CN107644120A - 一种用于岩土体三维离散元快速建模和模拟的通用数值模拟箱 - Google Patents
一种用于岩土体三维离散元快速建模和模拟的通用数值模拟箱 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于岩土体三维离散元建模和模拟的通用模拟箱，1)建立通用模拟箱，生成箱体6个方向上的指定尺寸边界板，边界板由一系列球体颗粒组成；在6个边界板内侧分别生成尺寸稍小的缓冲边界压力板，建立三维模拟箱；2)箱体内生成颗粒堆积体，在箱体内随机生成无重力颗粒；3)建立不同构筑物的三维模型，导入包括分层、分界坐标文件；对轮廓外的颗粒进行移除，形成构筑物三维模型；4)对三维模型赋岩土体材料性质；导入岩土体材料属性文件，根据转换公式将岩土体参数换算为颗粒参数；对颗粒赋参数，建立具有特定弹性性质和破坏性质的三维离散元模型；5)通过边界压力板进行力、位移、震动的加载通过边界施加位移和震动，通过压力板施加应力作用等荷载，进行迭代运算并输出结果。
Description
技术领域
本发明涉及岩土体三维离散元模拟，尤其是高效的建模方法和多功能三维模拟箱。
背景技术
岩土工程和地质工程领域的很多问题涉及到大变形和破坏，如滑坡、崩塌、地面沉降、隧道开挖、水力压裂等。目前对于岩土体结构物的模拟方法大都基于连续介质力学(如有限元法、有限差分法)。而岩土体在微观上是由一系列的颗粒、孔隙和裂隙组成的结构系统，这些方法难以有效模拟这种离散性，以及大变形和破坏。离散元数值模拟方法基于大量的球体颗粒进行计算，是进行大变形和破坏过程模拟的有效手段。目前，岩土离散元建模和模拟还存在着很大的困难，难以应用于工程实践。以国外商业软件PFC为例，建模方法通常为首先在指定几何体内生成颗粒单元，然后建立连接，赋材料参数，最终建立边界条件和调整、计算。这种建模步骤中每一步都涉及大量的复杂操作，并且难以建立特定结构和特定三轴压力的模型。而传统的通过沉积的建模方法又存在着计算量巨大和耗时长等问题。因此，如何快速地建立起特定结构的颗粒离散元几何模型，并施加有效的三轴应力、位移和震动等边界条件，是实现岩土体离散元建模和模拟的关键问题。
发明内容
为了克服目前离散元建模方法效率低、计算量大、操作复杂等问题，本方法目的是，解决离散元高效建模问题，提出一种用于高效建立离散元三维模型的数值模拟方法，建立通用的三维模拟箱，满足不同用途、不同几何尺寸、不同轮廓的模型要求(如：边坡、基坑、隧道以及三轴试验等等)。该方法避免了复杂的离散元编程建模方法和读取图元建模方法，采用重力沉积和夯实完成紧密堆积体的建立，几何文件和材料文件先后从外部导入，实现几何条件与材料赋值程序的隔离，通过边界压力板加载施加荷载，压力板之间交叉但无作用力。由此实现三维离散元模型的高效建立和精确模拟。
本发明的技术方案是：一种用于岩土体三维离散元建模和模拟的通用模拟箱，其步骤包括：(1)建立通用模拟箱。生成6个方向上的指定尺寸边界板，边界板由一系列球体颗粒组成。在6个边界板内侧分别生成尺寸稍小的缓冲压力板，建立三维模拟箱；(2)箱体内生成颗粒堆积体。在箱体内随机生成无重力颗粒；对颗粒施加随机初速度，通过离散元迭代运算，颗粒运动和相互碰撞至随机位置；对颗粒和上部压力板施加重力，使颗粒自然堆积，为使颗粒快速堆积，重力加速度值由下向上增加；在堆积体上方通过柔性板施加周期荷载，压实堆积模型至指定密度。(3)建立不同构筑物的三维模型。导入几何(包括分层、分界坐标)坐标文件；对轮廓外的颗粒进行移除，形成构筑物三维模型；(4)对三维模型赋岩土体材料性质。导入岩土体材料属性文件，根据转换公式将岩土体参数换算为颗粒参数；对颗粒赋参数，建立具有特定弹性性质和破坏性质的三维离散元模型；对岩土体模型进行重新平衡。(5)通过边界压力板进行力、位移、震动等的加载，压力板之间可交叉但不发生作用力，记录加载过程中的各项指标，进行迭代运算并输出结果。
本发明的有益效果是：实现离散元三维模型的高效建模方法，建立通用的三维模拟箱，在箱体内生成大量的无连接无重力的球颗粒，然后重力堆积和循环夯实形成紧密堆积体，此过程计算量大大减小并且模拟了自然沉积过程；在紧密堆积体形成后导入坐标文件进行轮廓切割，在大量迭代运算前设置边界条件；直接导入材料属性文件，将几何设置和材料设置隔离，提高计算效率；通过压力板有效完成各种荷载的施加，压力板之间可以交叉但不发生作用力。此过程实现了离散元三维模型的通用、高效的建模和模拟方法。
附图说明
图1三维离散元高效模拟箱模拟流程示意图；
图2三维模拟箱中紧密堆积体的建立流程图；
图3赋予模型工况条件——以边坡模型为例；
图4对模型施加不同荷载的流程图。
具体实施方式
本发明方法工作流程如图1-图4所示。
图1为三维离散元模型通用模拟箱建模和模拟方法的实现流程图。
步骤10输入三维模拟箱的几何参数，建立模拟箱的外轮廓，包含外边界板和内层的边界压力板，两种板都是由与样品相近粒径的球颗粒组成，边界板为刚性的，以施加边界位移，压力板为柔性，用于缓冲边界位移和产生压力作用。
步骤11建立紧密堆积体。通过重力沉积和循环夯实建立紧密堆积的堆积体。
步骤12赋几何条件。根据构筑物的几何形状和分层分界条件，读取外部坐标文件切割出几何轮廓，移除轮廓外部颗粒。
步骤13赋予材料性质。将岩土体的材料性质、力学参数通过文本文件的形式导入到模型中，通过转换公式将材料参数转换为颗粒参数。
步骤14平衡模型。在对颗粒赋予实际材料参数后，各层单元的受力和单元刚度发生变化，使得单元受力不平衡。因此，模型需要再进行受力平衡。为防止模型破坏，平衡迭代运算时将单元间连接设为不可断裂，使模型单元在重力和弹力作用下运动至稳定状态，将单元间连接恢复至可断裂的胶结状态。
步骤15通过边界对内部堆积模型施加位移、震动等荷载，通过改变压力板所受体力，实现应力的加载；通过调整各边界的位移进行位移的加载，加载后迭代运算完成模拟，输出结果。
图2为三维模拟箱及紧密堆积体的建立流程图。
步骤20输入模拟箱的外观尺寸参数。建立模拟箱的外轮廓，包含6个外边界板和6个内层的边界压力板，两种板都是由与样品同样粒径的球颗粒组成，边界板为刚性的，上压力板为柔性的，其余方向的压力板为刚性的。板的颗粒直径与内部单元的平均直径相同。
步骤21在模型内部生成自由轻颗粒。设定颗粒半径R1＝r·f(1)，f(1)为均值1正态分布数组，颗粒无重力为轻颗粒。
步骤22建立随机模型。对每一个颗粒施加随机的初速度，颗粒在初速度的作用下运动并发生颗粒之间的碰撞，最终颗粒运动至随机的位置。
步骤23模拟自然沉积建立堆积体。考虑到较高位置的颗粒其沉积位移较大，作用在颗粒上的重力加速度由箱底的零值线性增加到箱顶的10·g。由于位移与所施加的重力加速度成正比，这种线性的重力加速度设置使所有颗粒几乎同时完成沉积。
步骤24夯实堆积模型。将模型颗粒的重力设为零，而对上压力板颗粒施加周期性的大于10·g的重力加速度，对堆积体进行夯实；设置夯实的次数，循环夯实得到不同密度的紧密堆积体。
图3为赋予模型工况条件流程图。
步骤30建立模型图形坐标。在excel软件中进行图形建模工作；将建立好坐标的excel文件导入。
步骤31切割紧密堆积体。导入坐标文件后，将轮廓以外的颗粒移除；在分层层面上将所有连接键断开。
步骤32建立材料参数。在txt文件中设置不同分层岩土体的材料参数，然后导入txt文件。
步骤33赋颗粒材料参数。将宏观的材料参数通过转换公式转换为颗粒间微观参数，模型具有了特定岩土体的弹性性质和破坏性质。
本发明提出的转换公式如下：模型颗粒单元间考虑正向和切向作用力，并由五个参数来确定：正向劲度系数(Kn)、切向劲度系数(Ks)、颗粒间破坏位移(Xb)、颗粒间抗剪强度(Fs0)和颗粒间摩擦系数(μp)。根据平均力学参数建立三维离散元模型，包括五个宏观力学参数，杨氏模量(E)、泊松比(v)、抗拉强度(Tu)、抗压强度(Cu)和泊松比(μi)，颗粒间的力学参数通过以下转换公式来确定：
步骤34平衡模型。由于切割模型和赋材料参数后，颗粒的受力和刚度发生变化，模型需要再进行受力平衡；将模型胶结并设置颗粒间连接不可断裂；模型颗粒在重力和弹力作用下运动至稳定状态。
图4表示对模型施加不同荷载的流程图。
步骤40设置荷载的加载条件。主要分为控制应力加载、控制位移加载、震动荷载的加载等。
步骤41控制应力的加载方法。应力加载通过设置施加在压力板上的力来实现。令压力板仅能在板的法向上移动，并锁定其它方向的自由度。将设定的压力板应力乘以颗粒在压力板上的面积得到每个压力板颗粒的体力，例如在垂直方向上通过控制上部压力板的重力实现力的加载。模拟计算时，忽略压力板之间的力的作用，使三个主方向的压力板不相互影响，从而实现模拟箱中三轴应力的施加。
步骤42控制位移的加载。控制某一方向的边界位移实现位移加载，某一方向的边界发生位移时，挤压或拉动相应的压力板，而压力板再与模型中颗粒产生力的作用，压力板起到力的缓冲作用，从而避免模型中出现应力的突变。
步骤43加载震动荷载。对边界(通常为下边界)施加周期性反复的正向和切向位移，在相应压力板的缓冲下，周期性的位移会转化为压力板的正弦式运动，从而模拟出地震作用。
步骤44记录模型的各项状态指标，输出结果。
Claims (5)
1.一种用于岩土体三维离散元建模和模拟的通用模拟箱，其特征是步骤包括：(1)建立通用模拟箱，生成箱体6个方向上的指定尺寸边界板，边界板由一系列球体颗粒组成；在6个边界板内侧分别生成尺寸稍小的缓冲边界压力板，建立三维模拟箱；(2)箱体内生成颗粒堆积体，在箱体内随机生成无重力颗粒；对颗粒施加随机初速度，通过离散元迭代运算，颗粒运动和相互碰撞至随机位置；对颗粒和上部压力板施加重力，使颗粒自然堆积，为使颗粒快速堆积，重力加速度值由下向上增加；在堆积体上方通过柔性板施加周期荷载，压实堆积模型至指定密度；(3)建立不同构筑物的三维模型，导入包括分层、分界坐标文件；对轮廓外的颗粒进行移除，形成构筑物三维模型；(4)对三维模型赋岩土体材料性质；导入岩土体材料属性文件，根据转换公式将岩土体参数换算为颗粒参数；对颗粒赋参数，建立具有特定弹性性质和破坏性质的三维离散元模型；(5)通过边界压力板进行力、位移、震动的加载，压力板之间可交叉但不发生作用力，记录加载过程中的各项指标，进行迭代运算并输出结果。
2.根据权利要求1所述的通用模拟箱，其特征是三维离散元模型通用模拟箱建模和模拟方法的流程步骤为，步骤10输入三维模拟箱的几何参数，建立模拟箱的外轮廓，包含外边界板和内层的边界压力板，两种板都是由与样品相近粒径的球颗粒组成，边界板为刚性的，以施加边界位移，压力板为柔性，用于缓冲边界位移和产生压力作用；
步骤11建立紧密堆积体；通过重力沉积和循环夯实建立紧密堆积的堆积体；
步骤12赋几何条件；根据颗粒堆积的几何形状和分层分界条件，读取外部坐标文件切割出几何轮廓，移除轮廓外部颗粒；
步骤13赋予材料性质；将岩土体的材料性质、力学参数通过文本文件的形式导入到模型中，通过转换公式将材料参数转换为颗粒参数；
步骤14平衡模型；在对颗粒赋予实际材料参数后，各层单元的受力和单元刚度发生变化，使得单元受力不平衡；因此，模型需要再进行受力平衡；为防止模型破坏，平衡迭代运算时将单元间连接设为不可断裂，使模型单元在重力和弹力作用下运动至稳定状态，将单元间连接恢复至可断裂的胶结状态；
步骤15通过边界对内部堆积模型施加位移、震动等荷载，通过改变压力板所受体力，实现应力的加载；通过调整各边界的位移进行位移的加载，加载后迭代运算完成模拟，输出结果。
3.根据权利要求1所述的通用模拟箱，其特征是三维模拟箱及紧密堆积体的建立流程步骤,步骤20输入模拟箱的外观尺寸参数；建立模拟箱的外轮廓，包含6个外边界板和6个内层的边界压力板，两种板都是由与样品同样粒径的球颗粒组成，边界板为刚性的，上压力板为柔性的，其余方向的压力板为刚性的；板的颗粒直径与内部单元的平均直径相同；
步骤21在模型内部生成自由轻颗粒；设定颗粒半径R1＝r·f(1)，f(1)为均值1正态分布数组，颗粒无重力为轻颗粒；
步骤22建立随机模型；对每一个颗粒施加随机的初速度，颗粒在初速度的作用下运动并发生颗粒之间的碰撞，最终颗粒运动至随机的位置；
步骤23模拟自然沉积建立堆积体；考虑到较高位置的颗粒其沉积位移较大，作用在颗粒上的重力加速度由箱底的零值线性增加到箱顶的10·g；由于位移与所施加的重力加速度成正比，这种线性的重力加速度设置使所有颗粒几乎同时完成沉积；
步骤24夯实堆积模型；将模型颗粒的重力设为零，而对上压力板颗粒施加周期性的大于10·g的重力加速度，对堆积体进行夯实；设置夯实的次数，循环夯实得到不同密度的紧密堆积体。
4.根据权利要求1所述的通用模拟箱，其特征是赋予模型工况条件流程图；步骤30建立模型图形坐标，在excel软件中进行图形建模工作；将建立好坐标的excel文件导入；
步骤31切割紧密堆积体；导入坐标文件后，将轮廓以外的颗粒移除；在分层层面上将所有连接键断开；
步骤32建立材料参数；在txt文件中设置不同分层岩土体的材料参数，然后导入txt文件；
步骤33赋颗粒材料参数；将宏观的材料参数通过转换公式转换为颗粒间微观参数，模型具有了特定岩土体的弹性性质和破坏性质；
转换公式如下：模型颗粒单元间考虑正向和切向作用力，并由五个参数来确定：正向劲度系数(Kn)、切向劲度系数(Ks)、颗粒间破坏位移(Xb)、颗粒间抗剪强度(Fs0)和颗粒间摩擦系数(μp)；根据平均力学参数建立三维离散元模型，包括五个宏观力学参数，杨氏模量(E)、泊松比(v)、抗拉强度(Tu)、抗压强度(Cu)和泊松比(μi)，颗粒间的力学参数通过以下转换公式来确定：
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步骤34平衡模型；由于切割模型和赋材料参数后，颗粒的受力和刚度发生变化，模型需要再进行受力平衡；将模型胶结并设置颗粒间连接不可断裂；模型颗粒在重力和弹力作用下运动至稳定状态。
5.根据权利要求1所述的通用模拟箱，其特征是对模型施加不同荷载的流程，步骤40设置荷载的加载条件；主要分为控制应力加载、控制位移加载、震动荷载的加载等；
步骤41控制应力的加载方法；应力加载通过设置施加在压力板上的力来实现；令压力板仅能在板的法向上移动，并锁定其它方向的自由度；将设定的压力板应力乘以颗粒在压力板上的面积得到每个压力板颗粒的体力，例如在垂直方向上通过控制上部压力板的重力实现力的加载。模拟计算时，忽略压力板之间的力的作用，使三个主方向的压力板不相互影响，从而实现模拟箱中三轴应力的施加。
步骤42控制位移的加载。控制某一方向的边界位移实现位移加载，某一方向的边界发生位移时，挤压或拉动相应的压力板，而压力板再与模型中颗粒产生力的作用，压力板起到力的缓冲作用，从而避免模型中出现应力的突变；
步骤43加载震动荷载；对边界(通常为下边界)施加周期性反复的正向和切向位移，在相应压力板的缓冲下，周期性的位移会转化为压力板的正弦式运动，从而模拟出地震作用；
步骤44记录模型的各项状态指标，输出结果。
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