Компьютерное моделирование при оптимизации бетонных смесей

За последние годы существенно возросла мощность компьютеров, что в совокупности с новым программным и аппаратным обеспечением позволило создавать виртуальные модели структур неоднородных систем. Данный способ анализа материала на данный момент считается самым удобным и универсальным методом для изучения и подбора необходимых свойств, параметров широкого ряда композиционных материалов, в который входят и бетонные смеси. Зная характер распределения заполняющего материала в объеме бетона, дальнейшее изучение данного композиционного материала можно продолжить на основе теории вероятностей и математической статистики. Построение виртуальной модели структуры композиционного материала, каким является бетон, позволяет при помощи компьютерных вычислений в кратчайшие сроки получить все будущие характеристики и параметры модели. Данный метод целесообразнее, нежели подбор оптимального состава путем экспериментального смешивания компонентов в бетоносмесительных установках. Поскольку это экономит денежные средства и время на создание опытных образцов с сомнительными свойствами, отсекая их ещё на стадии компьютерного моделирования. При создании виртуальной модели структуры бетона используется вероятностно–геометрический способ построения ограниченного объёма структуры композитного материала. То есть частицы заполняющего материала заменяются геометрическими элементами, которые при помощи случайного распределения помещаются в объём данной модели. Также виртуальные элементы структуры обладают распределением размеров, форм и ориентаций в пространстве. При этом каждый конкретный элемент (группа элементов) описывается несколькими физическими параметрами присущими будущему материалу, которые ограничиваются поверхностями геометрических фигур. Данные виртуальной структуры композитного материала переносятся в виде алгоритмов на компьютер.

 

В созданной математической модели композиционного материала объём должен быть ограничен по всем измерениям. И, несмотря на случайный разброс элементов по объёму виртуальной модели, место каждого элемента строго определено его координатами в общей системе координат. Причём количество координат прямо пропорционально зависит от выбранной формы геометрических элементов структуры, т.е. чем сложнее геометрическая форма выбранного элемента, тем большим количеством координат будет описываться его местоположение в системе распределения элементов. Например, при использовании системы эллипсов положение каждого конкретного элемента будет задаваться девятью координатами. При построении виртуальной модели при помощи тетраэдров для описания местоположения одного конкретного элемента понадобиться уже двенадцать координат. При этом стоит отметить, что элементы заполняющей среды, которые не имеют определённой формы, не обладают обобщёнными координатами. Существуют виртуальные модели, которые универсально описывают приготовление бетона в различных бетоносмесителях и любую, даже самую сложную структуру материала – это сферические модели. В таких моделях элементы представляют собой различные по размеру сферы, которые описываются тремя координатами центра конкретного элемента в некоем замкнутом пространстве модели, а также радиусом его сферической поверхности.