CN112861239A - 数值模型的初始地应力平衡方法、系统、设备及存储介质 - Google Patents

数值模型的初始地应力平衡方法、系统、设备及存储介质 Download PDF

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CN112861239A CN202110240878.2A CN202110240878A CN112861239A CN 112861239 A CN112861239 A CN 112861239A CN 202110240878 A CN202110240878 A CN 202110240878A CN 112861239 A CN112861239 A CN 112861239A
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Abstract

本发明公开了数值模型的初始地应力平衡方法、系统、设备及存储介质，包括获取原始数值模型中所有节点的位移向量序列，分别与对应节点的初始位置坐标向量进行反向叠加，对数值模型的网格进行重构；并对平衡后的数值模型进行常规静力分析，得到平衡后数值模型的常规静力分析结果；对数值模型的网格进行迭代重构，直至满足预设收敛条件，并获取平衡后的数值模型的常规静力分析结果，置零处理后，得到所述初始地应力平衡结果；本发明采用将节点位移平衡向量与对应节点的位移向量序列叠加，对数值模型的网格进行重构，利用节点位移平衡向量抵消数值模型的位移场，实现了对数值模型的初始地应力的平衡；操作过程简单，结果易收敛，准确度高。

Description

数值模型的初始地应力平衡方法、系统、设备及存储介质
技术领域
本发明属于土木工程有限元数值模拟技术领域，特别涉及一种数值模型的初始地应力平衡方法、系统、设备及存储介质。
背景技术
有限元数值模拟广泛应用于各类土木工程设计与施工过程中，在涉及岩土材料的数值模拟过程：例如基坑开挖变形分析，桩土作用分析及地铁掘进模拟中，初始地应力平衡是必不可少且极为关键的一步。初始地应力平衡的目的是寻找在初始荷载和边界条件作用下能够使初始位移场接近零的地应力场，初始地应力平衡的准确与否决定了模拟是否能够准确反映实际情况；现有的初始地应力平衡技术包括：自动平衡、直接定义法及结果导入法。
其中，自动平衡法及其派生方法，通过有限元软件迭代算法自动寻找平衡地应力场，预先指定容许位移值，当最大节点位移小于该值时，计算收敛；其派生方法：将模型不同部件分别自动平衡，然后组装以实现整体平衡；自动平衡法操作简单，但适用范围很小，其仅能应用于几何模型规则、边界条件简单且材料非线性程度低的数值模型中；当几何模型复杂，涉及边界条件非线性或材料非线性程度高时，自动平衡法便无法收敛；即使其派生方法，即模型的部件分别平衡后组装也要求各个部件满足上述要求，在实际工程中通常难以满足；直接定义法，需要完全确定模型地应力场的分布，并通过表达式或分片插入的方式直接指定模型的地应力场；其要求模型结构简单，地应力场能够显式计算，或者对场地进行了详细的勘察，能够定量确定地应力场的分布；极大的限制了方法的适用范围，在实际工程中往往难以实现；结果导入法，包括单元应力导入或节点力导入，其原理均为将初始荷载与边界条件施加于模型，通过静力计算获取应力场，将此应力场作为初始应力场导入地应力平衡过程，经一次或多次迭代以后，以期达到地应力平衡的目的，适用范围较前述方法广；但存在收敛问题，即导入应力场或节点力后计算不一定能够收敛，当模型复杂时此情况多法，或者计算够收敛但结果位移无法满足条件。
上述方法在数值模型几何模型简单、边界条件不复杂及材料非线性程度低时能够基本满足要求；但当涉及结构与岩土材料共同作用、或者材料非线性程度高时，现有技术往往收敛速度慢甚至无法收敛，或收敛地应力场与实际偏差过大。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种数值模型的初始地应力平衡方法、系统、设备及存储介质，以解决现有的地应力平衡方法，在涉及结构与岩土材料共同作用或者材料非线性程度高时，往往出现收敛性速度慢甚至无法收敛，地应力平衡结果偏差较大的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提供了一种数值模型的初始地应力平衡方法，包括以下步骤：
步骤1、获取数值模型中所有节点的位置坐标序列，并对数值模型进行常规静力分析，得到数值模型的常规静力分析结果；
步骤2、提取数值模型的常规静力分析结果中的位移场，得到数值模型中所有节点的位移向量序列；
步骤3、判断数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模是否满足预设收敛条件，若满足，则数值模型的常规静力分析结果即为初始地应力平衡结果；若不满足，进行步骤4；
步骤4、将步骤2中节点的位移向量序列分别与步骤1中对应的节点位置坐标序列进行反向叠加，对数值模型的网格进行重构，得到重构后的数值模型；并对重构后的数值模型进行常规静力分析，得到重构后数值模型的常规静力分析结果；
步骤5、重复步骤1-4，直至重构后的数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模满足预设收敛条件，并获取重构后的数值模型的常规静力分析结果；
步骤6、对步骤5中重构后的数值模型的常规静力分析结果的位移场进行置零处理，得到所述的数值模型的初始地应力平衡结果。
进一步的，步骤1中，对数值模型进行常规静力分析过程如下：
建立几何模型，对几何模型进行网格划分，得到数值模型；对数值模型施加荷载，并设置边界条件；利用有限元分析软件运行分析，得到数值模型的常规静力分析结果；
步骤1中，数值模型中所有节点的位置坐标序列的表达式为：
Li j＝(lj ix,lj iy,lj iz)，i＝0,1,2,...,N；j＝0,1,2,...,M
其中，Li j为数值模型中第i个节点在第j次迭代重构时的位置坐标序列；lj ix为第i个节点X轴方向的位置坐标，lj iy为第i个节点Y轴方向的位置坐标，lj iz为第i个节点Z轴方向的位置坐标，N为数值模型中的节点总数；M为迭代重构总次数。
进一步的，步骤2中，数值模型中所有节点的位移向量序列的表达式为：
Vi j＝(vj ix,vj iy,vj iz)，i＝0,1,2,...,N；j＝0,1,2,...,M
其中，Vi j为数值模型中第i个节点在第j次迭代重构时的位移向量序列；vj ix为第i个节点X轴方向的位移分量，vj iy为第i个节点Y轴方向的位移分量，vj iz为第i个节点Z轴方向的位移分量。
进一步的，步骤3中，数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模的表达式为：
Figure BDA0002962094220000031
其中，max(|Li j+Vi j-Li 0|)为数值模型第j次迭代重构后，数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模；Li 0为数值模型中第i个节点的初始位置坐标向量；
Figure BDA0002962094220000032
为第i个节点的初始位置X轴坐标，
Figure BDA0002962094220000033
为第i个节点的初始位置Y轴坐标，
Figure BDA0002962094220000034
为第i个节点的初始位置Z轴坐标。
进一步的，步骤4中，将数值模型中所有节点的位移向量序列分别与对应节点的初始位置坐标向量进行反向叠加时，具体表达式为：
Figure BDA0002962094220000041
其中，
Figure BDA0002962094220000042
为为数值模型中第i个节点在第j+1次迭代重构时的位置坐标序列；Vi j为数值模型中第i个节点在第j次迭代重构时的位移向量序列。
进一步的，步骤4中，对重构后的数值模型进行常规静力分析过程，每次迭代重构后的数值模型施加的荷载及边界条件均保持一致。
进一步的，预设收敛条件为：
Figure BDA0002962094220000043
本发明还提供了一种数值模型的初始地应力平衡系统，包括分析模块、位移提取模块、判断模块、平衡模块、循环模块及置零模块；
分析模块，用于获取数值模型中所有节点的位置坐标序列，并对数值模型进行常规静力分析，得到数值模型的常规静力分析结果；
位移提取模块，用于提取数值模型的常规静力分析结果中的位移场，得到数值模型中所有节点的位移向量序列；
判断模块，用于判断数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模是否满足预设收敛条件，若满足，则数值模型的常规静力分析结果即为初始地应力平衡结果；若不满足，进行转至平衡模块；
平衡模块，用于将节点的位移向量序列分别与对应的节点位置坐标序列进行反向叠加，对数值模型的网格进行重构，得到重构后的数值模型；并对重构后的数值模型进行常规静力分析，得到重构后数值模型的常规静力分析结果；
循环模块，用于对数值模型的网格进行迭代重构，直至重构后的数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模满足预设收敛条件，并获取重构后的数值模型的常规静力分析结果；
置零模块，用于对重构后的数值模型的常规静力分析结果的位移场进行置零处理，得到所述的数值模型的初始地应力平衡结果。
本发明还提供了一种数值模型的初始地应力平衡设备，包括存储器、处理器及存储在所述处理器中并可在处理器中运行的可执行指令；所述处理器执行所述可执行指令时实现所述的数值模型的初始地应力平衡方法。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可执行指令，所述可执行指令被处理器执行时实现所述的数值模型的初始地应力平衡方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种数值模型的初始地应力平衡方法、系统、设备及存储介质，采用将节点位移向量序列与对应节点初始位置坐标向量进行反向叠加，对数值模型进行网格迭代重构，利用节点位移向量序列抵消数值模型的位移场，实现了对数值模型的初始地应力的平衡；操作过程简单，结果易收敛，准确度高，适用范围广。
进一步的，通过对数值模型的初始地应力平衡结果中的位移场置零处理，确保了数值模型处理过程，对位移场分析结果的准确性。
本发明所述的数值模型的初始地应力平衡方法、系统、设备及存储介质，利用节点位移向量序列与对应节点的初始位置坐标向量进行反向叠加，实现对数值模型位移场的减小归零，进而实现对数值模型初始地应力的平衡；本发明通过直接对模型节点坐标进行修改，静力分析过程均为正向静力分析，无需反复对应力场进行迭代，因而避免了导入应力场方法中的应力迭代不收敛问题，实现对于非线性程度高的数值模型的地应力平衡；处理过程简单，结果精确读较高，易收敛，能够满足对在涉及结构与岩土材料共同作用或者材料非线性程度高的数值模型的初始地应力平衡处理。
附图说明
图1为实施例中的原始数值模型示意图；
图2为实施例中的常规静力分析结果示意图；
图3为实施例中提取结果节点的位移向量序列示意图；
图4为实施例中每个节点叠加节点位置坐标序列的网格重构过程示意图；
图5为实施例中网格重构后的数值模型结构示意图；
图6为实施例中重构后的数值模型结构示意图；
图7为实施例中位移场置零后的初始地应力平衡后的数值模型的示意图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种数值模型的初始地应力平衡方法，包括以下步骤：
步骤1、利用有限元分析软件，获取数值模型中所有节点的位置坐标序列，并对数值模型进行常规静力分析，得到数值模型的常规静力分析结果；其中，数值模型中所有节点的位置坐标序列的表达式为：
Li j＝(lj ix,lj iy,lj iz)，i＝0,1,2,...,N；j＝0,1,2,...,M
其中，Li j为数值模型中第i个节点在第j次迭代重构时的位置坐标序列；lj ix为第i个节点X轴方向的位置坐标，lj iy为第i个节点Y轴方向的位置坐标，lj iz为第i个节点Z轴方向的位置坐标，N为数值模型中的节点总数；M为迭代重构总次数。
步骤1中，对数值模型进行常规静力分析过程如下：
建立几何模型，对几何模型进行网格划分，得到数值模型；对数值模型施加荷载，并设置边界条件；利用有限元分析软件运行分析，得到数值模型的常规静力分析结果。
步骤2、提取数值模型的常规静力分析结果中的位移场，得到数值模型中所有节点的位移向量序列；其中，数值模型中所有节点的位移向量序列的表达式为：
Vi j＝(vj ix,vj iy,vj iz)，i＝0,1,2,...,N；j＝0,1,2,...,M
其中，Vi j为数值模型中第i个节点在第j次迭代重构时的位移向量序列；vj ix为第i个节点X轴方向的位移分量，vj iy为第i个节点Y轴方向的位移分量，vj iz为第i个节点Z轴方向的位移分量。
步骤3、判断数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模是否满足预设收敛条件，若满足，则数值模型的常规静力分析结果即为初始地应力平衡结果；若不满足，进行步骤4；其中，数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模的表达式为：
Figure BDA0002962094220000071
其中，max(|Li j+Vi j-Li 0|)为数值模型第j次迭代重构后，数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模；Li 0为数值模型中第i个节点的初始位置坐标向量；
Figure BDA0002962094220000072
为第i个节点的初始位置X轴坐标，
Figure BDA0002962094220000073
为第i个节点的初始位置Y轴坐标，
Figure BDA0002962094220000074
为第i个节点的初始位置Z轴坐标；其中，对于二维结构问题，则忽略Z轴方向的坐标分量。
本发明中，预设收敛条件为：
Figure BDA0002962094220000075
步骤4、将步骤2中节点的位移向量序列分别与步骤1中对应的节点位置坐标序列进行反向叠加，对数值模型的网格进行重构，得到重构后的数值模型；并对重构后的数值模型进行常规静力分析，得到重构后数值模型的常规静力分析结果；其中，对重构后的数值模型进行常规静力分析过程，每一次迭代重构后的数值模型施加的荷载及边界条件均保持一致。
步骤4中，将数值模型中所有节点的位移向量序列分别与对应的节点位置坐标序列进行反向叠加时，具体表达式为：
Figure BDA0002962094220000076
其中，
Figure BDA0002962094220000077
为为数值模型中第i个节点在第j+1次迭代重构时的位置坐标序列；Vi j为数值模型中第i个节点在第j次迭代重构时的位移向量序列。
步骤5、重复步骤1-4的操作，直至重构后的数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模满足预设收敛条件，并获取重构后的数值模型的常规静力分析结果；其中，步骤5中的预设收敛条件与步骤3中的预设收敛条件相同。
步骤6、对步骤5中重构后的数值模型的常规静力分析结果的位移场进行置零处理，得到所述的数值模型的初始地应力平衡结果。
本发明还提供了一种数值模型的初始地应力平衡系统，包括分析模块、位移提取模块、判断模块、平衡模块、循环模块及置零模块；其中，分析模块，用于获取数值模型中所有节点的位置坐标序列，并对数值模型进行常规静力分析，得到数值模型的常规静力分析结果；位移提取模块，用于提取数值模型的常规静力分析结果中的位移场，得到数值模型中所有节点的位移向量序列；判断模块，用于判断数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模是否满足预设收敛条件，若满足，则数值模型的常规静力分析结果即为初始地应力平衡结果；若不满足，进行转至平衡模块；平衡模块，用于将节点的位移向量序列分别与对应的节点位置坐标序列进行反向叠加，对数值模型的网格进行重构，得到重构后的数值模型；并对重构后的数值模型进行常规静力分析，得到重构后数值模型的常规静力分析结果；循环模块，用于对数值模型的网格进行迭代重构，直至重构后的数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模满足预设收敛条件，并获取重构后的数值模型的常规静力分析结果；置零模块，用于对重构后的数值模型的常规静力分析结果的位移场进行置零处理，得到所述的数值模型的初始地应力平衡结果。
本发明还提供了一种数值模型的初始地应力平衡设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时，实现如下方法：
利用有限元分析软件，获取数值模型中所有节点的位置坐标序列，并对数值模型进行常规静力分析，得到数值模型的常规静力分析结果；提取数值模型的常规静力分析结果中的位移场，得到数值模型中所有节点的位移向量序列；判断数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模是否满足预设收敛条件，若满足，则数值模型的常规静力分析结果即为初始地应力平衡结果；若不满足，进行转至下一步骤；将节点的位移向量序列分别与对应的节点位置坐标序列进行反向叠加，对数值模型的网格进行重构，得到重构后的数值模型；并对重构后的数值模型进行常规静力分析，得到重构后数值模型的常规静力分析结果；对数值模型的网格进行迭代重构，直至重构后的数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模满足预设收敛条件，并获取重构后的数值模型的常规静力分析结果；对重构后的数值模型的常规静力分析结果的位移场进行置零处理，得到所述的数值模型的初始地应力平衡结果。
或者，所述处理器执行所述计算机程序时，实现上述数值模型的初始地应力平衡系统中各个模块的功能；例如：分析模块，用于获取数值模型中所有节点的位置坐标序列，并对数值模型进行常规静力分析，得到数值模型的常规静力分析结果；位移提取模块，用于提取数值模型的常规静力分析结果中的位移场，得到数值模型中所有节点的位移向量序列；判断模块，用于判断数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模是否满足预设收敛条件，若满足，则数值模型的常规静力分析结果即为初始地应力平衡结果；若不满足，进行转至平衡模块；平衡模块，用于将节点的位移向量序列分别与对应的节点位置坐标序列进行反向叠加，对数值模型的网格进行重构，得到重构后的数值模型；并对重构后的数值模型进行常规静力分析，得到重构后数值模型的常规静力分析结果；循环模块，用于对数值模型的网格进行迭代重构，直至重构后的数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模满足预设收敛条件，并获取重构后的数值模型的常规静力分析结果；置零模块，用于对重构后的数值模型的常规静力分析结果的位移场进行置零处理，得到所述的数值模型的初始地应力平衡结果。
所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。
所述数值模型的初始地应力平衡装置可以时桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述数值模型的初始地应力平衡装置，可包括，但不仅限于，处理器及存储器。
所述处理器可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述数值模型的初始地应力平衡系统的各种功能。
本发明所述的数值模型的初始地应力平衡系统集成的模块/单元，如果以以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述所述数值模型的初始地应力平衡方法的步骤。
其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
实施例
如附图1-7所示，以某工程结构的二维模型为例；本实施例提供了一种数值模型的初始地应力平衡方法，包括以下步骤：
步骤1、利用有限元分析软件，建立工程结构的几何模型，并对几何模型进行网格划分，得到数值模型；获取数值模型中所有节点的位置坐标序列，并对数值模型进行常规静力分析，得到数值模型的常规静力分析结果；其中，其中，数值模型中第i个节点在第j次迭代重构时的位置坐标序列的表达式为：
Li j＝(lj ix,lj iy)，i＝0,1,2,...,N；j＝0,1,2,...,M
其中，Li j为数值模型中第i个节点在第j次迭代重构时的位置坐标序列；lj ix为第i个节点X轴方向的位置坐标，lj iy为第i个节点Y轴方向的位置坐标，N为数值模型中的节点总数；M为迭代重构总次数；
本实施例中，当j＝0时，即为对原始数值模型进行常规静力分析；Li 0＝(l0 ix,l0 iy)为原始数值模型中第i个节点的初始位置坐标。
步骤2、对数值模型施加荷载，并设置边界条件；利用有限元分析软件运行常规静力分析，得到数值模型的常规静力分析结果；本实施例中，有限元分析软件采用ABAQUS软件、ANSYS软件或MIDAS软件等有限元软件。
步骤3、提取数值模型的常规静力分析结果中的位移场，得到数值模型中所有节点的位移向量序列；数值模型中所有节点的位移向量序列的容量为N。
本实施例中，数值模型中所有节点的位移向量序列的表达式为：
Vi j＝(vj ix,vj iy)，i＝0,1,2,...,N；j＝0,1,2,...,M
其中，Vi j为数值模型中第i个节点在第j次迭代重构时的位移向量序列；vj ix为第i个节点X轴方向的位移分量，vj iy为第i个节点Y轴方向的位移分量；对于原始数值模型，j＝0。
步骤4、判断数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模是否满足预设收敛条件，若满足，则数值模型的常规静力分析结果即为数值模型地应力平衡结果；若不满足，进行步骤5；其中，数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模的表达式为：
Figure BDA0002962094220000121
其中，max(|Li j+Vi j-Li 0|)为数值模型第j次重构后，数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模；对于原始数值模型，j＝0。
本实施例中，预设收敛条件为：max(|Li j+Vi j-Li 0|)≤10-4。
步骤5、将步骤3中所有节点的位移向量序列分别与对应的节点位置坐标序列进行反向叠加，对数值模型的网格进行重构，得到重构后的数值模型；并保持节点荷载与边界条件不变，对重构后的数值模型进行常规静力分析，得到重构后的数值模型的静力分析结果。
对数值模型的网格进行重构时，采用将数值模型的每个节点的位置向量序列减去模型静力分析结果的节点位移向量序列，从而得到重构后的节点位置坐标；
其中，初次重构后的节点位置坐标的表达式为：
Figure BDA0002962094220000122
其中，
Figure BDA0002962094220000123
为数值模型中第i个节点初次重构后的位置向量；
Figure BDA0002962094220000124
为原始数值模型中第i个节点的位置坐标向量；Vi 0为原始数值模型静力分析结果中第i个节点的位移向量。
步骤6、重复步骤1-5的操作，对数值模型的网格进行迭代重构并进行静力分析，直至数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模满足预设收敛条件，得到最终平衡后的数值模型的常规静力分析结果，即得到数值模型的初始地应力平衡结果；
本实施例中，将数值模型中所有节点的位移向量序列分别与对应的节点位置坐标序列进行反向叠加时，具体表达式为：
Figure BDA0002962094220000131
其中，
Figure BDA0002962094220000132
为为数值模型中第i个节点在第j+1次迭代重构时的位置坐标序列；Vi j为数值模型中第i个节点在第j次迭代重构时的位移向量序列。
步骤7、对数值模型的初始地应力平衡结果中的位移场置零，得到初始地应力平衡后的数值模型，即初始地应力平衡完成。
例如，在本实施例中，数值模型节点1的初始位置是
Figure BDA0002962094220000133
初次静力分析后的位移向量为V1 0(2.1，3.5)，为了抵消该节点的位移，将位移向量的负值叠加至节点1的初始向量得到节点1的初次重构位置向量
Figure BDA0002962094220000134
第一次重构后进行静力分析，得到节点1的位移向量为V1 1(1.9，3.3)；
由于此时
Figure BDA0002962094220000135
因而判断平衡不收敛，继续迭代。
经三次迭代后，节点1的位置向量与位移向量分别为：
Figure BDA0002962094220000136
V1 3(0.1，0.2)此时
Figure BDA0002962094220000137
同时对全部节点进行判别后均满足收敛条件，因而认为此时计算收敛；此时，对位移结果进行置零处理后完成地应力平衡。
从附图1-4中，可以看出采用节点位移平衡向量对对应节点的位移向量序列进行叠加，实现对数值模型位移场的减小归零，进而实现对数值模型初始地应力的平衡；实施例中数值模型包含了土层与结构物，结构物为非对称结构，初始分析结果可看出，除土体自重导致的自身沉降变形外，结构物也造成了土体明显变形且位移结果偏向左侧。经过将位移矢量场反向施加给模型后得到附图5；再次进行分析与位移场抵消，得到附图6，可以看出，模型位移基本得到消除，再经数次迭代后位移达到要求，位移结果置零后得到附图7；证明了本发明提出的地应力平衡方法，方法明确、收敛速度快，精度高。
本实施例还提供了一种数值模型的初始地应力平衡系统，包括分析模块、位移提取模块、判断模块、平衡模块、循环模块及置零模块；其中，分析模块，用于获取数值模型中所有节点的位置坐标序列，并对数值模型进行常规静力分析，得到数值模型的常规静力分析结果；位移提取模块，用于提取数值模型的常规静力分析结果中的位移场，得到数值模型中所有节点的位移向量序列；判断模块，用于判断数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模是否满足预设收敛条件，若满足，则数值模型的常规静力分析结果即为初始地应力平衡结果；若不满足，进行转至平衡模块；平衡模块，用于将节点的位移向量序列分别与对应的节点位置坐标序列进行反向叠加，对数值模型的网格进行重构，得到重构后的数值模型；并对重构后的数值模型进行常规静力分析，得到重构后数值模型的常规静力分析结果；循环模块，用于对数值模型的网格进行迭代重构，直至重构后的数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模满足预设收敛条件，并获取重构后的数值模型的常规静力分析结果；置零模块，用于对重构后的数值模型的常规静力分析结果的位移场进行置零处理，得到所述的数值模型的初始地应力平衡结果。
本发明还提供了一种数值模型的初始地应力平衡设备，包括包括存储器、处理器及存储在所述处理器中并可在处理器中运行的可执行指令；所述处理器执行所述可执行指令时实现如下方法：利用有限元分析软件，获取数值模型中所有节点的位置坐标序列，并对数值模型进行常规静力分析，得到数值模型的常规静力分析结果；提取数值模型的常规静力分析结果中的位移场，得到数值模型中所有节点的位移向量序列；判断数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模是否满足预设收敛条件，若满足，则数值模型的常规静力分析结果即为初始地应力平衡结果；若不满足，进行转至下一步骤；将节点的位移向量序列分别与对应的节点位置坐标序列进行反向叠加，对数值模型的网格进行重构，得到重构后的数值模型；并对重构后的数值模型进行常规静力分析，得到重构后数值模型的常规静力分析结果；对数值模型的网格进行迭代重构，直至重构后的数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模满足预设收敛条件，并获取重构后的数值模型的常规静力分析结果；对重构后的数值模型的常规静力分析结果的位移场进行置零处理，得到所述的数值模型的初始地应力平衡结果。
本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时可实现如下步骤：
利用有限元分析软件，获取数值模型中所有节点的位置坐标序列，并对数值模型进行常规静力分析，得到数值模型的常规静力分析结果；提取数值模型的常规静力分析结果中的位移场，得到数值模型中所有节点的位移向量序列；判断数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模是否满足预设收敛条件，若满足，则数值模型的常规静力分析结果即为初始地应力平衡结果；若不满足，进行转至下一步骤；将节点的位移向量序列分别与对应的节点位置坐标序列进行反向叠加，对数值模型的网格进行重构，得到重构后的数值模型；并对重构后的数值模型进行常规静力分析，得到重构后数值模型的常规静力分析结果；对数值模型的网格进行迭代重构，直至重构后的数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模满足预设收敛条件，并获取重构后的数值模型的常规静力分析结果；对重构后的数值模型的常规静力分析结果的位移场进行置零处理，得到所述的数值模型的初始地应力平衡结果。
本实施例中的计算机可读存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本实施例所述的一种数值模型的初始地应力平衡系统、设备及可读存储介质中相关部分的说明，可以参见本发明所述的一种数值模型的初始地应力平衡方法中对应部分的详细说明，在此不再赘述。
本发明所述的初始地应力平衡方法、系统、设备及可读存储介质，采用将节点位移平衡向量与对应节点的位移向量序列叠加，对数值模型的网格进行重构，利用节点位移平衡向量抵消数值模型的位移场，实现了对数值模型的初始地应力的平衡；操作过程简单，结果易收敛，准确度高，适用范围广。
上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。

Claims (10)

1.一种数值模型的初始地应力平衡方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、获取数值模型中所有节点的位置坐标序列，并对数值模型进行常规静力分析，得到数值模型的常规静力分析结果；
步骤2、提取数值模型的常规静力分析结果中的位移场，得到数值模型中所有节点的位移向量序列；
步骤3、判断数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模是否满足预设收敛条件，若满足，则数值模型的常规静力分析结果即为初始地应力平衡结果；若不满足，进行步骤4；
步骤4、将步骤2中节点的位移向量序列分别与步骤1中对应的节点位置坐标序列进行反向叠加，对数值模型的网格进行重构，得到重构后的数值模型；并对重构后的数值模型进行常规静力分析，得到重构后数值模型的常规静力分析结果；
步骤5、重复步骤1-4，直至重构后的数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模满足预设收敛条件，并获取重构后的数值模型的常规静力分析结果；
步骤6、对步骤5中重构后的数值模型的常规静力分析结果的位移场进行置零处理，得到所述的数值模型的初始地应力平衡结果。
2.根据权利要求1所述的一种数值模型的初始地应力平衡方法，其特征在于，步骤1中，对数值模型进行常规静力分析过程如下：
建立几何模型，对几何模型进行网格划分，得到数值模型；对数值模型施加荷载，并设置边界条件；利用有限元分析软件运行分析，得到数值模型的常规静力分析结果；
步骤1中，数值模型中所有节点的位置坐标序列的表达式为：
Li j＝(lj ix,lj iy,lj iz)，i＝0,1,2,...,N；j＝0,1,2,...,M
其中，Li j为数值模型中第i个节点在第j次迭代重构时的位置坐标序列；lj ix为第i个节点X轴方向的位置坐标，lj iy为第i个节点Y轴方向的位置坐标，lj iz为第i个节点Z轴方向的位置坐标，N为数值模型中的节点总数；M为迭代重构总次数。
3.根据权利要求1所述的一种数值模型的初始地应力平衡方法，其特征在于，步骤2中，数值模型中所有节点的位移向量序列的表达式为：
Vi j＝(vj ix,vj iy,vj iz)，i＝0,1,2,...,N；j＝0,1,2,...,M
其中，Vi j为数值模型中第i个节点在第j次迭代重构时的位移向量序列；vj ix为第i个节点X轴方向的位移分量，vj iy为第i个节点Y轴方向的位移分量，vj iz为第i个节点Z轴方向的位移分量。
4.根据权利要求1所述的一种数值模型的初始地应力平衡方法，其特征在于，步骤3中，数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模的表达式为：
Figure FDA0002962094210000021
其中，max(|Li j+Vi j-Li 0|)为数值模型第j次迭代重构后，数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模；Li 0为数值模型中第i个节点的初始位置坐标向量；
Figure FDA0002962094210000022
为第i个节点的初始位置X轴坐标，
Figure FDA0002962094210000023
为第i个节点的初始位置Y轴坐标，
Figure FDA0002962094210000024
为第i个节点的初始位置Z轴坐标。
5.根据权利要求1所述的一种数值模型的初始地应力平衡方法，其特征在于，步骤4中，将数值模型中所有节点的位移向量序列分别与对应的节点位置坐标序列进行反向叠加时，具体表达式为：
Figure FDA0002962094210000025
其中，
Figure FDA0002962094210000026
为为数值模型中第i个节点在第j+1次迭代重构时的位置坐标序列；Vi j为数值模型中第i个节点在第j次迭代重构时的位移向量序列。
6.根据权利要求1所述的一种数值模型的初始地应力平衡方法，其特征在于，步骤4中，对重构后的数值模型进行常规静力分析过程，每次迭代重构后的数值模型施加的荷载及边界条件均保持一致。
7.根据权利要求4所述的一种数值模型的初始地应力平衡方法，其特征在于，预设收敛条件为：
Figure FDA0002962094210000031
8.一种数值模型的初始地应力平衡系统，其特征在于，包括分析模块、位移提取模块、判断模块、平衡模块、循环模块及置零模块；
分析模块，用于获取数值模型中所有节点的位置坐标序列，并对数值模型进行常规静力分析，得到数值模型的常规静力分析结果；
位移提取模块，用于提取数值模型的常规静力分析结果中的位移场，得到数值模型中所有节点的位移向量序列；
判断模块，用于判断数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模是否满足预设收敛条件，若满足，则数值模型的常规静力分析结果即为初始地应力平衡结果；若不满足，进行转至平衡模块；
平衡模块，用于将节点的位移向量序列分别与对应的节点位置坐标序列进行反向叠加，对数值模型的网格进行重构，得到重构后的数值模型；并对重构后的数值模型进行常规静力分析，得到重构后数值模型的常规静力分析结果；
循环模块，用于对数值模型的网格进行迭代重构，直至重构后的数值模型中所有节点的位移向量序列的最大模满足预设收敛条件，并获取重构后的数值模型的常规静力分析结果；
置零模块，用于对重构后的数值模型的常规静力分析结果的位移场进行置零处理，得到所述的数值模型的初始地应力平衡结果。
9.一种数值模型的初始地应力平衡设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述处理器中并可在处理器中运行的可执行指令；所述处理器执行所述可执行指令时实现如权利要求1-7任意一项所述的数值模型的初始地应力平衡方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机可执行指令，所述可执行指令被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的方法。
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