ABAQUS三维多面体骨料密堆积混凝土细观抗压模拟 原创

在混凝土细观数值模拟中，粗骨料的分布状态对其力学性能具有显著影响。以往研究多采用蒙特卡罗算法将粗骨料随机分布在混凝土试件内，而实际工程中混凝土试件在浇筑完成后的振捣操作会使得密度较大的粗骨料因重力作用发生沉降堆积。现有基于纯随机投放的算法难以真实反映这一物理过程，同时也难以实现工程中常见的较高粗骨料体积占比。

为解决当前混凝土细观模型中骨料分布不合理及粗骨料占比偏低等问题，本文提出采用重力堆积算法构建三维多面体粗骨料细观混凝土模型，并在此基础上采用ABAQUS进行受压试验的数值模拟。该方法能够更准确地复现实际工程中混凝土试件的内部结构特征，对于细观尺度下混凝土材料参数的标定及损伤机理研究具有重要的参考价值和指导意义。

混凝土骨料堆积模型采用CAD多面体密堆积3D插件建模。模型参数设置方面，根据《混凝土结构设计标准》GB/T 50010-2010（2024年版）4.1.1条，立方体抗压强度试验试件尺寸边长设置150 mm；根据《建设用卵石、碎石》GB/T14685-2011，粗骨料尺寸大于4.75 mm，本模型中设置骨料最小粒径4.8 mm，最大粒径25 mm；骨料分三组设置，每组设置的粒径区间及数量应根据混凝土配合比及颗粒级配综合确定，相关内容可参照《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011及《建设用卵石、碎石》GB/T14685-2011第7.3条颗粒级配筛分试验；骨料面数、最小边长等参数可根据工程中采用的骨料真实形态进行极大似然估计确定。

参数设置完成后运行插件，进行三维骨料重力堆积模拟，到达设定的堆积运行时间后，插件自动进行AutoCAD的模型绘制。

AutoCAD模型生成后，将粗骨料、水泥砂浆基体分别导出为iges格式文件。

将导出的文件以部件的形式导入到ABAQUS内，并进行模型的装配。

水泥砂浆基体部分材料属性可根据《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》GB/T 17671-2021实测确定。这里采用EasyCDP插件，直接生成抗压强度等级为20MPa的混凝土损伤塑性材料模型，并将其指派到基体部件上。

在有限元模拟中不考虑粗骨料部件发生破坏，因此其材料仅设置质量密度、杨氏模量、泊松比。

根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T50081-2019，第5.0.4节第3条，取试件成型时的侧面作为承压面，将模型下表面固定，上表面设置位移载荷。注意在严谨的有限元模拟中应设置两个承压板，并设置承压板与试件表面的接触。

将模型划分网格，在进行模型网格划分时，需注意单元尺寸不应大于建模过程中所设定的最小间距与最小边长二者中的较小值。在本案例中，全局种子尺寸设置为2 mm，整体单元数量约为300万。此外，插件内置了几何模型优化算法，从而有效保证了有限元网格的顺利生成与质量。

创建作业并提交分析，查看三维多面体骨料密堆积混凝土细观模型受压模拟结果。