CN113569408B - 一种河冰力学性能的代表性表征方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种河冰力学性能的代表性表征方法，具体包括：S1、确定河冰代表体的细观结构及细观机理，基于细观计算力学方法得到所述河冰代表体，构建河冰细观计算模型；S2、基于所述河冰细观计算模型下的河冰强度，确定河冰在不同工况下的强度性能，分析河冰代表体尺寸并得到最终结果；S3、对所述最终结果在不同工况下的强度变化进行统计分析，确定能反映整体样本强度的最小细观河冰体元。本发明采用细观计算力学方法，并基于构建的河冰细观计算模型模拟河冰强度，对单轴加载情况下河冰强度进行模拟计算，以此确定河冰计算强度代表体的尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及水利工程技术领域，特别是涉及一种河冰力学性能的代表性表征方法。
背景技术
目前，对材料代表体的研究，已有成果多侧重于对材料弹性性能代表体的研究，对强度代表体的定量研究较少。部分公开文献中分析了5mm×5mm～25mm×25mm尺寸的颗粒增强型随机非均质材料数值样本在单轴拉伸和剪切两种荷载下的代表体尺寸，结果表明：硬化阶段代表体尺寸远大于弹性阶段，但是文中并未对代表体的尺寸给出定量结果。采用数值极限分析方法，研究了周期性复合材料代表体尺寸的选取对强度均匀化的影响，结果表明：代表体尺寸为20倍加载粒径以上时，均匀化性能才不受边界的影响。
河冰是指河水因热量变化产生的结冰现象，可取出储存供生活用，也可利用其作为渡桥，方便交通。河冰具有微观、细观和宏观等多重尺度特征，对其力学机理的研究，需要在不同层次深入研究，并建立各个层次间的联系。因此，河冰代表体尺寸的准确确定是河冰细观机理研究和宏观性能预测的重要基础，对建立河冰各个层次上的联系具有重要科学意义。对河冰而言，强度是衡量其封冻阶段力学性能的重要参数，由于其细观结构的复杂性，目前，对基于强度统计特征的河冰代表体尺寸研究尚未见详细报道。为更深入认识河冰强度的细观机理，开展河冰强度代表体尺寸的深入研究具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是基于细观计算强度的河冰代表体的定义和确定方法，并基于构建的河冰细观计算模型模拟河冰强度，对单轴加载情况下河冰强度进行模拟计算，以此确定河冰计算强度代表体的尺寸。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种河冰力学性能的代表性表征方法，具体包括以下步骤：
S1、确定河冰代表体的细观结构及细观机理，基于细观计算力学方法得到所述河冰代表体，构建河冰细观计算模型；
S2、基于所述河冰细观计算模型下的河冰强度，确定河冰在不同工况下的强度性能，分析河冰代表体尺寸并得到最终结果；
S3、对所述最终结果在不同工况下的强度变化进行统计分析，确定能反映整体样本强度的最小细观河冰体元。
优选地，基于物理属性的统计特征，所述河冰代表体为非均质材料。
优选地，所述河冰代表体要满足：
数值模拟结果不受数值样本随机性的影响；
强度随尺寸的增加趋于稳定，波动范围不能超过允许误差。
优选地，所述构建河冰细观计算模型具体为：
提取所述河冰代表体的晶粒尺寸和分布，确定河冰晶界及初始缺陷，得到细观结构参数；
基于冰晶的力学性能确定河冰晶粒弹性模量以及河冰晶粒断裂强度，计算冰晶界的强度，得到细观材料参数；
基于所述细观结构参数和所述细观材料参数构建河冰细观计算模型。
优选地，所述工况包括单轴受拉、单轴受压两种工况。
优选地，所述S2中，模拟河冰强度的具体过程为：
S2.1、从所述河冰细观计算模型中随机截取不同位置、同一尺寸的样本作为子样本；
S2.2、对所述子样本施加载荷强度，并分析在所述载荷强度值下所述子样本的离散性；
S2.3、增加所述子样本的尺寸，根据强度离散性结果与强度相对误差，确定所述河冰细观计算模型在不同工况下的的稳定性。
优选地，所述S2.3具体包括：
由不同尺寸的样本强度离散分析结果，确定该载荷下强度随样本随机性的稳定尺度；
由不同尺寸样本的强度相对误差分析结果，确定该载荷下强度随尺寸变化的稳定尺度。
优选地，在给定的载荷条件下，增加的所述子样本的尺寸对宏观强度带来的波动不能大于允许误差。
优选地，S2中，通过数值模拟法确定所述河冰在不同工况下的强度性能。
优选地，结合细观数值计算方法，对所述最终结果进行统计分析。
本发明的有益效果为：
本发明采用细观计算力学方法，提出基于细观计算强度的河冰代表体(简称计算强度代表体)的定义和确定方法，并基于构建的河冰细观计算模型模拟河冰强度，对单轴加载情况下河冰强度进行模拟计算，以此确定河冰计算强度代表体的尺寸。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明河冰计算强度代表体尺寸确定流程图；
图3为本发明实施例中河冰弹性模量的变异系数随计算样本变化示意图；
图4为本发明实施例中河冰抗压强度的变异系数随计算样本变化示意图；
图5为本发明实施例中计算样本的弹性模量与整体样本的相对误差变化示意图；
图6为本发明实施例中计算样本的抗压强度与整体样本的相对误差变化示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种河冰力学性能的代表性表征方法，具体包括以下步骤：
S1、基于细观计算力学方法，确定基于细观计算力学的河冰代表体，构建河冰细观计算模型；
冰体内部微裂纹的变化是导致冰复杂宏观表象的重要因素，本发明从细观尺度描述河冰微裂纹开裂。河冰的主要晶体结构形式为柱状冰，有三个相互垂直的坐标轴。
非均质材料常常通过代表体的概念来描述，实际上就是用较小的试件近似表征宏观结构，将小试件的研究结果近似为整体材料的性能。本文基于物理属性的统计特征，结合细观数值计算和统计分析，研究基于细观计算强度的河冰代表体。作为代表体，应该满足体元性能与整体材料具有相似性，并且不受随机因素的影响。这里定义的河冰计算强度代表体为满足以下两个条件的最小体元：
(1)数值模拟结果不受数值样本随机性的影响；
(2)强度随尺寸的增加趋于稳定，波动范围不得超过允许误差。
所述河冰代表体确定的具体步骤为：
S1.1、生成给定条件的整体样本；
S1.2、从中截取不同位置处同一尺寸的子样本作为计算样本；
S1.3、计算在给定荷载下的强度值，并分析该荷载下强度值的离散性；
S1.4、增加子样本尺寸；
S1.5、由不同尺寸试样强度离散性分析结果，确定该荷载下强度随样本随机性的稳定尺度L1；
S1.6、由不同尺寸试样的强度相对误差结果，确定该荷载下强度随尺寸变化的稳定尺度L2；
取L1和L2中较大者作为该工况下河冰代表体尺寸，河冰代表体确定流程图如附图2所示。
因为河冰属性随尺寸变化呈波动变化，为确保河冰性能趋于稳定，要求至少连续两个尺寸满足精度要求才能视作达到代表性要求，取稳定尺度中较大值为代表体尺寸。
构建河冰细观计算模型具体为：
提取所述河冰代表体的晶粒尺寸和分布，确定河冰晶界及初始缺陷，得到细观结构参数；
基于冰晶的力学性能确定河冰晶粒弹性模量以及河冰晶粒断裂强度，计算冰晶界的强度，得到细观材料参数；
基于所述细观结构参数和所述细观材料参数构建河冰细观计算模型。
S2、基于所述河冰细观计算模型模拟河冰强度，并对所述河冰强度进行计算，得到基于细观计算强度的河冰代表体尺寸；
对于河冰材料，由于细观结构的复杂性，通过解析表达式预测河冰的强度值已不可能，而实验观测受条件限制又无法将细观结构与宏观力学试验结果等量地对应起来。相比之下，数值模拟法由于不受试验仪器的影响，且能进行重复试验，并能跟踪细观结构在加载过程中的变化，已成为代表体研究中比较有效的手段。本发明采用了数值模拟法确定河冰在不同工况下的强度性能，结合细观数值计算方法，分析基于细观计算强度的河冰代表体尺寸。
基于强度的河冰代表体主要考虑单轴受拉、单轴受压两种工况，采用已建立的河冰细观数值模型，从细观层次研究河冰在不同工况下的强度变化，并对结果进行统计分析，确定能反映整体样本强度的最小细观体元。
在给定的荷载条件下，对任给尺寸L，样本尺寸增加ΔL对宏观强度带来的波动不能大于允许误差，如式(1)所示：
其中，f为河冰的平均性能；下标L为体元尺寸，ΔL为尺寸增量；ε为允许误差，取为5％。
S3、通过数值模拟法确定所述河冰在不同工况下的强度性能，结合细观数值计算方法，对所述基于细观计算强度的河冰代表体尺寸进行分析，确定所述河冰强度代表体的尺寸。
河冰代表体要求材料在微观层次上足够大，以包含全部的微观信息，且在宏观层次上足够小，以保证材料在宏观尺度上的连续性。代表体结构来自整体细观结构，且代表特征单元能够代表整体的材料性能。因此，在生成整体随机样本模型后，通过对大尺寸整体样本进行子区域样本的截取作为计算样本试件。在本实施例中，确定河冰强度整体随机样本模型尺寸为300mm×300mm，冰晶体粒径尺寸控制在0mm～15mm，计算样本为整体样本中任意位置截取的正方形试件，尺寸分别为100mm×100mm、168mm×168mm、200mm×200mm、250mm×250mm；
(1)基于样本离散性的强度代表体分析
从整体样本中截取不同尺寸样本模型，获得计算样本模型后，对各个试件分别进行受压试验的数值模拟，以弹性模量和抗压强度作为力学变量，分析不同尺寸计算样本间的变异系数，在本实施例中，变异系数允许值以及整体样本和子样本相对误差的允许值均取为0.05。随着计算样本尺寸的变化，河冰样本离散性的变化如附图3、附图4所示。
由附图3可以看出，在单轴压缩条件下，但随着计算样本尺寸的增加，河冰弹性模量的变异系数变化不大，当河冰的整体样本模型尺寸为168mm×168mm时有所增加，为0.04。但随着计算样本尺寸的变化，河冰弹性模量的离散性整体波动在0.05以内。在附图4中，河冰的抗压强度的离散性较大，直至尺寸为250mm×250mm时才降至5％以内。因此，河冰的样本离散性较高，可选250mm作为河冰样本离散性的稳定尺度。
(2)基于整体相似性的强度代表体分析
依据所述河冰代表体的判定方法，分析不同计算尺寸样本的弹性模量和抗压强度与整体的相对误差。随着计算样本尺寸的增加，计算样本与整体样本的相对误差变化如附图5和附图6所示。
河冰在单轴压缩情况下，基于不同样本的弹性模量与整体样本的相对误差呈波动趋势，但均小于0.05。河冰抗压强度随着计算样本的尺寸增加呈现降低趋势，当尺寸降低至200mm×200mm时，误差降低至0.05以内。因此，在本实施例中，河冰的整体样本相似性稳定尺度选取为200mm。
基于样本离散性和基于整体相似性的河冰强度代表体分析，河冰强度代表体的计算尺寸确定为250mm。
本发明采用细观计算力学方法，提出基于细观计算强度的河冰代表体(简称计算强度代表体)的定义和确定方法，并基于构建的河冰细观计算模型模拟河冰强度，对单轴加载情况下河冰强度进行模拟计算，以此确定河冰计算强度代表体的尺寸。
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种河冰力学性能的代表性表征方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、确定河冰代表体的细观结构及细观机理，基于细观计算力学方法得到所述河冰代表体，构建河冰细观计算模型；
其中，所述河冰代表体确定的具体步骤为：
S1.1、生成给定条件的整体样本；
S1.2、从所述整体样本中截取不同位置处同一尺寸的子样本作为计算样本；
S1.3、计算在给定荷载下的强度值，并分析该荷载下强度值的离散性；
S1.4、增加子样本尺寸；
S1.5、由不同尺寸试样强度离散性分析结果，确定该荷载下强度随样本随机性的稳定尺度L1；
S1.6、由不同尺寸试样的强度相对误差结果，确定该荷载下强度随尺寸变化的稳定尺度L2；
S1.7、取所述稳定尺度L1和所述稳定尺度L2中较大者作为当前工况下河冰代表体尺寸；
S2、基于所述河冰细观计算模型下的河冰强度，确定河冰在不同工况下的强度性能，分析河冰代表体尺寸并得到最终结果；
S3、对所述最终结果在不同工况下的强度变化进行统计分析，确定能反映整体样本强度的最小细观河冰体元。
2.根据权利要求1所述的一种河冰力学性能的代表性表征方法，其特征在于，基于物理属性的统计特征，所述河冰代表体为非均质材料。
3.根据权利要求2所述的一种河冰力学性能的代表性表征方法，其特征在于，所述河冰代表体要满足：
数值模拟结果不受数值样本随机性的影响；
强度随尺寸的增加趋于稳定，波动范围不能超过允许误差。
4.根据权利要求1所述的一种河冰力学性能的代表性表征方法，其特征在于，所述构建河冰细观计算模型具体为：
提取所述河冰代表体的晶粒尺寸和分布，确定河冰晶界及初始缺陷，得到细观结构参数；
基于冰晶的力学性能确定河冰晶粒弹性模量以及河冰晶粒断裂强度，计算冰晶界的强度，得到细观材料参数；
基于所述细观结构参数和所述细观材料参数构建河冰细观计算模型。
5.根据权利要求1所述的一种河冰力学性能的代表性表征方法，其特征在于，所述工况包括单轴受拉、单轴受压两种工况。
6.根据权利要求1所述的一种河冰力学性能的代表性表征方法，其特征在于，所述S2中，模拟河冰强度的具体过程为：
S2.1、从所述河冰细观计算模型中随机截取不同位置、同一尺寸的样本作为子样本；
S2.2、对所述子样本施加载荷强度，并分析在所述载荷强度值下所述子样本的离散性；
S2.3、增加所述子样本的尺寸，根据强度离散性结果与强度相对误差，确定所述河冰细观计算模型在不同工况下的稳定性。
7.根据权利要求6所述的一种河冰力学性能的代表性表征方法，其特征在于，所述S2.3具体包括：
由不同尺寸的样本强度离散分析结果，确定该载荷下强度随样本随机性的稳定尺度；
由不同尺寸样本的强度相对误差分析结果，确定该载荷下强度随尺寸变化的稳定尺度。
8.根据权利要求6所述的一种河冰力学性能的代表性表征方法，其特征在于，在给定的载荷条件下，增加的所述子样本的尺寸对宏观强度带来的波动不能大于允许误差。
9.根据权利要求1所述的一种河冰力学性能的代表性表征方法，其特征在于，S2中，通过数值模拟法确定所述河冰在不同工况下的强度性能。
10.根据权利要求1所述的一种河冰力学性能的代表性表征方法，其特征在于，结合细观数值计算方法，对所述最终结果进行统计分析。
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