一種混凝土非均質各向異性集料周圍界面過渡區幾何拓撲結構的構造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種混凝土非均質各向異性集料周圍界面過渡區幾何拓撲結構的構 造方法，屬于混凝土微細觀數值試驗前處理技術領域。
【背景技術】
[0002] 水泥顆粒在堆積過程中由于受到硬化集料表面制約，通常在硬化集料表面周圍形 成帶有一定厚度的相對高孔隙區域，該區域即為界面過渡區，而且大量的試驗和數值觀測 已經證實了界面過渡區結構特征對混凝土的力學和傳輸性能起著至關重要的作用。但是高 濃度條件下的集料周圍界面過渡區實際上是一個復雜的網絡結構，這導致了當前無法直接 通過常規的試驗手段測量界面過渡區的結構特征。正因如此，國內外學者嘗試著利用理論 或數值的方法來定量地獲取界面結構特征，通過理論或數值的方法分析界面結構特征的前 提是必須要輸入混凝土的三維結構信息，因此，如何確定混凝土三維結構信息是分析界面 過渡區結構特征的關鍵所在。
[0003] 目前國際上主要是將混凝土在微細觀尺度上看成是由多分散集料顆粒隨機分布 在均質水泥漿體中，并且每個集料周圍附著一層等厚度的軟界面層如此組成的三相復合材 料，也就是著名的hardcore-softshell結構。若要構造帶有如此特征的混凝土結構，首先 得模擬滿足混凝土自身幾何特征的集料隨機分布，這個操作過程國內外已經有相當的研宄 成果和方法，如：隨機有序增加模型、分子動力學模型、離散元模型、力學收縮模型等。其次， 要實現集料周圍等厚度的界面拓撲結構，常用的界面拓撲結構識別方法有內切球半徑增大 機制，即以顆粒的內切球半徑增加等厚度的形式確定界面幾何拓撲結構，該機制的實施保 證了界面形態與之對應的顆粒形態一致，這對于球形集料顆粒并無異議，而且也便于后續 的數值模擬試驗。但混凝土內的集料顆粒并非是由完美的球形粒子組成，代替它們的可能 是帶有一定的棱、面、角等復雜的幾何形態顆粒，而且對于如此復雜的幾何顆粒，利用內切 球半徑增大的識別方法并不能真正地構造出顆粒周圍等厚度的界面拓撲結構，因為復雜幾 何顆粒周圍的界面真實拓撲結構不可能保證與該顆粒保持形態一致，尤其對于那些具有棱 和角的幾何顆粒，而且這也最終會導致界面過渡區結構特征的數值模擬結果不可靠。因此， 如何構建復雜幾何集料顆粒周圍等厚度的界面拓撲結構是實現混凝土三維幾何結構的關 鍵及難點問題。
[0004] 因此，開發一種概念清晰、操作簡單、易識別與模擬、可推廣應用至真實混凝土集 料周圍界面過渡區幾何拓撲結構的構造方法，對推廣和發展混凝土微細觀數值試驗具有十 分重要的現實意義。
【發明內容】
[0005] 本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術所存在的不足，提供一種概念清 晰、理論簡單、便于實施的非均質各向異性集料周圍界面過渡區拓撲結構的構造方法。
[0006] 為了實現上述技術目的，本發明的具體技術方案是：
[0007] -種混凝土非均質各向異性集料周圍界面過渡區幾何拓撲結構的構造方法，其特 征在于包括以下步驟：
[0008] 步驟1 :確定集料顆粒的幾何模型表達方式；對于那些無法直接給出代數表達式 的復雜幾何形態的顆粒，通過四面體單元剖分方式將復雜顆粒轉化成由多個簡單的四面體 單元組成的集合，獲取集合中每個四面體單元的各個頂點信息；
[0009] 步驟2 :根據步驟1確定的顆粒頂點信息，幾何實現組成顆粒的每個頂點對應的 界面拓撲區域；具體是設定一個擴展球體，其半徑等于界面層厚度t，球心位于待考察顆粒 中每個四面體的頂點位置，則擴展球表露在顆粒外圍的區域即為該頂點對應的界面拓撲區 域；依次類推，一旦確定顆粒中每個四面體單元的頂點位置，那么每個四面體單元頂點對應 的界面拓撲區域即實現；
[0010] 步驟3 :根據步驟2確定的每兩個鄰近頂點組成的棱邊信息，幾何實現組成顆粒的 每條棱邊對應的界面拓撲區域；具體是設定一個擴展球體，其半徑等于界面層厚度t，球心 位于待考察顆粒中每個四面體棱邊的一個頂點位置，擴展球體以該頂點位置為出發點，沿 著棱邊滾動至球心位于鄰近頂點位置，滾動的軌跡構成一個圓柱體，圓柱體的上、下頂點分 別對應于該棱邊的兩個頂點，則該圓柱體表露在顆粒外圍的區域即為棱邊對應的界面拓撲 區域；依次類推，顆粒含有n條棱邊即對應于n個圓柱體，則n個圓柱體表露在顆粒外圍區 域即為該顆粒中所有棱邊對應的界面拓撲區域；
[0011] 步驟4 :根據步驟1、2和3確定的顆粒三角面信息，幾何實現組成顆粒的每個三角 面對應的界面拓撲區域；具體是設定一個擴展球體，其半徑等于界面層厚度t，球心位于待 考察顆粒中每個四面體的三角表面上，擴展球在三角表面上滾動一圈的軌跡仍然是一個三 角表面形貌，不考慮三角面的棱和角，將待考察的三角表面稱之為原始三角面，擴展球滾動 的軌跡為新三角面；對于原始三角面，擴展球滾動一圈后得到兩個新的三角面，該新的兩個 三角面分別位于原始三角面的兩側，新的三角面幾何位置是由原始三角面沿著其法向的正 負方向上分別平移且平移量等于擴展球體半徑；
[0012] 對于通過以上步驟構造出的每個原始三角面對應的兩個新三角面中，僅僅只需保 留其中一個新三角面，因為原始三角面對應的界面拓撲區域只是其中一個新三角面，而另 外一個必須被舍棄，保留原則是該構造的新三角面為顆粒原始三角面法向量的外法線方向 上；那么，鑒別新三角面是否為原始三角面的界面拓撲區域的基本策略如下：
[0013] 首先確定顆粒的形心或中心，根據上述獲取兩個新構造面頂點位置，分別計算顆 粒形心到原始三角面的距離Cltl，顆粒形心到其中一個新構造面的距離Cl1，比較屯和di的大 小，其中，空間中任意一點到面的垂直距離d，如下式所示：
【主權項】