型，并对所述有限元模型进行网格划分，得到n个网格；参数生成模块，所述参数生成模块用于获取所述混凝土试件的m种性能参数，并随机生成每种所述性能参数的n个数值，每种所述性能参数均服从威布尔分布；运行模块，所述运行模块用于将每种所述性能参数的n个数值一一赋值于所述n个网格中，运行所述有限元模型，得到模拟的非规则裂缝。

技术总结
本发明公开了一种混凝土试件非规则裂缝数值模拟方法及系统，其中方法包括构建混凝土试件的有限元模型，并对有限元模型进行网格划分，得到N个网格；获取混凝土试件的M种性能参数，并随机生成每种性能参数的N个数值，每种性能参数均服从威布尔分布；将每种性能参数的N个数值一一赋值于N个网格中，运行有限元模型，得到模拟的非规则裂缝。本发明可准确模拟混凝土拉伸的断裂裂缝从扩展直至断裂的整个过程，可获得与实际相符的非规则裂缝，为不同强度及性能的混凝土材料的及相关破坏试验的裂缝数值模拟提供方法。值模拟提供方法。值模拟提供方法。


技术研发人员：贺晶晶 胡炜 卢浩丹 王海婷 吴文博 赵坤龙 樊李浩 张磊超
受保护的技术使用者：中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/7/27