COMSOL带有界面过渡区的多边形骨料混凝土细观拉伸损伤断裂模拟 原创

混凝土是一种复杂的非均质材料，其各组分间力学性能差异显著。为探究各组分特性对混凝土宏观性能的影响，可在细观尺度上将混凝土视为由水泥砂浆基体、粗骨料及二者之间的界面过渡区（ITZ）组成的三相材料。本案例在COMSOL Multiphysics中建立含随机分布多边形粗骨料、水泥砂浆基体和界面过渡区的二维混凝土细观模型，并分别赋予各组分相应的材料参数，进而开展受拉损伤破坏模拟。

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混凝土细观几何模型基于“CAD随机多边形插件2D专业版V1.0”参数化生成。试件尺寸取150 mm × 150 mm，粗骨料直径为5~20 mm，界面过渡区厚度为1 mm，骨料间最小间距为1 mm。该插件的具体介绍详见以下链接。

 

混凝土细观CAD草图建立完成后，将其以DXF格式导入COMSOL，建立三组分混凝土模型。详细导入方法可参见下文图文或视频教程。

 

对混凝土细观三组分材料进行批量设置，具体设置方法可参见以下教程链接。

对混凝土细观模型进行网格划分，将下表面设为固定约束，上表面施加受拉位移载荷，进而开展单轴受拉模拟。

 

模拟完成后，进入COMSOL后处理模块查看混凝土细观模型的应力云图，重点分析单轴受拉过程中应力分布及其演化规律，观察应力集中区域的出现位置及其与粗骨料、水泥砂浆基体和界面过渡区（ITZ）的空间对应关系，据此判断裂纹潜在萌生位置，并提取不同加载阶段的应力峰值与分布特征。

查看裂纹相场云图，追踪相场变量随加载过程的演化，明确裂纹的萌生时刻、萌生位置及扩展方向，分析相场值由未损伤状态向完全损伤状态过渡的区域范围，据此判断裂纹萌生与扩展的阶段特征。

 

将裂纹轨迹叠加至材料组分云图，重点考察裂纹路径与粗骨料、水泥砂浆基体及界面过渡区（ITZ）的空间对应关系，识别裂纹是穿过骨料、绕骨料扩展，还是在ITZ内优先扩展，进而判断混凝土细观模型的最终破坏模式及薄弱环节。