概述 颗粒材料的填充与排列方式具有在不同振动频率范围内降低总声的潜力。理解多孔介质的孔隙形态特征及孔隙结构相关特性（非声学特性）或可为其声学行为提供见解。本研究采用基于 Attenborough 模型的数值预测揭示填充结构的关键孔隙结构相关参数对其法向入射吸声频谱的重要影响。 方法 采用离散元方法（DEM）创建填充球体模型，获取孔隙结构相关特性。多孔介质的孔隙率在三维图像处理软件 Simpleware 中通过测量反选（布尔运算）代表性填充结构的体积分数得出，平均粒径通过对填充结构进行分水岭分割后统计测量颗粒尺寸平均值获得。渗透性由填充球体计算所得的压强-流速数据拟合至 Hazen-Darcy 模型确定。将渗透率、孔隙率及颗粒尺寸拟合至 Kozeny-Carman 模型确定 Kozeny 常数为 4.64。 图：（a）特征为粒径 2 mm、空隙率 0.33 的虚拟大孔填充球体的 2D、3D 图像（b）流过代表性填充球体的流体速度流线/箭头图 在 COMSOL 软件中对 3D 半管几何构型进行 Helmholtz 线性声学与声学多孔介质模型的数值建模与仿真获得这些材料的吸声频谱。3D 半管的几何构型基于四麦克风 AFD 1200 型声学阻抗管的尺寸创建，该装置由扬声器声源、传播管和试样段组成。入口段与出口段设置为硬声场边界壁面，在声源域和管域施加背景声压场和 1.0 Pa 的入射平面波，侧壁设置为周期性边界条件。网格数量、收敛时间与精度之间的平衡通过在 2D 几何构型上优化网格实现。2D 和 3D 模拟结果之间可忽略不计的差异可归因于体积平均声学多孔介质模型方程的求解与指定的域无关，而是取决于提供的孔隙结构相关参数代表值。因此，所有关于吸声频谱的数值模拟结果均在 2D 中进行计算，可兼顾较快的收敛时间和精度。 图：（a）AFD 1200 型声学阻抗管；（b）3D 半管和（c）2D 的数值模拟 20mm 硬背衬填充球形结构的总声压 结果与分析 等效流体模型 将预测的法向入射吸声频谱与文献中多个来源的实验测量数据在 0-7000 Hz 频率范围内进行对比，确定数值模型的准确性。DBM 模型、Wilson 模型和 Zwikker-Kosten 模型未能可靠地预测填充球体所表征的声学行为，原因可能在于这些模型是为预测非填充颗粒介质的声学行为而开发的。采用 DBM 模型对高孔隙率材料（多孔金属海绵）进行预测的结果与实验测量值更为吻合。JCA 模型和 Attenborough 模型能够可靠地预测颗粒材料的特征吸声频谱。Attenborough […]

概述 混凝土结构中钢筋的腐蚀是一个全球性问题。为评估钢筋混凝土中钢筋的退化，需要精确描述混凝土基体中的电流、电势及各种物质的浓度分布。尽管混凝土基体是一种具有复杂微观结构的非均质多孔材料，但以往的研究常将质量传输视为在均质材料中处理，通过其他因素（孔隙率、紧缩性、迂曲度）修正整体传输系数，从而得到所谓的有效系数（如扩散系数）。 本研究提出一种新方法，通过高分辨率 X 射线计算机断层扫描（XCT）获取混凝土的真实三维微观结构，经过处理后生成用于有限元计算的网格模型，最终与多物质传输体系及电势方程耦合求解。该方法能够更真实地描述混凝土和钢筋表面的离子运动与反应，进而更精准地评估导致钢筋质量损失及其位置的阳极和阴极电流。 试样制备与表征 由重量比为 3:1:0.5的砂、水泥、水制备 100 mm、150 mm 的立方体和 40 × 40 × 160 mm 的柱体砂浆试样。对硬化 2 天、28 天、90 天的试样进行强度测试，对水中养护 28 天、90 天的试样进行吸水性测试，采用压汞法测量孔隙率。针对水灰比为 0.5 的试样，采用 30.3% 作为凝胶孔隙率的设定值。 表：测量所得砂浆特性 图像处理 使用 Nano-XCT 技术对砂浆试样进行扫描，将图像数据裁剪为直径 46.8 μm、高 39 μm 的圆柱体，导入 Simpleware 软件中进行处理。基于灰度阈值将结构分割为四个相：含凝胶孔的水泥、毛细孔、浅色颗粒、深色颗粒。在 Simpleware FE 模块，采用 +FE Free 算法为分割模型创建用于模拟的 2D 和 3D 网格。生成包含 2221768 个四面体单元 3D 网格的设置参数：目标最小长度 1.4 μm，目标最大误差 0.23 […]

概述 宏观或连续/工程尺度上，将混凝土建模为均质材料在大型结构（如桥梁和摩天大楼）的设计阶段是一个很好的近似。然而，在结构耐久性或完整性分析需要深入理解损伤起始和断裂演化的机制时，则通常使用具有非均质性的混凝土细观结构。界面过渡区（ITZ）是细观结构中的关键部分，在凝结过程中形成于骨料和砂浆之间。ITZ 的化学成分与砂浆相似但孔隙率更高，是机械性能差的薄弱区域。 相较于其他组分，ITZ 的厚度较小，对力学性能的实验测量和微观模型的计算都带来了挑战性。目前处理 ITZ 的四种方式：nCE 不使用粘聚力单元，即没有明确考虑 ITZ 而仅将潜在非弹性和损伤行为归因于砂浆；zCE 零厚度粘聚力单元；cCE 恒定有限厚度粘聚力单元，即独立于其他细观结构特征；vCE 可变有限厚度粘聚力单元，即厚度取决于其他特征（如骨料尺寸）。本研究通过有限元模拟评估四种 ITZ 表征混凝土在拉伸和压缩下的宏观行为及计算效率。 制备试样和模拟 制备砂浆和混凝土试样进行拉伸和压缩试验，其中直径 100 mm 高度 200 mm的圆柱体和 100 mm 的立方体试样用于压缩试验，长 90 mm 厚 25 mm 的狗骨形试样用于拉伸试验。使用尺寸为 6.3-10 mm 的石灰石作为粗骨料，骨料体积分数分别为 20%、30%、40%，砂浆和混凝土的水灰比（w/c）均为 0.49。 表：混凝土和砂浆的配合比设计 图：（a）混凝土和砂浆试样（b）压缩试验机（c）拉伸试验机（d）应变计（e）混凝土破坏（f）砂浆破坏 骨料和孔隙的形状对弹性参数及裂纹形态没有显著影响，为简化模型，本研究将混凝土 3D 细观模型中的骨料和孔隙均假设为球形。采用参数化建模方法在指定区域内生成随机分布且符合设定尺寸和形状的颗粒，代表试样的区域被细分为体素并输出一组 2D 切片图像。将图像数据导入 Simpleware 软件进行网格敏感性测试并生成高质量的四面体网格模型，在 ABAQUS 软件中进行有限元模拟。开发代码通过复制骨料和砂浆之间界面节点集插入粘聚力单元，cCE 模型中 ITZ 厚度为 0.25mm、0.5 mm，vCE 模型中 ITZ 厚度与骨料半径的比率为 […]