一种混凝土非均质各向异性集料周围界面过渡区几何拓扑结构的构造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种混凝土非均质各向异性集料周围界面过渡区几何拓扑结构的构 造方法，属于混凝土微细观数值试验前处理技术领域。
【背景技术】
[0002] 水泥颗粒在堆积过程中由于受到硬化集料表面制约，通常在硬化集料表面周围形 成带有一定厚度的相对高孔隙区域，该区域即为界面过渡区，而且大量的试验和数值观测 已经证实了界面过渡区结构特征对混凝土的力学和传输性能起着至关重要的作用。但是高 浓度条件下的集料周围界面过渡区实际上是一个复杂的网络结构，这导致了当前无法直接 通过常规的试验手段测量界面过渡区的结构特征。正因如此，国内外学者尝试着利用理论 或数值的方法来定量地获取界面结构特征，通过理论或数值的方法分析界面结构特征的前 提是必须要输入混凝土的三维结构信息，因此，如何确定混凝土三维结构信息是分析界面 过渡区结构特征的关键所在。
[0003] 目前国际上主要是将混凝土在微细观尺度上看成是由多分散集料颗粒随机分布 在均质水泥浆体中，并且每个集料周围附着一层等厚度的软界面层如此组成的三相复合材 料，也就是著名的hardcore-softshell结构。若要构造带有如此特征的混凝土结构，首先 得模拟满足混凝土自身几何特征的集料随机分布，这个操作过程国内外已经有相当的研宄 成果和方法，如：随机有序增加模型、分子动力学模型、离散元模型、力学收缩模型等。其次， 要实现集料周围等厚度的界面拓扑结构，常用的界面拓扑结构识别方法有内切球半径增大 机制，即以颗粒的内切球半径增加等厚度的形式确定界面几何拓扑结构，该机制的实施保 证了界面形态与之对应的颗粒形态一致，这对于球形集料颗粒并无异议，而且也便于后续 的数值模拟试验。但混凝土内的集料颗粒并非是由完美的球形粒子组成，代替它们的可能 是带有一定的棱、面、角等复杂的几何形态颗粒，而且对于如此复杂的几何颗粒，利用内切 球半径增大的识别方法并不能真正地构造出颗粒周围等厚度的界面拓扑结构，因为复杂几 何颗粒周围的界面真实拓扑结构不可能保证与该颗粒保持形态一致，尤其对于那些具有棱 和角的几何颗粒，而且这也最终会导致界面过渡区结构特征的数值模拟结果不可靠。因此， 如何构建复杂几何集料颗粒周围等厚度的界面拓扑结构是实现混凝土三维几何结构的关 键及难点问题。
[0004] 因此，开发一种概念清晰、操作简单、易识别与模拟、可推广应用至真实混凝土集 料周围界面过渡区几何拓扑结构的构造方法，对推广和发展混凝土微细观数值试验具有十 分重要的现实意义。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术所存在的不足，提供一种概念清 晰、理论简单、便于实施的非均质各向异性集料周围界面过渡区拓扑结构的构造方法。
[0006] 为了实现上述技术目的，本发明的具体技术方案是：
[0007] -种混凝土非均质各向异性集料周围界面过渡区几何拓扑结构的构造方法，其特 征在于包括以下步骤：
[0008] 步骤1 :确定集料颗粒的几何模型表达方式；对于那些无法直接给出代数表达式 的复杂几何形态的颗粒，通过四面体单元剖分方式将复杂颗粒转化成由多个简单的四面体 单元组成的集合，获取集合中每个四面体单元的各个顶点信息；
[0009] 步骤2 :根据步骤1确定的颗粒顶点信息，几何实现组成颗粒的每个顶点对应的 界面拓扑区域；具体是设定一个扩展球体，其半径等于界面层厚度t，球心位于待考察颗粒 中每个四面体的顶点位置，则扩展球表露在颗粒外围的区域即为该顶点对应的界面拓扑区 域；依次类推，一旦确定颗粒中每个四面体单元的顶点位置，那么每个四面体单元顶点对应 的界面拓扑区域即实现；
[0010] 步骤3 :根据步骤2确定的每两个邻近顶点组成的棱边信息，几何实现组成颗粒的 每条棱边对应的界面拓扑区域；具体是设定一个扩展球体，其半径等于界面层厚度t，球心 位于待考察颗粒中每个四面体棱边的一个顶点位置，扩展球体以该顶点位置为出发点，沿 着棱边滚动至球心位于邻近顶点位置，滚动的轨迹构成一个圆柱体，圆柱体的上、下顶点分 别对应于该棱边的两个顶点，则该圆柱体表露在颗粒外围的区域即为棱边对应的界面拓扑 区域；依次类推，颗粒含有n条棱边即对应于n个圆柱体，则n个圆柱体表露在颗粒外围区 域即为该颗粒中所有棱边对应的界面拓扑区域；
[0011] 步骤4 :根据步骤1、2和3确定的颗粒三角面信息，几何实现组成颗粒的每个三角 面对应的界面拓扑区域；具体是设定一个扩展球体，其半径等于界面层厚度t，球心位于待 考察颗粒中每个四面体的三角表面上，扩展球在三角表面上滚动一圈的轨迹仍然是一个三 角表面形貌，不考虑三角面的棱和角，将待考察的三角表面称之为原始三角面，扩展球滚动 的轨迹为新三角面；对于原始三角面，扩展球滚动一圈后得到两个新的三角面，该新的两个 三角面分别位于原始三角面的两侧，新的三角面几何位置是由原始三角面沿着其法向的正 负方向上分别平移且平移量等于扩展球体半径；
[0012] 对于通过以上步骤构造出的每个原始三角面对应的两个新三角面中，仅仅只需保 留其中一个新三角面，因为原始三角面对应的界面拓扑区域只是其中一个新三角面，而另 外一个必须被舍弃，保留原则是该构造的新三角面为颗粒原始三角面法向量的外法线方向 上；那么，鉴别新三角面是否为原始三角面的界面拓扑区域的基本策略如下：
[0013] 首先确定颗粒的形心或中心，根据上述获取两个新构造面顶点位置，分别计算颗 粒形心到原始三角面的距离Cltl，颗粒形心到其中一个新构造面的距离Cl1，比较屯和di的大 小，其中，空间中任意一点到面的垂直距离d，如下式所示：
【主权项】