ABAQUS随机骨料建模插件

ABAQUS随机骨料建模插件V1.0

1. 插件简介

Random Aggregate Modeling V1.0 是一款基于Python 3语言开发的ABAQUS插件，用于建立3D随机骨料模型。该插件可实现多种单一形状（如球形、椭球形和多面体）或混合形状的骨料模型的生成，插件采用运动模拟的动态算法，能够高效地生成高骨料体积分数的骨料模型，提高工作效率，在复合材料数值模拟研究领域具有广阔的应用前景。

本插件适用的ABAQUS版本：ABAQUS 2024及以后的版本。

2. 插件界面介绍

插件包括主界面（Main Window）和参数界面（Parameters）。

2.1. 主界面

主界面用于设置随机骨料模型的主要参数，具体如下：

Model：指定创建的新部件位于ABAQUS中哪个模型。

Part：指定所要创建的新部件名称。

Container：随机骨料模型的外形，简称容器，分为长方体（Cuboid）和圆柱体（Cylinder）两种。

Cuboid：长方体容器，其左下角位于（0, 0, 0），右上角位于（length，width, height）。可以指定是否具有周期性（Periodic），如果不勾选Periodic，则所有骨料都位于容器内部；若Periodic选项被勾选，则骨料会被边界切割，并成周期性分布。

Cylinder：圆柱体容器，旋转轴为Z轴，其底面端面的中心为（0, 0, 0），顶部端面的中心为（0, 0, height），旋转半径为Radius。圆柱体容器无周期性属性

Margin：限定骨料表面到容器边界的距离，根据容器是否为周期性，可分为两种情况。当容器无周期性时，Margin表示骨料边界到容器边界的最小允许距离，如图2（a）所示；当容器有周期性时，Margin表示骨料表面与容器边界的最小重叠深度，如图2（b）所示。

图1 插件主界面

（a）非周期性

 （b）周期性

图2 容器的Margin参数示意图

Aggregates：骨料主要参数设置，可以指定骨料的级配（Particle Size Distribution）、骨料体积分数（Volume Fraction）、骨料间的最小间距（Min Distance）。

骨料级配的参数包括骨料形状（Shape，目前有三种球形、椭球形和多面体），粒径上限（Dmax）、下限（Dmin），以及该粒径段骨料体积占总骨料体积的比例（Proportion）。此外，还可以对每个粒径段的骨料设置集合名称（SetName），模型生成时对不同集合的骨料单独创建部件或集合。注意，这里所说的骨料粒径定义为具有相同体积的球形骨料的直径。

Volume Fraction：骨料总体积与容器体积的比值。

Min Distance：骨料间的最小间距。在实际应用中，Min Distance应该大于两倍的ITZ厚度；间距越大，有限元网格的单元尺寸可以设置的更大，有效减小有限元网格的规模。

2.2. 参数界面

参数界面用于设置骨料形状参数和随机填充算法的控制参数，如图3所示。当默认设置无法满足建模需求时，可以尝试调整。

（1）椭球（绕X轴的旋转椭球）

Axis Ratio：椭球旋转半径和椭球旋转轴一半的比值。通过调整Axis Ratio的最小值和最大值来控制椭球的形状。

（2）多面体

单个多面体的生成过程：在单位球中随机构造一个随机的四面体，然后在此四面体的基础上，依次添加新的随机点和原来的四面体构成一个新的多面体，直至多面体的体积到达预定值，或没法再添加新点为止。采用体积率（Vol Ratio）控制多面体的形态（扁平—圆润）。体积率定义为多面体体积与其最小包围球体积的比值。可参考表1中单位球内接正多面体的数据进行设置。为了避免多面体产生短边，插件限定了多面体顶点间的最小距离（Min Point Dist）。注意，Min Point Dist是单位球中生成多面体的限定参数。为了避免多面体过于尖锐，限定了多面体表面三角形所含的最小角度（默认15度）。

本插件通过提前批量生成单位多面体，构造多面体的库，高效地控制多面体的级配。用户可以指定预生成的多面体的数量（Number of Polyhedrons）。当多面体库（Polyhedron Library）构造完成后，依据主界面的级配和多面体的最小边长（Min Edge of Polyhedron）从多面体库随机选取多面体缩放至所需粒径的多面体。Min Edge of Polyhedron参数限定了（缩放后）多面体的最小边长，可作为网格划分尺寸的一个参考（另一个是骨料间的最小间距）。

表1 单位球内接正多面体数据

多面体类型（面数）	顶点数	边长	体积	体积率
4	4	1.633	0.513	0.122
6	8	1.155	1.540	0.368
8	6	1.414	1.333	0.318
12	20	0.714	2.785	0.665
20	12	1.052	2.536	0.606

图3 插件参数界面

（3）骨料投放算法的参数

骨料投放算法的主要原理：首先把骨料全部投放到容器中，允许骨料重叠；将骨料间的重叠视为挤压弹性变形，根据骨料间的刺入深度向量计算出骨料间的排斥力和弹性势能；按骨料所受排斥力合力的方向移动骨料，逐步更新整个骨料模型的空间结构，直至骨料间的重叠完全消失。其中骨料移动的步长（Stride）在循环过程中逐步减小，当步长小于设定的最小步长时（StrideEnd），程序中止（投放失败）。

3. 插件试用与购买

3.1 插件下载

插件只适用于ABAQUS2024（支持Python3）及以上

百度网盘分享的文件：Random Aggregate Modeling (V1.0).rar

链接： https://pan.baidu.com/s/12W4MvX9raiwg-8pJRfC6ag?pwd=2evc  

提取码: 2evc

了解后续更新，请看知乎链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/19716915472

3.2 插件激活

使用插件完整版功能需要激活，请联系南极动物号：1913905197

未激活的插件功能受限，包括：

（1）对骨料级配有且只能设置三行，且不能修改预设的占比（Proportion），不能使用SetName设置集合的功能。

（2）当骨料体积分数大于0.3时，骨料形状只允许全为球形（Sphere）。

3.3. 插件安装

解压插件压缩包，将解压文件夹内的插件文件夹（Random Aggregate Modeling (V1.0)）拷贝到AbAQUS的插件安装路径下。这里给出三种可选的插件安装路径，但只能选择其中一个，不得多路径安装相同的插件。

（1）ABAQUS安装时指定的插件路径，示例如下（ABAQUS 2024）：

（2）ABAQUS软件自带的插件路径，示例如下：

（3）C盘用户插件路径，示例如下：

4. 一些案例