基于离散‑连续耦合的离散元虚拟压缩试验数值仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种基于离散‑连续耦合的离散元虚拟压缩试验数值仿真方法，首先是建立离散元虚拟数值试验模型，然后利用离散元应力伺服原理，将数值试样伺服到初始固结应力状态，其次利用有限元单元替代侧向刚性墙体，建立离散‑连续耦合数值试验模型，最后施加试验围压与轴向加载速度，开展离散‑连续耦合虚拟数值压缩试验。与现有技术相比，本发明专利技术的虚拟数值压缩试验方法可以在试验中实现侧向围压的柔性施加，能够真实地模拟室内压缩试验。通过虚拟数值试验仿真实例，验证了本发明专利技术的基于离散‑连续耦合的离散元虚拟压缩试验仿真方法的优势性。

Based on the discrete continuous coupled discrete element numerical simulation method of virtual compression test

The invention discloses a continuous coupling based on discrete discrete element numerical simulation virtual compression test method, the first is to establish the discrete element numerical model of virtual test, then stress servo principle using discrete element, the numerical sample servo to the initial consolidation stress state and its utilization by finite element instead of lateral rigid wall, a discrete continuous coupled numerical model, finally applied confining pressure and axial loading speed, carry out continuous discrete coupled virtual numerical compression test. Compared with the existing technology, the virtual numerical compression test method of the invention can realize the flexible application of the lateral confining pressure in the experiment, and can truly simulate the indoor compression test. Through virtual simulation examples verify the continuous coupling based on discrete discrete element virtual simulation method the advantages of compression test.

【技术实现步骤摘要】
基于离散-连续耦合的离散元虚拟压缩试验数值仿真方法
本专利技术涉及一种离散元虚拟压缩试验数值仿真方法，具体地说，涉及一种基于离散-连续耦合的离散元虚拟压缩试验数值仿真方法。本专利技术属于岩土工程材料虚拟数值试验仿真领域，实现对材料介质室内压缩试验的计算机真实仿真模拟。
技术介绍
近些年来随着计算机和数值计算方法的发展，虚拟数值试验技术在岩土力学研究领域得到了广泛的应用。虚拟数值试验作为室内试验的一种替代或者辅助工具，其在岩土介质材料复杂力学行为研究方面具有得天独厚的优势。颗粒离散元虚拟数值试验作为一种常用的虚拟数值试验，特别适用于岩土材料这类非连续介质的模拟，尤其是对材料介质细观力学机理的研究。目前，颗粒离散元虚拟压缩试验主要是通过无摩擦刚性墙体对颗粒试样施加侧向围压，这种围压加载方式属于刚性加载，与室内试验的柔性加载方式不同(即，通过试样外层橡胶皮套来对试样施加侧向围压，试验中允许试样侧向自由变形)，故这种类型的虚拟压缩试验无法实现对室内压缩试验的真实模拟。同时，由于虚拟数值试验是采用刚性加载方式来施加围压，试验过程中限制了试样侧向的自由变形，对试样的力学响应也会产生了一定的影响。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于离散‑连续耦合的离散元虚拟压缩试验数值仿真方法，其特征在于：它包括如下步骤：(1)根据压缩试验试样尺寸，建立常规离散元虚拟压缩试验模型；(2)利用应力伺服控制原理，将试样模型伺服到初始固结应力状态；(3)利用有限元单元替代侧向刚性墙体，建立离散‑连续耦合虚拟数值试验模型；(4)基于离散‑连续耦合计算原理，开展离散‑连续耦合虚拟压缩试验数值仿真模拟。

【技术特征摘要】
1.一种基于离散-连续耦合的离散元虚拟压缩试验数值仿真方法，其特征在于：它包括如下步骤：(1)根据压缩试验试样尺寸，建立常规离散元虚拟压缩试验模型；(2)利用应力伺服控制原理，将试样模型伺服到初始固结应力状态；(3)利用有限元单元替代侧向刚性墙体，建立离散-连续耦合虚拟数值试验模型；(4)基于离散-连续耦合计算原理，开展离散-连续耦合虚拟压缩试验数值仿真模拟。2.根据权利要求1所述的一种基于离散-连续耦合的离散元虚拟压缩试验数值仿真方法，其特征在于，所述步骤(1)根据压缩试验试样尺寸，建立常规离散元虚拟压缩试验模型的具体步骤包括：(1.1)根据试样尺寸，建立无摩擦刚性墙体模型；(1.2)根据试样颗粒级配要求，建立试样颗粒模型。3.根据权利要求1所述的一种基于离散-连续耦合的离散元虚拟压缩试验数值仿真方法，其特征在于，所述步骤(2)利用应力伺服控制原理，将数值试样伺服到初始固结应力状态的具体步骤包括：(2.1)根据公式(1)确定当前时步侧向墙体和竖向墙体的应力值；式中，S为颗粒作用于侧向或竖向两墙体的平均应力，F为颗粒作用于墙体上的作用力，L为当前时步侧向或竖向墙体间的相对距离(即，试样的宽度或高度)，下标x和y分别表示模型侧向和竖向方向，上标(i)中i表示墙体的编号，1代表下部墙体，2右侧墙体，3表示上部墙体，4表示左侧墙体；(2.2)根据公式(2)确定下一时步墙体的移动速度；式中，v为墙体移动速度，其下标x和y与上标(i)代表含义与步骤(2.1)相同，和为侧向和竖向墙体初始固结应力，G为增益系数，按如下公式计算：式中，Kn为颗粒与墙体间的法向接触刚度，N为颗粒与侧向或竖向墙体的接触数目，其下标x和y代表含义均与步骤(2.1)相同，Δt为当前计算时步，α为松弛因子，取值范围为(0，1]，通常可取0.5；(2.3)离散元循环迭代一个时步，更新墙体...

【专利技术属性】
技术研发人员：张强，汪小刚，赵宇飞，王玉杰，刘立鹏，林兴超，孙伟晨，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11