COMSOL圆形骨料及ITZ混凝土细观有限元建模教程

本教程详细介绍在COMSOL内建立包含圆形骨料、界面过渡区及水泥砂浆基体三相材料在内的二维混凝土细观有限元模型。

混凝土细观几何模型部件采用AutoCAD插件（CAD随机圆形颗粒 V1.1）参数化建模生成，其中粗骨料采用随机投放算法，以蒙特卡洛法建立粗骨料的随机分布；混凝土试件采用150mm×150mm 的立方体标准试件，可设置三组粗骨料的粒径尺寸及比例，以实现混凝土骨料级配的控制，如拟合富勒级配曲线等；插件可控制界面过渡区的厚度参数，根据文献选择为1mm，也可控制颗粒间最小间距参数，以确保网格划分时单元尺寸及数量合理、避免出现奇异性网格。

CAD插件在建立混凝土细观模型时已将三组分内容划分了不同图层，方便批量管理。但由于COMSOL不能识别中文名称的图层信息，因此需要手动将三图层重命名为英文，这里采用“test_piece”、“circle_in”、“circle_ex”分别表示“矩形边界”（蓝）、“圆形内界”（黄）、“圆形外界”（红）。这里的颜色修改仅为了方便查看不同图层内容，实际操作中无需更改颜色。图层重命名完成后将CAD图纸另存为dxf格式文件，以备导入COMSOL。

打开COMSOL，点击模型【向导】-【二维】，如进行混凝土细观力学分析可选择【固体力学】，也可根据仿真需要选择相应的物理场。在【几何】菜单下，选择【导入】， 【文件名】选择刚刚保存的dxf文件，【层选择】中选择“选定”，【要导入的层】选择“test_piece”,并将【标签】命名为“导入 1 矩形试件”后，点击【构建选定对象】。

同样的操作方法将“circle_in”及“circle_ex”图层也导入到COMSOL内，导入完成后，点击【形成联合体】。此步骤操作完成后【模型开发器】及【图形】界面如下。

进行到这一步模型虽已导入，但是并未将混凝土细观中的三组分区分开，下面的步骤将严格区分水泥砂浆、界面过渡区及粗骨料。点击【几何】菜单下的【布尔操作和分割】选择【差集】，【要添加的对象】选择“imp1”，【要减去的对象】选择“imp3”，【标签】设置为“差集 1 水泥砂浆”后，点击【构建选定对象】。

再次导入“circle_ex”图层建立“导入4 圆形外界”。通过“imp4”与“imp2”进行差集，建立“差集 2 界面过渡区”。

最后再导入“circle_in”图层，【标签】设置为“导入 5 粗骨料”，点击【形成联合体】下的【构建选定对象】，完成混凝土细观有限元模型中粗骨料、界面过渡区（ITZ）及水泥砂浆的几何建模。

如需在COMSOL内建立细观混凝土多边形粗骨料模型，操作方法与本教程完全一致，混凝土细观力学仿真模拟可参考：COMSOL细观混凝土砂浆及界面过渡区受压损伤破坏。

下篇文章将介绍COMSOL对混凝土细观模型中的水泥砂浆、界面过渡区及粗骨料三组分快速批量设置相应的材料，避免复杂几何模型材料设置中繁琐的手动选择操作。