堆石混凝土堆石体堆积过程的计算方法和系统技术方案

本发明专利技术提供一种堆石混凝土堆石体堆积过程的计算方法和系统，其中方法包括：建立堆石块初始状态的三维模型，所述堆石块包括一定数量的块石体；根据有限元/离散元耦合分析方法分析所述三维模型的堆积过程及最终堆积形态。将模拟结构应力和变形的有限单元法和能够跟踪块体运动的离散单元法结合起来的方法称之为有限元/离散元耦合分析方法，该方法保留了有限元和离散元各自的优势，能够解决多体运动学问题和破坏力学问题，在计算堆石混凝土堆石块的最终堆积形态的过程中，存在块石体个数多，受力复杂、堆石体随受力变化会产生形变的特点，采用本发明专利技术进行力学分析，可以完整刻画出堆石块在应力作用下的渐进堆积过程，计算结果更为准确。

【技术实现步骤摘要】
堆石混凝土堆石体堆积过程的计算方法和系统
本专利技术涉及建设工程模拟
，更具体地，涉及堆石混凝土堆石体堆积过程的计算方法和系统。
技术介绍
大体积混凝土在现代工程建设，特别是水利水电工程建设中，占有重要地位。我国每年仅在水利水电工程中所浇筑的大体积混凝土就在一千万立方以上，另外，港口、机场建筑以及重型机器基础等也往往采用大体积混凝土。堆石混凝土通过使用大量块石(粒径大于30cm)来降低水泥用量，从而有效减少水化热和降低CO2排放，具有混凝土结构收缩性小、抗裂抗剪能力提高、施工速度快、水化热低，温控容易、施工质量高、工程造价低等特点，因而具有广阔应用前景，同时也满足我国大力推广绿色低碳技术的迫切需求。堆石混凝土在施工过程中，堆石体的堆积过程与最后的堆积形态，对成型后的堆石混凝土的力学性能有着较大的影响，但由于实验造价高且实际工程中堆石体的形态样式复杂，因此很难开展较为精确的实验对实际工程进行分析，因此开展数值计算方法对堆石混凝土堆石体堆积过程进行分析计算是必然的趋势。但到目前为止，如何精确的模拟计算堆石混凝土堆石堆积过程及堆积状态，尚未有任何可供借鉴的成果和方法。
技术实现思路
本专利技术提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的堆石混凝土浇筑过程中堆石块的堆积过程及最终堆积形态的计算方法和系统。根据本专利技术的一个方面，提供一种堆石混凝土浇筑过程中堆石块的堆积过程及最终堆积形态的计算方法，包括：建立堆石块初始状态的三维模型，所述堆石块包括一定数量的块石体；根据有限元/离散元耦合分析方法分析所述三维模型的最终堆积形态。根据本专利技术的第二方面，提供一种堆石混凝土浇筑过程中堆石块的堆积过程及最终堆积形态的计算系统，包括：三维模型构建模块，用于建立堆石块初始状态的三维模型，所述堆石块包括一定数量的块石体；分析模块，用于根据有限元/离散元耦合分析方法分析所述三维模型的堆积过程及最终堆积形态。根据本专利技术的第三方面，还提供一种计算设备，包括：至少一个处理器；以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行第一方面的各种可能的实现方式中任一种可能的实现方式所提供的计算方法。根据本专利技术的第四方面，还提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行第一方面的各种可能的实现方式中任一种可能的实现方式所提供的计算方法。本专利技术提出的堆石块的最终堆积形态的计算方法和系统，通过将模拟结构应力和变形的有限单元法和能够跟踪块体运动的离散单元法结合起来称之为有限元/离散元耦合分析方法(FEM/DEM方法)，该方法保留了有限元和离散元各自的优势，能够解决多体运动学问题和破坏力学问题，在计算堆石块的最终堆积形态的过程中，存在块石体个数多，受力复杂、堆石体随受力变化会产生形变的特点，采用有限元与离散元耦合分析方法进行力学分析，可以完整刻画出堆石块在应力作用下的渐进堆积过程，计算结果更为准确。附图说明图1为根据本专利技术实施例的堆石块的最终堆积形态的计算方法的流程示意图；图2为根据本专利技术实施例的根据有限元/离散元耦合分析方法分析所述三维模型的最终堆积形态的方法的流程示意图；图3为根据本专利技术实施例的根据有限元分析法获得三维模型中每个块石体的连续介质力学行为的方法的流程示意图；图4为根据本专利技术实施例的根据离散元分析法获得三维模型中块石体间的非连续介质力学行为的方法的流程示意图；图5为根据本专利技术实施例的堆石混凝土浇筑过程中堆石块的堆积过程及最终堆积形态的计算系统的功能框图；图6为根据本专利技术实施例的计算设备的框图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。为了克服现有技术的上述问题，本专利技术实施例提供一种堆石混凝土浇筑过程中堆石块的堆积过程及最终堆积形态的计算方法，参见图1，包括：S101、建立堆石块初始状态的三维模型，所述堆石块包括一定数量的块石体。需要说明的是，本专利技术实施例的三维模型是根据块石体的大小、形状以及数量等参数形成的块石体的集合，由于本专利技术实施例计算的是堆石块的最终堆积形态，因此，此时步骤S101构建的三维模型是堆石块尚未变形时的外部轮廓。S102、根据有限元/离散元耦合分析方法分析所述三维模型的堆积过程及最终堆积形态。需要说明的是，由于物理模型实验中比尺效应的影像，现有模型尺度的物模实验不能正确反应真实结构的强度，同时原型物模实验又受制于实验条件的限制。通过将模拟结构应力和变形的有限单元法和能够跟踪块体运动的离散单元法结合起来称之为有限元/离散元耦合分析方法(FEM/DEM方法)，该方法保留了有限元和离散元各自的优势，能够解决多体运动学问题和破坏力学问题，在计算堆石块的最终堆积形态的过程中，存在块石体个数多，受力复杂、堆石体随受力变化会产生形变的特点，采用有限元与离散元耦合分析方法进行力学分析，可以完整刻画出堆石块在应力作用下的渐进堆积过程，计算结果更为准确。基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，本专利技术实施例不对建立堆石块初始状态的三维模型的方式作具体限定，具体为：使用三维建模软件根据堆石块的预先确定的参数，建立三维模型；或者对所述块石体外形轮廓进行3D扫描形成输入数据输入至三维建模软件中，建立三维模型。由于每个工程或者实验中需要的石块大小、种类、数量都是不同的是，所以根据堆石块的实际参数建立三维模型，在建立前显然需要采集若干真实参数，例如石块的硬度、大小、密度等等。本专利技术实施例在采集块石体的外形轮廓时，具体可以采用3D扫描仪或者轮廓测量仪进行扫描，获得块石体的外形参数，本专利技术实施例不做具体限定。本专利技术实施例建立堆石块初始状态的三维模型的方式提供堆石块精准的外形参数，有助于后续进行有限元/离散元耦合分析方法分析堆积过程时获得更准确、真实的结果。基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，本专利技术实施例的有限元/离散元耦合分析方法分析所述三维模型的最终堆积形态，参见图2，具体为：S201、根据有限元分析法获得三维模型中每个块石体连续介质力学行为。需要说明的是，有限元分析(FEA，FiniteElementAnalysis)利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。利用简单而又相互作用的元素(即单元)，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件)，从而得到问题的解。因为实际问题被较简单的问题所代替，所以这个解不是准确解，而是近似解。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。连续介质力学(Continuummechanics)是物理学当中的一个分支，是处理包括固体和流体的在内的所谓“连续介质”宏观性质的力学。例如，质量守恒、动量和角动量定理、能量守恒等。连续介质力学认为真实流体或固体所占有的空间可以近似地看作连续地无空隙地充满着“质点”(即微观上充分大、宏观上充分小的分子团)。质点本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种堆石混凝土浇筑过程中堆石块的堆积过程及最终堆积形态的计算方法，其特征在于，包括：建立堆石块初始状态的三维模型，所述堆石块包括一定数量的块石体；根据有限元/离散元耦合分析方法分析所述三维模型的堆积过程及最终堆积形态。

【技术特征摘要】
1.一种堆石混凝土浇筑过程中堆石块的堆积过程及最终堆积形态的计算方法，其特征在于，包括：建立堆石块初始状态的三维模型，所述堆石块包括一定数量的块石体；根据有限元/离散元耦合分析方法分析所述三维模型的堆积过程及最终堆积形态。2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述建立堆石块初始状态的三维模型，具体为：使用三维建模软件根据堆石块的预先确定的参数，建立三维模型；或者对所述块石体外形轮廓进行3D扫描形成输入数据输入至三维建模软件中，建立三维模型。3.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述根据有限元/离散元耦合分析方法分析所述三维模型的堆积过程及最终堆积形态，具体为：根据有限元分析法获得三维模型中每个块石体连续介质力学行为；根据离散元分析法获得三维模型中块石体间的非连续介质力学行为；将三维模型中所有块石体的连续介质力学行为和非连续介质力学行为代入三维模型的动力平衡方程，获得三维模型的堆积运动过程以及最终堆积形态。4.根据权利要求3所述的计算方法，其特征在于，所述连续介质力学行为包括：网格单元的节点变形引起的内力向量、网格单元的节点的外力向量以及质量矩阵；相应地，所述根据有限元分析法获得三维模型中每个块石体的连续介质力学行为，具体为：对所述三维模型进行网格划分，获得由网格单元构成的有限元模型；根据网格单元体积、标准型函数以及柯西应力张量获得所述内力向量；根据网格单元未变形时的体积、与该网格单元未变形时的体积对应的密度、以及所述标准型函数获得所述质量矩阵；根据块石体的体力、面力以及单元表面积，获得所述外力向量。5.根据权利要求4所述的计算方法，其特征在于，所述非连续介质力学行为包括：块石体间的接触力；相应地，所述根据离散元分析法获得三维模型中块石体间的非连续介质力学行为，具体为：通过非二叉树搜索接触算法获得三维模型中的接触体和目标体；根据公式：获得接触体和目标体之间的法向接触力；其中，βc和βt分别表示接触体和目标体，m和n分别表示用于离散接触体和...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱流潮，李敬军，罗今建，杨永森，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11