ABAQUS细观混凝土受压损伤仿真：基于多边形骨料密堆积算法的模型生成与有限元分析 原创

摘要

混凝土材料的宏观力学行为与其细观组成结构密切相关。为准确模拟混凝土在受压荷载作用下的损伤开裂过程，本文基于CAD多边形密堆积2D插件构建了二维多边形骨料密堆积模型，并将模型导入ABAQUS有限元软件，建立了包含骨料、界面过渡区（ITZ）和水泥砂浆基体三相的混凝土细观有限元模型。采用混凝土损伤塑性（CDP）模型描述砂浆与ITZ的力学行为，骨料则定义为线弹性材料。通过设置合理的边界条件与位移加载，实现了混凝土试件单轴受压损伤开裂过程的全过程仿真模拟。本文重点阐述了从CAD建模到ABAQUS仿真分析的全流程操作步骤，为混凝土细观力学数值模拟提供了一套系统、可复现的技术方案。

 

关键词：混凝土细观模型；多边形骨料；密堆积；ABAQUS；损伤塑性模型；受压开裂

 

1 引言

混凝土作为一种典型的非均质多相复合材料，其宏观力学性能由骨料、水泥砂浆基体及二者之间的界面过渡区（ITZ）共同决定。在细观尺度上，骨料的几何形态、空间分布特征以及ITZ的力学属性对混凝土的裂缝萌生与扩展路径具有显著影响。因此，建立能够真实反映混凝土细观结构特征的有限元模型，对于深入理解混凝土的损伤演化机理、准确预测其宏观力学性能具有重要的理论意义与工程价值。

 

近年来，随着计算机技术与数值模拟方法的发展，混凝土细观力学建模取得了长足进步。传统的随机骨料投放算法多采用蒙特卡罗方法将骨料随机分布于试件内部，但难以真实模拟实际混凝土浇筑振捣过程中粗骨料因重力作用发生的沉降堆积现象。为解决这一问题，CAD多边形密堆积2D插件应运而生。该插件基于动力学算法，可在AutoCAD环境中建立模拟重力堆积状态的随机多边形颗粒及界面过渡区模型。模型生成后，可方便地导入ABAQUS、COMSOL、ANSYS等有限元软件进行后续仿真分析。

 

本文以CAD多边形密堆积2D插件为核心建模工具，系统介绍从CAD几何建模到ABAQUS有限元仿真分析的全流程操作步骤，重点阐述二维多边形骨料密堆积混凝土细观模型的建立方法及其受压损伤开裂仿真模拟的实现过程。

 

2 CAD多边形密堆积2D插件建模

2.1 插件简介

CAD多边形密堆积2D插件是一款运行于AutoCAD环境下的参数化建模工具，兼容Windows系统及AutoCAD 2010至2026及以上版本。该插件基于内置的动力学算法模拟多边形颗粒在重力作用下的堆积过程，能够生成具有真实堆积特征的随机多边形颗粒模型。模型主要由三部分组成：多边形颗粒（骨料）、界面过渡区（ITZ）以及长方形试件（基体），各部分在CAD内分图层独立绘制，便于后续的批量删除或导出操作。

2.2 参数设置

启动AutoCAD并新建空白绘图文件后，打开插件配套的Excel参数配置文件，进行如下关键参数的设置：

 

（1）试件几何参数：设置长方形试件的长度与宽度尺寸为150×150 mm，以确定混凝土试件的整体几何范围。

 

（2）骨料粒径参数：设置多边形颗粒的尺寸分布范围（最小粒径与最大粒径），可根据《建设用卵石、碎石》（GB/T 14685-2022）及《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011）的相关规定综合确定，直径设置为6 ~ 16 mm。同时设置多边形堆积颗粒的总数量，以控制骨料体积占比。

 

（3）颗粒形态参数：设置多边形的边数，以控制骨料颗粒的几何形状。边数越多，颗粒越接近圆形；边数较少时则呈现更为棱角分明的形态。

 

（4）界面与间距参数：设置界面过渡区的厚度以及多边形颗粒之间的最小间距。当最小间距参数设置为负值时，可实现颗粒之间的重叠效果，但需注意该参数不支持设置为0。

 

（5）物理属性参数：调整颗粒的弹性模量、摩擦系数等物理参数，以模拟不同材料属性颗粒的填充堆积效果。摩擦系数的调整可改变颗粒堆积过程中空隙出现的可能性。

2.3 模型生成与导出

参数设置完成后保存Excel文件，运行插件的EXE可执行程序。插件将根据设定的参数自动执行多边形的重力密堆积计算。堆积计算完成后，在CAD界面英文输入状态下键入“P”键，插件即将密堆积结果输出至当前CAD绘图界面中，形成初步的多边形密堆积模型。

 

模型生成后，在AutoCAD中可观察到分图层绘制的多边形颗粒、界面过渡区及长方形试件三部分结构，为实现规范内要求的试件成型时的侧面作为承压面，在CAD内将模型旋转90°。为便于后续导入ABAQUS，需将模型按图层分别另存为DXF格式文件。具体操作为：分别选中各图层内容，依次执行“另存为”命令，保存为独立的DXF文件。

 

3 ABAQUS有限元模型建立

3.1 模型导入与部件创建

启动ABAQUS/CAE，依次执行以下操作将CAD几何模型导入有限元环境：

 

（1）草图导入：在Part模块中，通过“File → Import → Sketch”命令，将先前保存的DXF文件以草图形式逐一导入ABAQUS。分别导入骨料图层、ITZ图层及基体图层的DXF文件。

 

（2）部件创建：基于导入的各草图，分别创建对应的部件（Part）。骨料部分、ITZ部分、基体部分分别创建为独立部件。

3.2 材料属性定义

混凝土细观模型通常采用三相材料组成：骨料、界面过渡区（ITZ）和水泥砂浆基体。各相材料的力学属性定义如下：

（1）骨料材料：在有限元模拟中，骨料通常被认为不发生破坏，因此其材料属性仅需定义质量密度、杨氏模量和泊松比。

 

（2）砂浆与ITZ材料：采用混凝土损伤塑性（Concrete Damaged Plasticity, CDP）模型进行描述。CDP模型是ABAQUS中用于描述混凝土类材料力学行为的主流本构模型。主要参数包括膨胀角（通常设为30°）、偏心率、双轴受压与单轴受压强度比、拉压子午线第二应力不变量比值以及粘性参数等。在实际操作中，可采用EasyCDP Mortar&ITZ插件快速生成不同强度等级的混凝土CDP材料参数，并将其分别指派到砂浆及ITZ部件。

 

3.3 装配

在Assembly模块中，将已创建的骨料部件、ITZ部件及基体部件进行装配，形成完整的混凝土细观结构模型。装配时需确保各部件之间的相对位置与CAD原始模型一致。

 

3.4 分析步与输出设置

在Step模块中创建分析步。对于准静态受压模拟问题，可选择动力显式分析步（Dynamic, Explicit），并设置适当的时间长度。在输出请求中，需重点设置等效塑性应变（PEEQ）、应力（S）、损伤变量等场变量的输出，以便后续分析损伤演化过程。

 

3.5 边界条件与载荷

根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2019）的相关规定，取试件成型时的侧面作为承压面。在Load模块中设置如下边界条件：

（1）底部约束：将模型下表面设置为固定约束（Encastre），约束所有方向的位移与转动。

 

（2）顶部加载：在模型上表面施加向下的位移载荷，模拟单轴受压加载条件。位移加载量级宜控制在较小范围内，以保证计算的准静态特性。在严谨的有限元模拟中，建议设置两个刚性承压板，并定义承压板与试件表面之间的接触关系，严谨的有限元模拟可参考视频教程：ABAQUS多边形骨料ITZ混凝土细观受压开裂论文复现。

 

3.6 网格划分

在Mesh模块中进行网格划分，需特别注意以下要点：

 

（1）单元类型选择：骨料区域可采用CPE4R单元（四节点减缩积分平面应变单元），砂浆及ITZ区域可采用CPE6M‌单元（六节点修正二次平面应变单元），以兼顾计算效率与关键区位的模拟精度，确保细观模型对开裂行为的可靠预测。

 

（2）网格尺寸控制：单元尺寸的设定应小于界面过渡区的厚度以及插件中设置的颗粒最小间距二者的较小值。合理控制网格尺寸是保证计算精度与收敛性的关键。

 

（3）几何优化：插件内置了几何模型优化算法，可有效保证有限元网格的顺利生成与质量。

4 求解与结果分析

4.1 作业提交与损伤单元删除

在提交作业前，调用CDED（Concrete Damage Element Deletion）插件。该插件基于CDP模型的损伤阈值（受压损伤Damage C和拉伸损伤Damage T）判定失效单元，当单元损伤值超过阈值时予以删除，从而实现裂纹形态的可视化。插件仅适用于动力显式分析步，支持多种单元类型和多个部件。设置合理阈值后，提交作业进行计算。

4.2 结果后处理

计算完成后，在Visualization模块中进行结果查看与分析：

 

（1）损伤演化分析：通过查看等效塑性应变（PEEQ）云图以及受压损伤变量云图，可直观地观察到裂缝的萌生位置、扩展路径及最终破坏模式。研究表明，混凝土受压损伤破坏云图通常呈现“V”形特征。

 

（2）参数影响分析：基于所建立的细观模型，可进一步开展骨料形状、骨料含量、ITZ厚度等参数的敏感性分析，为混凝土材料设计与性能优化提供依据。

 

（3）可视化效果优化：可采用ColorCodeMap插件按材料或几何名称对模型进行一键颜色编码，便于清晰区分不同区域及模型展示；同时可采用SpectrumColor插件对应力及损伤云图配色进行一键美化，显著提升插图出版质量。

5 结论

本文基于CAD多边形密堆积2D插件与ABAQUS软件，建立了一套完整的二维多边形骨料密堆积混凝土细观有限元建模与受压损伤开裂仿真模拟技术方案。

该方案利用重力堆积算法生成的多边形骨料模型更真实地反映实际骨料分布，克服了随机投放的局限；通过DXF导入实现了CAD与ABAQUS的无缝衔接；采用CDP模型有效模拟了受压损伤演化。此外，CDED插件实现了损伤单元的删除，使裂纹扩展形态更清晰直观；ColorCodeMap插件提升了模型装配后的颜色编码效率与展示效果；SpectrumColor插件优化了云图配色质量。

相关插件的有机结合，形成了从模型建立、计算求解到结果呈现的完整技术链条。本文所述流程系统完整、可复现性强，可为混凝土细观力学数值模拟研究提供有益参考。