三维细观模型

三维细观模型（精选三篇）

三维细观模型 篇1

工程中使用的混凝土常在拉应力作用下开裂破坏而丧失预定功能,因此抗拉强度是混凝土结构设计中一个非常重要的力学参数。混凝土抗拉强度的测试手段有三种:劈裂试验、直接拉伸试验和破裂模量试验。由于影响各种方法的因素不同,会导致试验结果不一致。大尺度混凝土力学性能试验得到的结果虽然比较直观、可靠,但耗资较高而且周期较长,所得结果也会受试验条件限制只能近似反映宏观力学性能。随着近些年计算机技术和有限元技术的发展,人们提出了许多研究混凝土断裂的细观力学模型,如格构模型[1],该模型利用简单的弹脆性本构关系,假如模型中某一杆或梁的强度超过规定阀值,便将其移除来模拟混凝土开裂过程;基于弥散裂纹模型方法描述单元受拉破坏的M-H细观模型[2],该模型在模拟单轴拉伸、压缩、四点剪切时取得了令人满意的效果;基于最大拉应变和摩尔库伦准则描述细观 单元损伤 演化的MFPA模型[3],该模型也较好地模拟了混凝土拉伸、剪切、压缩的断裂过程;基于离散元基础提出的颗粒-界面元模型[4]、梁-颗粒模型[5]和马怀发等提出的随机骨料随机参数模型[6],这些模型采用双折线损伤变量演化模型对静荷载作用下混凝土单轴受压试验及全级配混凝土三点弯曲梁抗弯试验进行了数值模拟。目前基于随机骨料模型进行二维细观劈拉数值模拟[7]和大尺度混凝土三维细观劈拉数值模拟的研究还很少涉及,本文通过自编程序构建了三级配混凝土三维随机骨料模型和细观有限元模型,利用有限元分析技术模拟了不同骨料形状、骨料分布和垫条宽度对混凝土劈裂抗拉极限荷载及破坏形态的影响,为室内三级配混凝土力学性能试验提供了一定的参考。

1 三级配混凝土劈拉数值模拟

1.1 随机骨料模型

骨料是混凝土的主要组成材料之一,在混凝土中起骨架作用,骨料的粒径可用颗粒级配曲线表示。本文采用的数值试件按文献[8,9]给定的三级配混凝土配制,大石 ∶ 中石 ∶ 小石为4∶3∶3,每立方混凝土粗骨料用量1 549kg/m3,试件尺寸依据《水工混凝 土试验规 程》[10]选为300 mm×300 mm×300mm。由公式(1)计算得出 三维试件 内骨料粒 径40~80、20~40、10~20mm的体积率分别为0.226 7、0.170 0、0.170 0,骨料总含量56.67%。计算选取球形、椭球形和多面体骨料按文献[11]的方法进行投放得到三种不同形状的随机骨料模型如图1所示。

式中:Vagg为[ds,ds+1]级配段中骨料占混凝土试件的体积;dmax为骨料最大粒径;dmin为最小粒径;vcon为混凝土试件体积;vp为粗骨料与混凝土试件的体积比;P(d)为通过筛孔d骨料的质量百分比。

1.2 有限元模型及材料参数

在骨料模型上,以每颗骨料形心为缩放中心,骨料影响范围系数[12]为缩放因子在骨 料的外缘 生成界面,则试件空 间中骨料和界面的补集即为水泥砂浆体,这样便生成了混凝土三相细观几何模型。用尺寸3 mm的六面体单元 将混凝土 立方体试件剖分形成背景网格,把随机骨料模型置于此背景网格上,由每个六面体单元的顶点与三相介质的相对位置关系可实现细观各组分材料 属性赋予[13]。细观各组 分计算参 数按文献[14]及有关试验资料取为表1。混凝土细观三相介质的单元划分如图2所示。

2 细观各组分本构关系

混凝土损伤塑性模型是一个基于塑性的连续介质损伤模型,可用于建立混凝土和其他准脆性材料结构模型,使用各向同性弹性损伤结合各向同性拉伸和压缩塑性表示混凝土的非弹性行为[15]。该模型假定混凝土材料主要因拉伸开裂和压缩破碎而破坏,屈服或破坏面的演化由拉伸等效塑性应变和压缩等效塑性应变控制;流动法则为非关联塑性流动法则,流动能连续光滑且流动方向唯一。

本文通过《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2002)[16]附录C中建议的混凝土单轴应力应变曲线描述细观各组分应力 -应变关系,采用能量等效原理按照式(2)求出损伤因子与非弹性应变关系。

式中:t,c分别代表拉伸和压缩;ε珋ikn为非弹性应变;E0为弹性模量;σk为Cauchy应力;βk为非弹性 应变中塑 性应变所 占的比例,混凝土受压时取值范围为0.35~0.7,混凝土受拉时取值范围为0.5~0.95。

3 劈拉计算工况

混凝土劈裂抗拉强度按下式计算:

式中:fts为劈裂抗拉强度,MPa;P为破坏荷载,N;A为试件劈裂面面积,mm2。

《水工混凝土试验规程》中规定全级配混凝土劈拉试验垫条宽度为 。数值模拟中采用的将试件底面以对称轴为中心与垫条等宽度范围内的所有节点约束x、y、z方向的自由度,将试件顶面以对称轴为中心与垫条等宽度范围内的所有节点采用准静态位移加载,直至试件 破坏,以获得荷 载 ─ 位移曲线 下降段。

3.1 骨料分布及形状对劈拉极限荷载的影响

每种形状的骨料随机生成六组细观模型以分析骨料分布及形状对劈拉极限荷载的影响,其计算的劈拉荷载─位移曲线见图3,骨料形状样本1和样本2的劈拉最终破坏形态分别如图4和图5所示。

从图3可看出,试件开始受拉后荷载和位移按比例增大,此为弹性阶段。此后混凝土 出现少量 塑性变形,曲线呈微 凸状,斜率渐减。随后试件的承载力骤降形成一明显尖峰点即劈拉极限荷载,此时因试件开始出现劈裂裂缝,截面上有效受力面积逐渐减小导致荷载 - 位移曲线呈现出明显的下降段。用式(3)可计算出球形、椭球形、多面体骨料的六组试件劈拉强度平均值分别为2.06、2.03和1.84 MPa,这表明骨料形状差异对混凝土劈拉强度影响较小。利用文献[17]给出的大尺寸混凝土与湿筛小试件混凝土劈拉强度尺寸效应比为78%,将文献[18]给出的36个混凝土小试件劈拉强度平均值2.71 MPa折算为三级配混凝土劈拉强度为2.11 MPa,这与我们数值模拟的值较为接近,说明用细观数值计算方法能得出满意的解。

从图4、图5可看出由于骨料分布的随机性和材料强度的非均匀性等原因使得同一级配不同骨料分布、骨料形状的细观模型在静态劈裂时呈现出不同的破坏形态,这符合一般的宏观试验规律。从细观层次来说骨料分布不同会导致破坏形 态发生较大差异,但损伤破坏和裂纹发展趋势是相同的,即试件基本上被劈裂成两半。

劈拉破坏内部损伤形态如图6所示。计算采用连续介质损伤力学唯象方法通过拉伸损伤变量描述裂纹的扩展,损伤变量等于0对应无损状态,等于1对应完全损伤(断裂或者破坏)状态,0~1对应不同程度的损伤状态。从图6中可看到,裂纹带上单元的拉伸损伤变量接近于1,表明三种骨料形状的细观模型在劈拉破坏过程中,裂纹发展的基本规律都是先从界面起裂,逐渐扩展至砂浆区域,最后裂纹贯穿整个试件导致试件失稳破坏。由于粗骨料强度较 高,断裂一般 不会发生 在粗骨料内,裂纹产生和发展基本上是沿骨料和砂浆界面进行,即裂纹总是沿着最小阻力路径扩展。

3.2 垫条宽度对劈拉极限荷载的影响

不同的垫条宽度对劈拉试验结果影响较大,适宜的垫条宽度可有效缓解加载部位应力集中。垫条宽度过窄会产生应力集中致使混凝土试件出现局部破坏,影响试验结果;垫条宽度过宽又会使试件的受力趋向于单轴受压情况。本文考虑5种垫条宽度研究其对试件劈裂抗拉极限荷载的影响,垫条宽度取值及劈拉数值模拟结果如表2所示。

从计算结果看出,垫条宽度小于10mm时,由于加载部位应力集中导致混凝土局部压碎或过早屈服;当垫条宽度取为15mm时,混凝土试件能完整 地劈成两 半,加载部位 两侧虽存 在部分应力集中,但数值模拟结果与文献[18]给定的试验结果基本吻合;垫条宽度大于20mm时,混凝土试件的受力状态和破坏形态逐渐向立方体单轴受压过渡。

4 结 语

三维细观模型 篇2

缸体零件图如图56所示，

图56 缸体零件图图形分析该缸体零件图形由缸体、座、腔体以及缸体顶上两个半圆凸台和孔所组成。从左主视图中可看出缸体和其内的腔体均为回转面生成，底座为长方体并有一个矩形通槽，四角圆角半径为R=10mm，并且有4个沉孔和2个定位孔组成。其创建的操作方法如下：（1）利用“旋转”命令，将主视图右边的凸台、以及下面座图形去掉，旋转生成圆形缸体和内部直径为40和35mm的腔体造型。（2）将左视图中的上面圆的图形去掉，然后，连接上边线，拉伸生成座的造型。（3）将沉孔以中心线为准绘制成沉孔图形的一半封闭图形，旋转求差生成沉孔造型。再利用引性阵列生成其余3个沉孔。具体的创建操作如下：（1）除轮廓线（粗实线）图层打开，关闭其他所有的图层，或者保留可见轮廓线，而将其余全部删除。图57 修改后的图形（2）绘制封闭的图形。 将修改后的图形经过添加线段而构成封闭和图形后，然后，生成5个面域，如图57所示。（3）旋转生成缸体和腔体造型。 单击“建模”工具条上的“旋转”按钮，选择“图形1”，以图形最下边的线段为旋转轴，按回车键后，创建出如图58所示的缸体和腔体造型。图58 创建缸体造型                       图59 创建底座造型（4）创建底座造型。单击“建模”工具条上的“拉伸”按钮，选择“图形4”，输入拉伸值为60mm，创建底座造型如图59所示。（5）旋转生成实体。单击“建模”工具条上的“旋转”按钮，分别选择“图形2”、“图形3”、“图形5”，以各自的旋转轴线旋转生成回转实体。如图60所示。图60 旋转生成实体（6）圆形阵列。 单击“修改”工具条上的“阵列”按钮，在“阵列”对话框中选择“环形阵列”类型，以缸体的原心为环形阵列的中心点，设置数量为“6”，选择图形3生成的旋转实体，单击“确定”按钮，生成环形阵列。（7）运用“差集”命令，先选择缸体实体，回车后，再选择环形阵列创建的6个圆柱体，回车将6个圆柱体减去后，生成缸体前端面上的6个M6深14mm的螺纹底孔造型如图61所示。图61 创建前端螺纹底孔               图62 调整缸体至合适的位置（8）创建缸体上的两个半圆形凸台。其操作如下：① 调整视图方向。单击“视图”工具条上的“西南等轴测”按钮，然后，单击“动态观察”工具条上的“自由动态观察”按钮，旋转视图至一个合适的位置如图62所示的位置，② 建立UCS（用户）坐标系。 在命令行中输入：UCS 按回车键，再输入：N 新建用户坐标系，再按回车键，输入：3 即用3点确定坐标原点。用鼠标捕孔的中心点，将坐标原点设置在圆心处，如图63所示。图63 建立UCS坐标系                     图64 绘制图形③ 绘制图形。以坐标原点为圆心，画一个半径为15mm的圆，绘制的图形如图64所示。④ 创建一个面域。 用“面域”命令，选择图形，回车后，生成一个面域。⑤ 将生成的面域和旋转生成镜像至右边。如图65所示。提示：镜像可在前视平面内进行。图65 镜像实体             图66 创建半圆形凸台造型⑥ 拉伸面域创建半圆形凸台。选择左边的面域向下拉伸4mm。 再选择右边的面域向下拉伸15mm,再利用“并集”命令，创建缸体上左、右两边的半圆形凸台造型，如图65所示。⑦ 利用“差集”命令，将旋转生成的实体从缸体中减去，创建孔造型，如图67所示。移动前                移动后    图67 完成缸体部分的创建               图68 实体的平移（9）创建底座上的沉孔造型的操作：① 移动图形5旋转生成的实体。利用“M”（移动）命令，将实体向前移动10mm,结果如图68所示。② 实体的矩形阵列。单击“修改”工具条上的“阵列”按钮，选择“线性”阵列类型，设置参数如图69所示。选择移动后的实体，单击“确定”按钮，创建的实体线性阵列如图70所示。③ 利用“差集”命令，将线性阵列后的4个实体从底座上减去，创建4个沉孔造型。④ 底座4条垂直边圆角，圆角半径R=10mm，完成的底座造型如图71所示。图69 设置矩形阵列的参数图70 生成矩形阵列                     图70 完成底座的创建（10）缸体与底座的合成操作：① 在“前视平面”内，利用“RO”命令，将底认旋转90度。② 标注尺寸后，以标注的尺寸为移动的依据，如图71所示。③ 以缸体右边的边线为基准，移动后完成整个缸体的创建，如图72所示。图71 标注的尺寸 图72 缸体零件实体模型

用于三维引擎的模型制作总结 篇3

1.模型

组成三维模型的基本单位是空间的顶点（vertices），点点连接形成边，边与边围成封闭的多边形形成面。利用三维软件建模需要很好的考虑模型各部分的拓扑结构，还有拓扑线的连续性。这样做的好处是，后期为模型贴纹理以及做动画的时候会减少很多错误的发生。模型的拓扑结构包括组成模型各个部分的父子关系，层级关系，尽量保持模型的完成性和连续性，减少不必要的模型拆分。建模时要求单个多边形的顶点数不得超过4个，以4边形为主，偶尔可以使用三角形。合理的细节也很重要，尽可能减少顶点的个数有利于模型的后期修改，还可以大幅减轻三维引擎渲染模型的系统负荷。

2.材质

考虑到Unity3D等三维引擎不支持复杂的材质（如shell materal等），在三维软件中设定的材质应使用标准材质（standard），如果必须使用一些特效，将它们烘培（bake）成纹理贴图。此外，更多特效在三维引擎中可以借助shader来实现。

3.纹理贴图