基于PFC5.0代码的可破碎cluster与ball颗粒模拟碎石、矿渣混凝土材料单轴压缩实验研...

PFC5.0代码，可以破碎的cluster，可模拟碎石、矿渣混凝土材料，ball与cluster颗粒，单轴压缩实验，内涵声发射事件数代码，分析统计ball与ball直接的裂纹数目，cluster内部破碎的裂纹数目

上周帮同门调PFC5.0的矿渣混凝土单轴压缩模拟，本来以为就是套个现成的代码改改参数，结果栽在cluster内部裂纹统计和声发射计数上折腾了快两天，现在终于把坑填完了，顺手把整理好的代码和踩过的雷分享出来。

咱先唠唠为啥要用cluster：平时模拟素混凝土用ball堆就行，但矿渣混凝土的骨料都是大块的碎石，单个ball太假了，得把一堆小ball绑成一个大颗粒当骨料，也就是cluster。这样碎的时候能从骨料内部裂开，比单个ball真实多了。比如要做一个10mm的碎石骨料，就先扔20个半径2-5mm的小ball在一个小区域里，再用clump命令把它们捆成一个整体。

先贴一段生成cluster骨料的代码：

set aggregate_rad 5.0 ;# 大颗粒的包络半径 set sub_ball_num 20 ;# 组成cluster的小ball数量 set gap 0.1 ;# 小ball之间的间隙，防止太挤 set clump_id [clump create rad=$aggregate_rad num=$sub_ball_num gap=$gap] # 给cluster赋值物理参数，和矿渣骨料匹配 clump attribute density=2800 young=3.5e10 poisson=0.22 range id $clump_id # 随机扔一堆骨料和砂浆用的小ball ball distribute porosity=0.32 rad=1.0 3.0 density=2100 young=2.5e10 poisson=0.2 range x=-0.5 0.5 y=-0.5 0.5 z=-0.5 0.5

这段代码一开始我把gap设成0了，结果生成的cluster直接挤成一团，导入模型的时候直接报错，后来加了gap=0.1才好，而且porosity设0.32是模拟混凝土的孔隙率，这个参数得根据实际级配调。

接下来是单轴压缩的加载墙，别用固定墙，伺服墙才是做准静态加载的正道：

# 生成上下伺服加载墙，尺寸和模型域匹配 wall create position 0 0 -0.48 size 0.96 0.96 id 1001 wall create position 0 0 0.48 size 0.96 0.96 id 1002 # 设置加载速率，别太快不然惯性炸模型 wall servo velocity 0.008 range id 1001 wall servo velocity -0.008 range id 1002 wall servo on

我一开始手滑把速率设成0.1，结果模型刚加载就被弹飞了，后来查了PFC官方文档才知道，准静态加载的速率要足够慢，让每个步长的位移都小于颗粒的半径量级。

PFC5.0代码，可以破碎的cluster，可模拟碎石、矿渣混凝土材料，ball与cluster颗粒，单轴压缩实验，内涵声发射事件数代码，分析统计ball与ball直接的裂纹数目，cluster内部破碎的裂纹数目

然后是声发射计数，PFC里声发射本质就是接触破坏的次数，不管是拉伸还是剪切破坏，只要接触的状态变了就算一次事件。一开始我抄了网上的代码，结果跑出来一直是0，后来才发现把contact.state的数值记错了——PFC5.0里contact.state(c)=2是拉伸断裂，=3是剪切断裂，修正之后就对了：

fish define count_ae_events local ae_total = 0 loop foreach c contact.list ;# 跳过还没破坏的接触 if contact.state(c) < 2 continue ae_total = ae_total +1 endloop global total_ae = ae_total end ;# 每100个计算步调用一次，省点算力 history add @total_ae

这里加了continue跳过未破坏的接触，比原来的多层if判断看着清爽点，要是模型颗粒多的话，甚至可以隔500步再算，省算力。

最后是裂纹统计的重头戏：区分ball-ball之间的裂纹和cluster内部的裂纹。ball-ball就是砂浆里两个独立小颗粒之间的接触破坏，cluster内部的就是同一个骨料包里的小ball之间的开裂，这个得靠clump.id来判断——同一个cluster里的所有ball的id都属于同一个clump的编号：

fish define count_crack_types local bb_crack = 0 ;# ball-ball之间的裂纹数 local ci_crack = 0 ;# cluster内部的裂纹数 loop foreach c contact.list if contact.state(c) <2 continue local id1 = contact.id1(c) local id2 = contact.id2(c) ;# 先判断是不是两个独立的ball（都不属于任何cluster） if [ball exists id1] and [ball exists id2] if not [clump exists id1] and not [clump exists id2] bb_crack = bb_crack +1 endif endif ;# 再判断是不是同一个cluster内部的接触 if [clump exists id1] and [clump exists id2] if [clump id id1] = [clump id id2] ci_crack = ci_crack +1 endif endif endloop global crack_bb = bb_crack global crack_ci = ci_crack end fish call count_crack_types

这段代码一开始我没加clump exists的判断，结果把cluster和普通ball之间的接触也算进去了，比如骨料和砂浆颗粒的接触，那显然不算内部裂纹，后来加了之后统计就准确了。

跑起来之后的效果还挺直观的：加载初期声发射数很少，都是一些微小的接触调整，到接近峰值应力的时候，声发射数突然暴涨，cluster内部的裂纹先变多，然后ball-ball之间的裂纹开始激增，对应实际混凝土里骨料先碎，然后砂浆和骨料之间的界面开裂，最后整体垮掉。

对了，要是想实时看这些数据，可以开个绘图窗口，把totalae、crackbb、crack_ci都加进去，调参数的时候不用等跑完就能看到效果，省了好多时间。

这次折腾下来才发现，PFC的代码看似简单，但是细节坑特别多，比如接触状态的数值、cluster的id判断、加载速率这些，都是抄现成代码容易踩的雷，还是得自己捋一遍逻辑才好用。