(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211210349.9 (22)申请日 2022.09.30 (71)申请人 东南大学 地址 210018 江苏省南京市玄武区四牌楼 2 号 (72)发明人 郭小明　徐文惠　王吉昌　 (74)专利代理 机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 专利代理师 徐尔东 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G16C 60/00(2019.01) G06F 111/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于相场模型的混凝土材料损伤演变模拟 方法 (57)摘要 本发明涉及一种基于相场模型的混凝土材 料损伤演变模拟方法， 首先建立 混凝土材料细 观 模型， 在数值模 型中投放圆形骨料并扩展一定厚 度的ITZ层， 完成混凝土细观模型中各相 组分有 限元单元的属性赋予； 依据用户自定义单元UEL 中关键字的定义要求， 对模型输出的inp文件进 行修改， 将表征损伤的相场自由度赋予有限元节 点上， 完成混凝土细观相场模型的转化； 并激活 有限元平台中的拟牛顿迭代算法； 采用相场变量 表征损伤实现拟牛顿迭代算法中的变量传递； 根 据按位移加载的拟牛顿迭代法对混凝土细观相 场模型进行计算求解， 对材料的损伤演化过程进 行仿真分析， 从而探究材料在细 观尺度下的损伤 演化规律。 权利要求书3页 说明书9页 附图3页 CN 115544834 A 2022.12.30 CN 115544834 A 1.基于相场模型的混凝 土材料损伤演变模拟方法， 其特 征在于： 包括以下步骤： 步骤S1： 生成混凝土材料多相细观模型， 具体包括根据混凝土试件尺寸生成有限元单 元、 生成单 元信息矩阵以及设置材 料单元及相场材 料属性； 步骤S2： 基于统一相场损伤理论建立混凝土多相细观相场模型， 即建立有限元方程， 具 体包括计算单 元能量参数、 计算单 元刚度矩阵以及组装总刚度； 步骤S3： 采用相场变量对混凝 土材料力学性能的劣化进行追踪和描述； 步骤S4： 根据按位移加载的拟牛顿迭代法对相场模型进行计算求解， 具体包括边界条 件施加、 位移求 解、 更新场变量以及计算削减单 元刚度。 2.根据权利要求1所述的基于相场模型的混凝土材料损伤演变模拟方法， 其特征在于： 步骤S1中生成混凝 土材料多相细观模型的具体步骤为： 步骤S11： 确定混凝土试件的尺寸， 在模型边界上生成固定单元节点， 在模型区域内随 机生成单元节点， 同时在模型区域内按照 从下至上、 由左往右的顺序遍历所有随机生成的 单元节点， 并存 储于节点信息矩阵内； 步骤S12： 在模型 区域内， 遍历所有随机生成的单元节点， 并按照由下至上， 由左至右的 顺序依次相连， 将所生成的单元节点编号存放于单元信息矩阵， 完成混凝土材料多相细观 模型的几何搭建； 步骤S13： 确定各级配骨料的粒径范围及个数， 在模型区域内生成各骨料级配的随机圆 形骨料， 沿着圆形骨料边界向外等 厚度拓展ITZ层， 将所生 成的圆形骨料相关信息存入骨料 信息矩阵中； 步骤S14： 根据模型有限元单元的位置对单元材料进行识别， 若单元位于骨料区域内， 则将该单元判定为骨料单元； 若 单元位于骨料边界与自身ITZ边界之 间， 则将该单元判定为 ITZ单元； 若单元位于ITZ所确定的区域外， 则将该 单元判定为砂浆单 元。 3.根据权利要求2所述的基于相场模型的混凝土材料损伤演变模拟方法， 其特征在于： 步骤S2中建立有限元 方程的具体步骤为： 步骤S21： 混凝土多相细观相场模型中在单元节点上同时赋予位移自由度与相场自由 度， 采用ABAQUS中位移 ‑温度耦合分析求解器， 将平台自提供的温度 自由度替换相场自由 度， 即在单 元节点上同时赋予位移自由度与温度自由度； 步骤S22： 通过单元属性识别单元材料的各相组分， 将骨料视为弹性， 即不发生破坏， 在 砂浆和ITZ界面内设置为CP S4单元进行迭代计算； 步骤S23： 采用ABAQUS中位移 ‑温度耦合分析求解器， 自定义单元方法完成有限元单元 的迭代过程时， 在混凝 土多相细观相场模型输出i np文件中建立 一层虚拟网格。 4.根据权利要求3所述的基于相场模型的混凝土材料损伤演变模拟方法， 其特征在于： 采用相场变量对混凝 土材料力学性能的劣化进行追踪和描述的具体步骤为： 步骤S31： 在力平衡和材料能量关系构成的控制方程式中引入相场变量d表示有限元单 元的损伤程度； 步骤S32： 基于能量 等效原理， 得到相场单 元的损伤演化法则。 5.根据权利要求4所述的基于相场模型的混凝土材料损伤演变模拟方法， 其特征在于： 步骤S31中， 引入相场变量d的控制方程 为：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115544834 A 2式中， Y为能量释放率， Gf为材料的断裂能， γ为裂缝密度泛函， 表示模型中裂缝弥散 的局部带， AΓ表征尖锐裂缝表面， 且AΓ＝ ∫ΓdA； 当d＝0， 表示相场单 元无损伤； 当单元对应的裂缝表面能耗散大于应 变能释放时， 损伤开始演化； 当d＝1时表示单 元失效破坏， 模型中萌发裂纹。 6.根据权利要求5所述的基于相场模型的混凝土材料损伤演变模拟方法， 其特征在于： 步骤S32中， 基于能量 等效原理， 得到相场单 元的损伤演化法则： g(Y,d)＝Y ‑Gfδdγ≤0 式中， δdγ为裂缝面积密度函数γ的变分导数， Gf为材料断裂能， d为相 场变量， Y为能量 释放率； 结合裂缝单元的损伤演化法则和边界条件， 通过相场单元刚度的不断削减体现混凝土 试件整体力学性能的劣化。 7.根据权利要求6所述的基于相场模型的混凝土材料损伤演变模拟方法， 其特征在于： 步骤S4中根据按位移加载的拟牛 顿迭代法对相场模型进行计算 求解的具体步骤为： 步骤S41： 对混凝土多相细观相场模型施加匹配边界条件， 在加载点处施加位移荷载， 并将施加的位移荷载分为 k个荷载步； 步骤S42： 在第k个荷载步内， 给定初始位移增 量uk和初始相场增 量dk， 结合材料属 性可 计算出各相场单 元的应变 εk和初始有效能量释放 率 εk＝B·dk 式中， B为单 元应变矩阵， ft为材料的破坏强度， E0为材料的弹性模量； 将位移增量存储于位移增量列阵内， 单元应变存储于单元应变矩阵内， 相场增量存储 于单元相场增量列阵内， 能量释放 率增量存 储于能量释放 率矩阵内； 步骤S43： 在第k个荷载步内， 将各相场单元的有效能量释放率 与初始阈值 进行比 对， 若单元的有效能量释放率 大于其初始阈值 则单元发生损伤， 相场源Q( ε,d)发生更 新， 利用能量关系更新 位移增量uk和损伤变量dk 式中， β 为变量， b用来描述裂缝宽度的长度尺度， 且b>0， Gf为材料 断裂能， 为单元的有效能量释放 率； 此时， 控制场变量更新的能量关系为 式中， q为相场通量， 其与裂 缝相场梯度 之间满足线性本构关系， Qk为第k个荷载步中权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115544834 A 3