【仿真技术】混凝土孔隙生成简易方法
目前主流的数值模拟中，都把混凝土模型考虑为三相，即骨料、砂浆、以及界面过渡区, 忽略了孔隙形状和分布等问题。本文提供了一种包含孔隙混凝土几何模型的生成方法，解决现有模拟中无法较为真实考虑混凝土孔隙的形状和分布的技术问题。
混凝土背景简介
在搅拌混凝土的过程中，由于空气介入，会在混凝土内部存留部分而无法排除。孔隙的随机分布特性以及孔隙大小、形状的差异性都很大。现有的混凝土生成技术都无法较为真切的实现对孔隙很好的模拟。虽然有学者采用了用X-CT扫描，以及混凝土切片的形式，但X-CT扫描的方式，经济成本比较昂贵，试验设备要求高；而切片方式易受到机器和人为因素的干扰。
图1 混凝土切片
混凝土结构建模
生成包含不同尺寸、分布和孔隙率的混凝土在相关数值模拟领域中具有重要意义。结合图1中混凝土的切片模型可知，多数孔隙尺寸相对较小，且形状更接近圆形或椭圆形。相关研究中表明，粗骨料（>4.75 mm）对混凝凝土性能影响更大;而细骨料可以忽略，视为砂浆 [1]。借鉴上述想法，本文将混凝土实现过程分为以下步骤，并提供一个相关案例：
步骤1：根据级配曲线、骨料总面积、骨料边数量区间和长短轴径比信息生成所有的骨料几何模型。其中，直径大于4.75 mm的设定为不规则的多边形；处于2-4.75 mm的几何模型设定为椭圆形；处于1至2 mm之间的设定为圆形。
图2 骨料几何模型
步骤2：将骨料的轮廓边界向外延伸扩展，把扩展后的骨料坐标数据导入离散元软件中，根据骨料坐标数据生成相同大小、形状的簇 （clump），并将模拟区域边界设定周期性边界 [2]；模拟簇的碰撞，使簇重新分布，得到骨料随机分布的混凝土模型。
图3 骨料重分布
步骤3：剪切处于模型边界上的骨料，并将混凝土模型网格化，获得整个模型的所有网格单元，通过中心点坐标对每个骨料的网格单元进行重新赋组，每个骨料设定为一个组别。
图4 骨料分组
步骤4:依次，遍历所有组，得到所有骨料的面积。设定两个孔隙区间与对应的孔隙率；对满足孔隙区间的骨料网格单元删除，直至满足对应的孔隙率。灰度化后的混凝土模型如图5所示，与图1具有较高的相似度，可提高后续相关混凝土数值模拟的准确性。
图5 混凝土模型
相关成果
基上述想法与实现过程，本文申请了相关专利：《一种采用离散元模拟的二维混凝土中孔隙的生成方法》。专利类型：发明专利；申请/专利号：CN202210918705.6
该方法实现过程的细节可去万方数据知识服务平台查询，具体地址为：https://d.wanfangdata.com.cn/patent/ChJQYXRlbnROZXdTMjAyMjEyMDcSEENOMjAyMjEwOTE4NzA1LjYaCHlneG50djdm
参考文献
[1] Wriggers, P. & Moftah, S. 2006. Mesoscale models for concrete: Homogenisation and damage behaviour. Finite elements in analysis and design, 42, 623-636.
[2] Meng, Q., Wang, H., Cai, M., Xu, W., Zhuang, X. & Rabczuk, T. 2020b. Three-dimensional mesoscale computational modeling of soil-rock mixtures with concave particles. Engineering Geology, 277, 105802.
