泡沫轻质土纤维分布的蒙特卡洛表征方法、系统及介质与流程

本发明涉及土木工程材料数值仿真建模，特别涉及一种泡沫轻质土纤维分布的蒙特卡洛表征方法、系统及介质。

背景技术：

1、泡沫轻质土在公路工程路基填筑等领域具有广阔的应用前景。与由水泥、砂石骨料密实堆积构成的普通混凝土不同，泡沫轻质土内部含有大量封闭的独立孔隙，属于典型的高孔隙率多孔准脆性材料。这种特殊的微观多孔结构在受到外部荷载作用时，极易导致材料发生脆性破坏，这在一定程度上限制了其长期的结构安全性与承载能力。

2、为了克服上述缺陷，工程中通常在泡沫轻质土中掺入一定比例的纤维（如高强度、低渗透性的玻璃纤维）制成纤维加筋泡沫轻质土。纤维在基体中能够有效抑制裂纹的进一步扩展，从而延缓材料的破坏进程，大幅提升材料的抗压强度、抗折强度以及整体韧性。

3、在纤维加筋泡沫轻质土的实际应用中，确定最优的纤维掺量是保障其力学性能的核心前提。目前，传统的配合比设计与性能评估主要依赖于常规的“试错法”，即需要开展大量的物理试配试验，这种方式不仅耗时费力、物料成本高，而且研发效率低下。随着有限元数值分析技术的发展，通过数值仿真模拟材料力学行为成为一种高效的研究手段。值得注意的是，现有的常规混凝土数值模拟通常侧重于骨料与水泥基体的细观建模，而泡沫轻质土的模拟则必须对其内部特有的孔隙结构进行表征。由于孔隙的存在直接决定了材料的应力集中及损伤演化路径，因此，在有限元分析（如使用abaqus软件）中实现对孔隙的模拟，是泡沫轻质土模拟区别于现有普通混凝土模拟的最大不同，这也是保障分析结果可靠性的核心关键。

4、但是，真实的纤维和孔隙在泡沫轻质土中均呈现高度的随机分布特征。常规的三维建模手段通常依赖人工手动绘制或简单的规则阵列，难以快速且真实地还原这种微观层面的三维随机分布状态。如果不能在数值模型中有效表征纤维和孔隙的随机分布特征，就无法真实反映外载荷作用下材料内部塑性区的发展规律与损伤机理，从而导致仿真结果失真，难以用于指导最优纤维掺量的选取。

5、因此，本领域亟须一种能够高效构建纤维与孔隙随机分布特征的数值表征方法，以突破多孔复合材料微观建模的技术瓶颈。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中常规的三维建模手段难以有效还原泡沫轻质土纤维微观层面的三维随机分布状态的不足，提供一种泡沫轻质土纤维分布的蒙特卡洛表征方法、系统及介质。

2、在第一方面，本发明提供一种泡沫轻质土纤维分布的蒙特卡洛表征方法，其特征在于，包括以下步骤：

3、s101：建立基体模型并设置建模参数，通过有限元分析软件建立基体模型，选用塑性损伤模型配置泡沫轻质土的所述基体模型的本构参数；

4、s102：构建纤维随机分布模型和孔隙随机分布模型，采用蒙特卡洛算法，基于均匀随机分布设定以及设定的纤维掺量，通过随机生成坐标及边界判断的方式生成纤维位置、方向和尺寸可控的纤维随机分布模型；此外，构建相应的孔隙随机分布模型，所述孔隙随机分布模型的构建包括以下子步骤：

5、s211：将孔隙尺寸划分为大于或等于0.2mm且小于0.5mm、大于或等于0.5mm且小于0.7mm，以及大于或等于0.7mm且小于或等于1.0mm三个区间；

6、s212：为每个所述区间预设对应的目标孔隙生成数量；

7、s213：针对任一所述区间，执行以下孔隙生成循环：随机生成一个孔隙的位置坐标与半径尺寸，并判断该孔隙是否位于设定的边界范围之内；若位于所述边界范围之内，则保留该孔隙，并判断当前区间内已保留的孔隙总数是否满足所述目标孔隙生成数量；如果不满足，则继续生成下一个孔隙，若未位于所述边界范围之内，则放弃该孔隙，并重新生成新的孔隙；

8、s214：重复执行所述孔隙生成循环，直至当前区间内保留的孔隙总数满足所述目标孔隙生成数量；

9、s215：遍历所有所述区间，输出所述孔隙随机分布模型；

10、s103：构建整体计算模型并划分网格，在所构建的纤维随机分布模型与孔隙随机分布模型的基础上，在所述有限元分析软件中通过调整所述基体模型，生成纤维泡沫轻质土计算模型，将模型中纤维、孔隙与所述基体模型之间的接触面设置为绑定约束，并对所述计算模型进行网格划分处理；

11、s104：模拟加载过程并确定最优纤维掺量，基于网格划分后的所述计算模型，模拟不同所述纤维掺量下试样的单轴压缩和弯曲试验加载过程，获得相应的应力云图，分析其塑性区发展规律，以应力云图中显示的塑性变形分布范围最广且裂纹破坏区域最小作为判定最优纤维掺量的标准，确定所述最优纤维掺量，并根据所述最优纤维掺量制备纤维加筋泡沫轻质土实体。

12、优选地，步骤s101中的所述塑性损伤模型的数值计算参数包括流动势偏移量、剪胀角、双轴受压与单轴受压极限强度比、粘滞系数以及不变量应力比。

13、优选地，步骤s102中所述的纤维随机分布模型通过以下子步骤计算得到：

14、s201：确定试样尺寸和纤维参数，获取并设定用于建模的基础参数，所述基础参数具体包括：模型长度、宽度、高度，以及纤维长度、纤维直径和纤维掺量；

15、s202：随机生成一根纤维端点坐标，利用均匀随机分布函数，在由所述模型长度、宽度和高度限定的三维空间范围内创建纤维的起始端点三维坐标；

16、s203：结合纤维长度生成纤维的另一端点坐标，并判断该纤维模型是否超出设定的边界；

17、s204：如果超出边界，则重新生成一根纤维，并返回步骤s203重新进行边界判断；

18、s205：如果未超出边界，则储存纤维端点坐标；

19、s206：在成功储存上一根纤维后，判断模型中生成的纤维总量是否满足步骤s201中设定的所述纤维掺量，如果不满足，触发生成下一根纤维坐标的流程，重复执行步骤s202至s205，直至模型中生成的纤维总量满足步骤s201中设定的所述纤维掺量；

20、s207：输出所述纤维随机分布模型。

21、优选地，步骤s103中所述的纤维泡沫轻质土计算模型属于结构静态响应问题，分析类型设为静态、一般，初始和最大位移步长分别设置为0.01mm和20mm。

22、在第二方面，本发明提供一种计算机系统，包括：处理器；以及存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理器执行时，所述处理器执行如第一方面中的任一项所述的方法。

23、在第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时，所述处理器执行如第一方面中的任一项所述的方法。

24、本发明通过引入蒙特卡洛算法，克服了传统人工建模难以还原微观随机结构的瓶颈，能够快速地构建具有统计随机分布特征的纤维与孔隙的三维随机分布数值模型。该方法结合使用有限元分析软件生成的塑性损伤模型，不仅能模拟多孔准脆性材料在单轴压缩和弯曲荷载下的真实力学响应，揭示纤维通过桥联作用抑制裂纹扩展的微观增强机理，还能以此替代传统耗时费力的物理试错法试验，从而确定最优的纤维掺量，大幅降低了工程材料研发的时间与物料成本。