ABAQUS中基于CAD导入的混凝土细观二维模型建模教程

#ABAQUS带有界面过渡区的多边形骨料长方形纤维圆形孔隙混凝土细观二维模型

一、案例概述

本案例介绍在 ABAQUS 内通过 CAD 模型导入的方式，建立复杂的混凝土细观二维几何模型。该混凝土细观模型包含多边形粗骨料、长方形纤维以及圆形孔隙结构，同时建立包裹在纤维及骨料外侧的界面过渡区（ITZ）部件。该建模方法适用于后续混凝土损伤开裂、细观力学性能等有限元仿真分析。

图1  ABAQUS混凝土细观模型

二、建模思路

整体流程可概括为：

1采用 CAD 随机颗粒插件 2D 生成混凝土细观几何模型

2在 AutoCAD 中按材料组分整理图层，并分别导出 DXF 文件

3在 ABAQUS/CAE 中导入 DXF 草图，建立各组分 Part 部件

4分别定义砂浆、骨料、纤维、ITZ 等材料，并指派截面

5完成装配，检查各组分相对位置

6进行网格划分，为后续有限元模拟做准备

核心思路：利用 CAD 插件快速生成复杂随机几何，再借助 ABAQUS 的草图导入功能实现细观模型前处理。

三、详细操作步骤

1. 通过 CAD 随机颗粒插件生成混凝土细观模型

混凝土细观模型采用 CAD 随机颗粒插件 2D 生成。在插件内设置好模型参数后，点击运行，即可在 AutoCAD 内建立对应参数的混凝土细观文件。

建议设置的参数包括：

多边形粗骨料的粒径、体积分数、边数参数

长方形纤维的长度、宽度、含量

圆形孔隙的孔径、孔隙率

骨料和纤维外侧 ITZ 的厚度

图2  通过CAD随机颗粒插件建立混凝土细观模型

2. 按图层导出 DXF 文件

在 AutoCAD 中，将 CAD 混凝土细观模型文件按照砂浆、骨料、ITZ 等组分分别导出为 DXF 文件，以备导入 ABAQUS 使用。孔隙部分可通过留空实现，因此可只保留孔隙边界用于定位，在后续建模中不赋予材料。

图3  CAD导出的不同组分草图

3. 在 ABAQUS 中导入 DXF 并建立 Part 部件

在 ABAQUS/CAE 的模型草图下，分别导入预先保存的 DXF 混凝土细观草图文件，再通过草图建立混凝土 Part 部件。

图4  CAD混凝土模型导入ABAQUS

4. 材料设置与截面指派

对混凝土细观模型中的不同组分分别设置材料。通常可按下述方式处理：

水泥砂浆	可采用混凝土损伤塑性模型
ITZ	可采用混凝土损伤塑性模型或弱化材料参数
粗骨料	可设为弹性材料或按需设置其他本构
纤维	可设为弹性材料或按纤维类型设置
孔隙	通过留空实现，无需设置材料

水泥砂浆及界面过渡区部分也可以通过 EasyCDP Mortar&ITZ 插件快速设置混凝土损伤塑性模型，用于后续模拟混凝土的损伤开裂力学仿真。

完成材料定义后，创建相应 Section，并分别指派给砂浆、骨料、纤维和 ITZ 部件。孔隙部分不指派材料。

图5  ABAQUS混凝土细观材料设置

5. 模型装配

完成材料设置后进行模型的装配。在 Assembly 模块中，将各 Part 按 CAD 中的原始坐标进行装配，确保：

✓骨料、纤维、孔隙和砂浆基体的相对位置正确

✓ITZ 完整包裹在骨料和纤维外侧

✓各组分之间无意外重叠或间隙

✓孔隙区域保持为空

可并检查装配后的整体模型是否与下图一致。

图6  ABAQUS混凝土细观材料模型

6. 网格划分

可对混凝土细观模型进行网格划分，以备后续模拟使用。下图是模型的网格划分情况及砂浆、骨料、纤维、孔隙的细节展示。

图7  ABAQUS混凝土细观模型细节展示

四、小结

本案例通过“CAD 随机颗粒插件生成几何 → AutoCAD 分图层导出 DXF → ABAQUS 导入草图并建立 Part → 材料与截面指派 → 装配 → 网格划分”的流程，实现了包含多边形粗骨料、长方形纤维、圆形孔隙及 ITZ 的混凝土细观二维模型建模。该方法建模效率高、几何可控性强，可为后续混凝土损伤开裂及细观力学仿真提供前处理基础。

END