一種混凝土非均質(zhì)各向異性集料周圍界面過渡區(qū)幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種混凝土非均質(zhì)各向異性集料周圍界面過渡區(qū)幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu) 造方法，屬于混凝土微細(xì)觀數(shù)值試驗前處理技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 水泥顆粒在堆積過程中由于受到硬化集料表面制約，通常在硬化集料表面周圍形 成帶有一定厚度的相對高孔隙區(qū)域，該區(qū)域即為界面過渡區(qū)，而且大量的試驗和數(shù)值觀測 已經(jīng)證實了界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)特征對混凝土的力學(xué)和傳輸性能起著至關(guān)重要的作用。但是高 濃度條件下的集料周圍界面過渡區(qū)實際上是一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這導(dǎo)致了當(dāng)前無法直接 通過常規(guī)的試驗手段測量界面過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)特征。正因如此，國內(nèi)外學(xué)者嘗試著利用理論 或數(shù)值的方法來定量地獲取界面結(jié)構(gòu)特征，通過理論或數(shù)值的方法分析界面結(jié)構(gòu)特征的前 提是必須要輸入混凝土的三維結(jié)構(gòu)信息，因此，如何確定混凝土三維結(jié)構(gòu)信息是分析界面 過渡區(qū)結(jié)構(gòu)特征的關(guān)鍵所在。
[0003] 目前國際上主要是將混凝土在微細(xì)觀尺度上看成是由多分散集料顆粒隨機分布 在均質(zhì)水泥漿體中，并且每個集料周圍附著一層等厚度的軟界面層如此組成的三相復(fù)合材 料，也就是著名的hardcore-softshell結(jié)構(gòu)。若要構(gòu)造帶有如此特征的混凝土結(jié)構(gòu)，首先 得模擬滿足混凝土自身幾何特征的集料隨機分布，這個操作過程國內(nèi)外已經(jīng)有相當(dāng)?shù)难绣?成果和方法，如：隨機有序增加模型、分子動力學(xué)模型、離散元模型、力學(xué)收縮模型等。其次， 要實現(xiàn)集料周圍等厚度的界面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，常用的界面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)識別方法有內(nèi)切球半徑增大 機制，即以顆粒的內(nèi)切球半徑增加等厚度的形式確定界面幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該機制的實施保 證了界面形態(tài)與之對應(yīng)的顆粒形態(tài)一致，這對于球形集料顆粒并無異議，而且也便于后續(xù) 的數(shù)值模擬試驗。但混凝土內(nèi)的集料顆粒并非是由完美的球形粒子組成，代替它們的可能 是帶有一定的棱、面、角等復(fù)雜的幾何形態(tài)顆粒，而且對于如此復(fù)雜的幾何顆粒，利用內(nèi)切 球半徑增大的識別方法并不能真正地構(gòu)造出顆粒周圍等厚度的界面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因為復(fù)雜幾 何顆粒周圍的界面真實拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不可能保證與該顆粒保持形態(tài)一致，尤其對于那些具有棱 和角的幾何顆粒，而且這也最終會導(dǎo)致界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)特征的數(shù)值模擬結(jié)果不可靠。因此， 如何構(gòu)建復(fù)雜幾何集料顆粒周圍等厚度的界面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是實現(xiàn)混凝土三維幾何結(jié)構(gòu)的關(guān) 鍵及難點問題。
[0004] 因此，開發(fā)一種概念清晰、操作簡單、易識別與模擬、可推廣應(yīng)用至真實混凝土集 料周圍界面過渡區(qū)幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)造方法，對推廣和發(fā)展混凝土微細(xì)觀數(shù)值試驗具有十 分重要的現(xiàn)實意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，提供一種概念清 晰、理論簡單、便于實施的非均質(zhì)各向異性集料周圍界面過渡區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)造方法。
[0006] 為了實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的具體技術(shù)方案是：
[0007] -種混凝土非均質(zhì)各向異性集料周圍界面過渡區(qū)幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)造方法，其特 征在于包括以下步驟：
[0008] 步驟1 :確定集料顆粒的幾何模型表達方式；對于那些無法直接給出代數(shù)表達式 的復(fù)雜幾何形態(tài)的顆粒，通過四面體單元剖分方式將復(fù)雜顆粒轉(zhuǎn)化成由多個簡單的四面體 單元組成的集合，獲取集合中每個四面體單元的各個頂點信息；
[0009] 步驟2 :根據(jù)步驟1確定的顆粒頂點信息，幾何實現(xiàn)組成顆粒的每個頂點對應(yīng)的 界面拓?fù)鋮^(qū)域；具體是設(shè)定一個擴展球體，其半徑等于界面層厚度t，球心位于待考察顆粒 中每個四面體的頂點位置，則擴展球表露在顆粒外圍的區(qū)域即為該頂點對應(yīng)的界面拓?fù)鋮^(qū) 域；依次類推，一旦確定顆粒中每個四面體單元的頂點位置，那么每個四面體單元頂點對應(yīng) 的界面拓?fù)鋮^(qū)域即實現(xiàn)；
[0010] 步驟3 :根據(jù)步驟2確定的每兩個鄰近頂點組成的棱邊信息，幾何實現(xiàn)組成顆粒的 每條棱邊對應(yīng)的界面拓?fù)鋮^(qū)域；具體是設(shè)定一個擴展球體，其半徑等于界面層厚度t，球心 位于待考察顆粒中每個四面體棱邊的一個頂點位置，擴展球體以該頂點位置為出發(fā)點，沿 著棱邊滾動至球心位于鄰近頂點位置，滾動的軌跡構(gòu)成一個圓柱體，圓柱體的上、下頂點分 別對應(yīng)于該棱邊的兩個頂點，則該圓柱體表露在顆粒外圍的區(qū)域即為棱邊對應(yīng)的界面拓?fù)?區(qū)域；依次類推，顆粒含有n條棱邊即對應(yīng)于n個圓柱體，則n個圓柱體表露在顆粒外圍區(qū) 域即為該顆粒中所有棱邊對應(yīng)的界面拓?fù)鋮^(qū)域；
[0011] 步驟4 :根據(jù)步驟1、2和3確定的顆粒三角面信息，幾何實現(xiàn)組成顆粒的每個三角 面對應(yīng)的界面拓?fù)鋮^(qū)域；具體是設(shè)定一個擴展球體，其半徑等于界面層厚度t，球心位于待 考察顆粒中每個四面體的三角表面上，擴展球在三角表面上滾動一圈的軌跡仍然是一個三 角表面形貌，不考慮三角面的棱和角，將待考察的三角表面稱之為原始三角面，擴展球滾動 的軌跡為新三角面；對于原始三角面，擴展球滾動一圈后得到兩個新的三角面，該新的兩個 三角面分別位于原始三角面的兩側(cè)，新的三角面幾何位置是由原始三角面沿著其法向的正 負(fù)方向上分別平移且平移量等于擴展球體半徑；
[0012] 對于通過以上步驟構(gòu)造出的每個原始三角面對應(yīng)的兩個新三角面中，僅僅只需保 留其中一個新三角面，因為原始三角面對應(yīng)的界面拓?fù)鋮^(qū)域只是其中一個新三角面，而另 外一個必須被舍棄，保留原則是該構(gòu)造的新三角面為顆粒原始三角面法向量的外法線方向 上；那么，鑒別新三角面是否為原始三角面的界面拓?fù)鋮^(qū)域的基本策略如下：
[0013] 首先確定顆粒的形心或中心，根據(jù)上述獲取兩個新構(gòu)造面頂點位置，分別計算顆 粒形心到原始三角面的距離Cltl，顆粒形心到其中一個新構(gòu)造面的距離Cl1，比較屯和di的大 小，其中，空間中任意一點到面的垂直距離d，如下式所示：
【主權(quán)項】