一种用于岩土体三维离散元快速建模和模拟的通用数值模拟箱制造技术

一种用于岩土体三维离散元建模和模拟的通用模拟箱，1)建立通用模拟箱，生成箱体6个方向上的指定尺寸边界板，边界板由一系列球体颗粒组成；在6个边界板内侧分别生成尺寸稍小的缓冲边界压力板，建立三维模拟箱；2)箱体内生成颗粒堆积体，在箱体内随机生成无重力颗粒；3)建立不同构筑物的三维模型，导入包括分层、分界坐标文件；对轮廓外的颗粒进行移除，形成构筑物三维模型；4)对三维模型赋岩土体材料性质；导入岩土体材料属性文件，根据转换公式将岩土体参数换算为颗粒参数；对颗粒赋参数，建立具有特定弹性性质和破坏性质的三维离散元模型；5)通过边界压力板进行力、位移、震动的加载通过边界施加位移和震动，通过压力板施加应力作用等荷载，进行迭代运算并输出结果。

A general numerical simulation box for fast modeling and Simulation of three-dimensional discrete element of rock and soil

A general simulation case for rock mass 3D discrete element modeling and simulation, 1) to establish a general simulation box, specify the size in box 6 generation boundary direction, boundary plate is composed of a series of sphere particles were formed; buffer boundary pressure plate in the smaller size in 6 boundary plates is a three-dimensional simulation box; 2) deposited particles inside the box, there is no gravity particles randomly generated in the box body; 3) the establishment of three-dimensional model of different structures, including import stratification, demarcation of documents; contour particles are removed, the formation of structures of three dimensional model; 4) the three-dimensional model of the Fu rock and soil material properties; the import of rock and soil material properties file, according to the conversion formula parameters of rock and soil for the conversion of particle parameters on particle parameters; Fu, the establishment of three-dimensional discrete element model has certain elastic properties and destructive nature; 5 Through the boundary pressure plate loading, displacement and vibration loading, the displacement and vibration are applied through the boundary, and the load is applied to the stress plate through the pressure plate.

【技术实现步骤摘要】
一种用于岩土体三维离散元快速建模和模拟的通用数值模拟箱
本专利技术涉及岩土体三维离散元模拟，尤其是高效的建模方法和多功能三维模拟箱。
技术介绍
岩土工程和地质工程领域的很多问题涉及到大变形和破坏，如滑坡、崩塌、地面沉降、隧道开挖、水力压裂等。目前对于岩土体结构物的模拟方法大都基于连续介质力学(如有限元法、有限差分法)。而岩土体在微观上是由一系列的颗粒、孔隙和裂隙组成的结构系统，这些方法难以有效模拟这种离散性，以及大变形和破坏。离散元数值模拟方法基于大量的球体颗粒进行计算，是进行大变形和破坏过程模拟的有效手段。目前，岩土离散元建模和模拟还存在着很大的困难，难以应用于工程实践。以国外商业软件PFC为例，建模方法通常为首先在指定几何体内生成颗粒单元，然后建立连接，赋材料参数，最终建立边界条件和调整、计算。这种建模步骤中每一步都涉及大量的复杂操作，并且难以建立特定结构和特定三轴压力的模型。而传统的通过沉积的建模方法又存在着计算量巨大和耗时长等问题。因此，如何快速地建立起特定结构的颗粒离散元几何模型，并施加有效的三轴应力、位移和震动等边界条件，是实现岩土体离散元建模和模拟的关键问题。专利技术内本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于岩土体三维离散元建模和模拟的通用模拟箱，其特征是步骤包括：(1)建立通用模拟箱，生成箱体6个方向上的指定尺寸边界板，边界板由一系列球体颗粒组成；在6个边界板内侧分别生成尺寸稍小的缓冲边界压力板，建立三维模拟箱；(2)箱体内生成颗粒堆积体，在箱体内随机生成无重力颗粒；对颗粒施加随机初速度，通过离散元迭代运算，颗粒运动和相互碰撞至随机位置；对颗粒和上部压力板施加重力，使颗粒自然堆积，为使颗粒快速堆积，重力加速度值由下向上增加；在堆积体上方通过柔性板施加周期荷载，压实堆积模型至指定密度；(3)建立不同构筑物的三维模型，导入包括分层、分界坐标文件；对轮廓外的颗粒进行移除，形成构筑物三维模型；(...

【技术特征摘要】
1.一种用于岩土体三维离散元建模和模拟的通用模拟箱，其特征是步骤包括：(1)建立通用模拟箱，生成箱体6个方向上的指定尺寸边界板，边界板由一系列球体颗粒组成；在6个边界板内侧分别生成尺寸稍小的缓冲边界压力板，建立三维模拟箱；(2)箱体内生成颗粒堆积体，在箱体内随机生成无重力颗粒；对颗粒施加随机初速度，通过离散元迭代运算，颗粒运动和相互碰撞至随机位置；对颗粒和上部压力板施加重力，使颗粒自然堆积，为使颗粒快速堆积，重力加速度值由下向上增加；在堆积体上方通过柔性板施加周期荷载，压实堆积模型至指定密度；(3)建立不同构筑物的三维模型，导入包括分层、分界坐标文件；对轮廓外的颗粒进行移除，形成构筑物三维模型；(4)对三维模型赋岩土体材料性质；导入岩土体材料属性文件，根据转换公式将岩土体参数换算为颗粒参数；对颗粒赋参数，建立具有特定弹性性质和破坏性质的三维离散元模型；(5)通过边界压力板进行力、位移、震动的加载，压力板之间可交叉但不发生作用力，记录加载过程中的各项指标，进行迭代运算并输出结果。2.根据权利要求1所述的通用模拟箱，其特征是三维离散元模型通用模拟箱建模和模拟方法的流程步骤为，步骤10输入三维模拟箱的几何参数，建立模拟箱的外轮廓，包含外边界板和内层的边界压力板，两种板都是由与样品相近粒径的球颗粒组成，边界板为刚性的，以施加边界位移，压力板为柔性，用于缓冲边界位移和产生压力作用；步骤11建立紧密堆积体；通过重力沉积和循环夯实建立紧密堆积的堆积体；步骤12赋几何条件；根据颗粒堆积的几何形状和分层分界条件，读取外部坐标文件切割出几何轮廓，移除轮廓外部颗粒；步骤13赋予材料性质；将岩土体的材料性质、力学参数通过文本文件的形式导入到模型中，通过转换公式将材料参数转换为颗粒参数；步骤14平衡模型；在对颗粒赋予实际材料参数后，各层单元的受力和单元刚度发生变化，使得单元受力不平衡；因此，模型需要再进行受力平衡；为防止模型破坏，平衡迭代运算时将单元间连接设为不可断裂，使模型单元在重力和弹力作用下运动至稳定状态，将单元间连接恢复至可断裂的胶结状态；步骤15通过边界对内部堆积模型施加位移、震动等荷载，通过改变压力板所受体力，实现应力的加载；通过调整各边界的位移进行位移的加载，加载后迭代运算完成模拟，输出结果。3.根据权利要求1所述的通用模拟箱，其特征是三维模拟箱及紧密堆积体的建立流程步骤,步骤20输入模拟箱的外观尺寸参数；建立模拟箱的外轮廓，包含6个外边界板和6个内层的边界压力板，两种板都是由与样品同样粒径的球颗粒组成，边界板为刚性的，上压力板为柔性的，其余方向的压力板为刚性的；板的颗粒直径与内部单元的平均直径相同；步骤21在模型内部生成自由轻颗粒；设定颗粒半径R1＝r·f(1)，f(1)为均值1正态分布数组，颗粒无重力为轻颗粒；步骤22建立随机模型；对每一个颗粒施加随机的初速度，颗粒在初速度的作用下运动并发生颗粒之间的碰撞，最终颗粒运动至随机的位置；步骤23模拟自然沉积建立堆积体；考虑到较高位置的颗粒其沉积位移较大，作用在颗粒上的重力加速度由箱底的零值线性增加到箱顶的10·g；由于位移与所施加的重力加速度成正比，这种线性的重力加速度设置使所有颗粒几乎同时完成...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘春，朱晨光，张晓宇，施斌，张丹，秦岩，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32