堆石混凝土浇筑过程数值模拟的计算方法和系统技术方案

本发明专利技术实施例提供一种堆石混凝土浇筑过程数值模拟的计算方法和系统，计算方法包括：根据有限元/离散元耦合分析方法FEM/DEM，计算分析堆石块初始状态三维模型的堆积过程及最终堆积形态；在计算分析堆石块初始状态三维模型的堆积过程及最终堆积形态后，基于光滑粒子流体动力学SPH方法，计算分析自密实混凝土在堆石块的最终堆积形态中的浇筑过程及最终填充状态。本发明专利技术实施例提供的堆石混凝土浇筑过程数值模拟的计算方法和系统，能够准确模拟自密实混凝土的浇筑过程，不仅可直观地观察到自密实混凝土在堆石孔隙中的流动状态，还可了解堆石混凝土最终的密实状态，节省了大量的人力成本、实验成本以及经济成本，并避免了实验方法难以在线观测的难题。

【技术实现步骤摘要】
堆石混凝土浇筑过程数值模拟的计算方法和系统
本专利技术实施例涉及堆石混凝土浇筑
，更具体地，涉及一种堆石混凝土浇筑过程数值模拟的计算方法和系统。
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，因而具有广阔的应用前景，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的浇筑施工过程，尚未有任何可供借鉴的成果和方法。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术实施例提供一种堆石混凝土浇筑过程数值模拟的计算方法和系统。本专利技术实施例提供一种堆石混凝土浇筑过程数值模拟的计算方法，包括：根据有限元/离散元耦合分析方法FEM/DEM，计算分析堆石块初始状态三维模型的堆积过程及最终堆积形态；在计算分析所述堆石块初始状态三维模型的堆积过程及最终堆积形态后，基于光滑粒子流体动力学SPH方法，计算分析自密实混凝土在堆石块的最终堆积形态中的浇筑过程及最终填充状态。本专利技术实施例提供一种堆石混凝土浇筑过程数值模拟的计算系统，包括：堆积分析模块，用于根据有限元/离散元耦合分析方法FEM/DEM，计算分析堆石块初始状态三维模型的堆积过程及最终堆积形态；浇筑分析模块，用于在计算分析所述堆石块初始状态三维模型的堆积过程及最终堆积形态后，基于光滑粒子流体动力学SPH方法，计算分析自密实混凝土在堆石块的最终堆积形态中的浇筑过程及最终填充状态。本专利技术实施例提供一种堆石混凝土浇筑过程数值模拟的计算设备，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上述计算方法。本专利技术实施例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上述计算方法。本专利技术实施例提供的堆石混凝土浇筑过程数值模拟的计算方法和系统，通过设置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。通过设置SPH方法分析自密实混凝土在堆石块的最终堆积形态中的浇筑过程及最终填充状态，能够准确模拟自密实混凝土的浇筑过程，不仅可以直观地观察到自密实混凝土在堆石孔隙中的流动状态，还可以了解堆石混凝土最终的密实状态。本专利技术节省了大量的人力成本、实验成本以及经济成本，并避免了实验方法难以在线观测的难题。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术堆石混凝土浇筑过程数值模拟的计算方法实施例的流程图；图2为本专利技术堆石混凝土浇筑过程数值模拟的计算系统实施例的模块图；图3为本专利技术实施例中的堆石混凝土浇筑过程数值模拟的计算设备的框架示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。图1为本专利技术堆石混凝土浇筑过程数值模拟的计算方法实施例的流程图，如图1所示，包括：S101、根据有限元/离散元耦合分析方法FEM/DEM，计算分析堆石块初始状态三维模型的堆积过程及最终堆积形态；S102、在计算分析所述堆石块初始状态三维模型的堆积过程及最终堆积形态后，基于光滑粒子流体动力学SPH方法，计算分析自密实混凝土在堆石块的最终堆积形态中的浇筑过程及最终填充状态。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，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。SPH(SmoothedParticleHydrodynamics)方法是光滑粒子流体动力学方法的缩写，是在近20多年来逐步发展起来的一种无网格方法。该方法的基本思想是将连续的流体(或固体)用相互作用的质点组来描述，各个物质点上承载各种物理量，包括质量、速度等，通过求解质点组的动力学方程和跟踪每个质点的运动轨道，求得整个系统的力学行为。本专利技术实施例使用SPH方法模拟自密实混凝土在堆石体中的浇筑过程及并计算最终的流态。本专利技术实施例提供的堆石混凝土浇筑过程数值模拟的计算方法，通过设置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。通过设置SPH方法分析自密实混凝土在堆石块的最终堆积形态中的浇筑过程及最终填充状态，能够准确模拟自密实混凝土的浇筑过程，不仅可以直观地观察到自密实混凝土在堆石孔隙中的流动状态，还可以了解堆石混凝土最终的密实状态。本专利技术节省了大量的人力成本、实验成本以及经济成本，并避免了实验方法难以在线观测的难题。基于上述实施例，所述根据有限元/离散元耦合分析方法FEM/DEM，计算分析堆石块初始状态三维模型的堆积过程及最终堆积形态，之前还包括：建立堆石块初始状态三维模型，所述堆石块包括若干个块石体。基于上述实施例，所述建立堆石块初始状态三维模型，具体包括：使用三维建模软件如GID，根据堆石块的预先确定的参数，建立堆石块初始状态三维模型；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，建立堆石块初始状态三维模型。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。本实施例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数值模拟的计算方法，其特征在于，包括：根据有限元/离散元耦合分析方法FEM/DEM，计算分析堆石块初始状态三维模型的堆积过程及最终堆积形态；在计算分析所述堆石块初始状态三维模型的堆积过程及最终堆积形态后，基于光滑粒子流体动力学SPH方法，计算分析自密实混凝土在堆石块的最终堆积形态中的浇筑过程及最终填充状态。

【技术特征摘要】
1.一种堆石混凝土浇筑过程数值模拟的计算方法，其特征在于，包括：根据有限元/离散元耦合分析方法FEM/DEM，计算分析堆石块初始状态三维模型的堆积过程及最终堆积形态；在计算分析所述堆石块初始状态三维模型的堆积过程及最终堆积形态后，基于光滑粒子流体动力学SPH方法，计算分析自密实混凝土在堆石块的最终堆积形态中的浇筑过程及最终填充状态。2.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FEM/DEM，计算分析堆石块初始状态三维模型的堆积过程及最终堆积形态，之前还包括：建立堆石块初始状态三维模型，所述堆石块包括若干个块石体。3.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述计算分析所述堆石块初始状态三维模型的堆积过程及最终堆积形态，以及所述基于光滑粒子流体动力学SPH方法，计算分析自密实混凝土在堆石块的最终堆积形态中的浇筑过程及最终填充状态，之间还包括：建立自密实混凝土模型，所述自密实混凝土模型为Bingham流变模型。4.根据权利要求3所述的计算方法，其特征在于，所述基于光滑粒子流体动力学SPH方法，计算分析自密实混凝土在堆石块的最终堆积形态中的浇筑过程及最终填充状态，具体包括：基于SPH方法，逐个时间步长迭代更新所述自密实混凝土模型中的流体粒子的密度、位置和速度；基于所述流体粒子的密度、位置和速度，分析自密实混凝土在堆石块的最终堆积形态中的浇筑过程及最终填充状态。5.根据权利要求4所述的计算方法，其特征在于，所述逐个时间步长迭代更新所述自密实混凝土模型中的流体粒子的密度、位置和速度，具体包括：逐个时间步长，通过连续性方程计算所述流体粒子的密度变化，捕捉自由表面粒子并进行自由表面粒子的密度校正，获得所述自密实混凝土模型中每一时刻的密度场；逐个时间步长，通过流体粒子位移方程更新各个流体粒子运动的轨迹，获取任一流体粒子每一时刻的位置；逐个时间步长，通过状态方程确定任...

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