一种土体本构模拟计算方法和系统技术方案

本发明专利技术提供了一种土体本构模拟计算方法和系统，包括：通过对黏性土体进行循环单剪切试验，建立土体的本构模型；获取土体每级剪应变和对应的动剪切模量对土动力本构模型进行拟合得到等效线性粘弹性本构模型；基于土体的弹性边界以及土体与变压器机构接触的实验数据对等效线性粘弹性本构模型进行迭代求解得到最优状态变量；基于最优状态变量确定土体的最大动剪切模量；本发明专利技术考虑了土体与变压器相互作用的影响，计算模型依托试验结果参数取值，计算可信度较高；考虑了黏性土体的影响，同时适用于三维的土体和结构模型，更贴近工程实际。

【技术实现步骤摘要】
一种土体本构模拟计算方法和系统
本专利技术属于电网防灾减灾
，具体涉及一种土体本构模拟计算方法和系统。
技术介绍
在传统的结构动力计算分析中，对于建筑于由土或岩石所构成的场地之上的结构物，往往假定场地地基为刚性，即只考虑结构物与地基之间力的相互作用问题，而忽略其变形协调问题。而实际上，由于地基材料的非绝对刚性，甚至相比于结构材料来说其具有强烈的非线性变形性质，在动力荷载作用过程中，结构物与地基之间既存在着力的相互作用，也存在着变形的相互约制，进而引起振动能量的相互传播和交换，使得实际结构物的动力反应与在刚性地基假设下所算得的反应有很大差别。因此把结构和地基基础作为一个整体的开放体系，而不是单独把结构当作一个封闭的！与地基介质之间没有任何能量交换的系统，来研究其在动力荷载作用下的反应，即构成了土－结构动力相互作用问题。目前，现有外对电气设备的抗震性能开展了较多的研究，并取得了很多重大成果。但大多数的研究都是将地基基础和上部结构分开考虑，把地基作为绝对刚性，上部结构的底部作为固定端进行研究，而在地震过程中电气设备的地基基础不可避免的会发生变形，对上部结构的振动产生影响，这种对上部结构的自振特性、应力及位移的影响还鲜有研究涉及，导致现有方法不能准确计算土体本构模拟。
技术实现思路
为克服上述现有技术的不足，本专利技术提出一种土体本构模拟计算方法，包括：通过对黏性土体进行循环单剪切试验，建立所述土体的本构模型；获取土体每级剪应变和对应的动剪切模量对所述土动力本构模型进行拟合得到等效线性粘弹性本构模型；基于土体的弹性边界以及土体与变压器机构接触的实验数据对所述等效线性粘弹性本构模型进行迭代求解得到最优状态变量；基于最优状态变量确定所述土体的最大动剪切模量。优选的，其特征在于，所述通过对黏性土体进行循环单剪切试验，建立所述土体的本构模型，包括：通过对黏性土体进行循环单剪切试验，得到所述土体的动剪切模量—剪应变关系曲线和阻尼比—剪应变曲线；对所述剪切模量—剪应变关系曲线进行拟合，得到动剪切模量的计算式，并对所述阻尼比—剪应变曲线进行拟合，得到阻尼比的计算式；以所述动剪切模量和阻尼比的计算式作为土体的本构模型。优选的，所述动剪切模量的计算式如下：式中，α为模量曲线衰减参数；γa为剪应变幅值；γref为参考剪应变幅值；Gmax为最大动剪切模量；G为当动应变幅值等于γa时的动剪切模量。所述阻尼比的计算式如下：式中D为阻尼比，Dmasing表示Masing滞回准则预计阻尼比，Dmin表示小应变阻尼比，b为阻尼比曲线参数。优选的，所述Masing滞回准则预计阻尼比Dmasing的计算式如下：Dmasing＝c1Dmasing,α＝1.0+c2Dmasing,α＝1.02+c3Dmasing,α＝1.03式中，c1为一次系数，c2为二次系数，c3为三次系数，Dmasing,α＝1.0是α为1.0时的Masing滞回准则预计阻尼比；Dmasing,α＝1.0的计算式如下：优选的，所述获取土体每级剪应变和对应的动剪切模量对所述土动力本构模型进行拟合得到等效线性粘弹性本构模型，包括：获取土体每级剪应变和对应的动剪切模量对所述土动力本构模型，在工程模拟软件环境中进行拟合，得到等效线性黏弹性模型。优选的，所述等效线性黏弹性模型的计算式如下：式中，Gmax为最大剪切模量，K为系数，n为材料参数，Pa为标准大气压，σ′3为土体单元围压。优选的，所述基于土体的弹性边界以及土体与变压器机构接触的实验数据对所述等效线性粘弹性本构模型进行迭代求解得到最优状态变量，包括：设置土体的弹性边界以及土体与变压器结构的接触；对状态变量进行初始化，并根据所述状态变量、土体与变压器机构接触的实验数据和等效线性粘弹性本构模型计算土体地震反应的最大剪应变，所述状态变量包括：地震前土体单元的围压、与土体剪应变相关的剪切模量比、阻尼比和土体最大剪应变；对所述最大剪应变的值进行迭代计算，直到收敛，得到最优状态变量。优选的，所述基于最优状态变量确定所述土体的最大动剪切模量，包括：根据所述最优状态变量和等效线性粘弹性本构模型计算得到所述土体的最大动剪切模量。基于同一专利技术构思，本申请还提供了一种土体本构模拟计算系统，包括：本构模型模块、粘弹性模型模块、迭代计算模块和最大动剪切模量模块；所述本构模型模块，用于通过对黏性土体进行循环单剪切试验，建立所述土体的本构模型；所述粘弹性模型模块，用于获取土体每级剪应变和对应的动剪切模量对所述土动力本构模型进行拟合得到等效线性粘弹性本构模型；所述迭代计算模块，用于基于土体的弹性边界以及土体与变压器机构接触的实验数据对所述等效线性粘弹性本构模型进行迭代求解得到最优状态变量；所述最大动剪切模量模块，用于基于最优状态变量确定所述土体的最大动剪切模量。优选的，所述本构模型模块包括：数据曲线单元、关系式单元和本构模型单元；所述数据曲线单元，用于通过对黏性土体进行循环单剪切试验，得到所述土体的动剪切模量—剪应变关系曲线和阻尼比—剪应变曲线；所述关系式单元，用于对所述剪切模量—剪应变关系曲线进行拟合，得到动剪切模量的计算式，并对所述阻尼比—剪应变曲线进行拟合，得到阻尼比的计算式；所述本构模型单元，用于以所述动剪切模量和阻尼比的计算式作为土体的本构模型。与最接近的现有技术相比，本专利技术具有的有益效果如下：本专利技术提供了一种土体本构模拟计算方法和系统，包括：通过对黏性土体进行循环单剪切试验，建立土体的本构模型；获取土体每级剪应变和对应的动剪切模量对土动力本构模型进行拟合得到等效线性粘弹性本构模型；基于土体的弹性边界以及土体与变压器机构接触的实验数据对等效线性粘弹性本构模型进行迭代求解得到最优状态变量；基于最优状态变量确定土体的最大动剪切模量；本专利技术考虑了土体与变压器相互作用的影响，计算模型依托试验结果参数取值，计算可信度较高；考虑了黏性土体的影响，同时适用于三维的土体和结构模型，更贴近工程实际。附图说明图1为本专利技术提供的一种土体本构模拟计算方法流程示意图；图2为本专利技术涉及的理想的土体动剪应力-剪应变关系曲线示意图；图3为本专利技术提供的扰动土的试验结果曲线示意图；图4为本专利技术提供的扰动土动剪切模量曲线示意图；图5为本专利技术提供的扰动土Darendeli模型阻尼比拟合曲线示意图；图6为本专利技术提供的一种土体本构模拟计算系统基本结构示意图；图7为本专利技术提供的一种土体本构模拟计算系统详细结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做进一步的详细说明。本专利技术提出了一种考虑土-结构相互作用的土体本构模拟计算方法，其中计算方法中土体与结构均为三维结构，与实际工程接近。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种土体本构模拟计算方法，其特征在于，包括：/n通过对黏性土体进行循环单剪切试验，建立所述土体的本构模型；/n获取土体每级剪应变和对应的动剪切模量对所述土动力本构模型进行拟合得到等效线性粘弹性本构模型；/n基于土体的弹性边界以及土体与变压器机构接触的实验数据对所述等效线性粘弹性本构模型进行迭代求解得到最优状态变量；/n基于最优状态变量确定所述土体的最大动剪切模量。/n

【技术特征摘要】
1.一种土体本构模拟计算方法，其特征在于，包括：
通过对黏性土体进行循环单剪切试验，建立所述土体的本构模型；
获取土体每级剪应变和对应的动剪切模量对所述土动力本构模型进行拟合得到等效线性粘弹性本构模型；
基于土体的弹性边界以及土体与变压器机构接触的实验数据对所述等效线性粘弹性本构模型进行迭代求解得到最优状态变量；
基于最优状态变量确定所述土体的最大动剪切模量。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过对黏性土体进行循环单剪切试验，建立所述土体的本构模型，包括：
通过对黏性土体进行循环单剪切试验，得到所述土体的动剪切模量—剪应变关系曲线和阻尼比—剪应变曲线；
对所述剪切模量—剪应变关系曲线进行拟合，得到动剪切模量的计算式，并对所述阻尼比—剪应变曲线进行拟合，得到阻尼比的计算式；
以所述动剪切模量和阻尼比的计算式作为土体的本构模型。


3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述动剪切模量的计算式如下：



式中，α为模量曲线衰减参数；γa为剪应变幅值；γref为参考剪应变幅值；Gmax为最大动剪切模量；G为当动应变幅值等于γa时的动剪切模量。
所述阻尼比的计算式如下：



式中D为阻尼比，Dmasing表示Masing滞回准则预计阻尼比，Dmin表示小应变阻尼比，b为阻尼比曲线参数。


4.如权利要求3所述的方法，其特征在于；所述Masing滞回准则预计阻尼比Dmasing的计算式如下：
Dmasing＝c1Dmasing,α＝1.0+c2Dmasing,α＝1.02+c3Dmasing,α＝1.03
式中，c1为一次系数，c2为二次系数，c3为三次系数，Dmasing,α＝1.0是α为1.0时的Masing滞回准则预计阻尼比；
Dmasing,α＝1.0的计算式如下：





5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取土体每级剪应变和对应的动剪切模量对所述土动力本构模型进行拟合得到等效线性粘弹性本构模型，包括：
获取土体每级剪应变和对应的动剪切模量对所述土动力本构模型，在工程模拟软件环境中进行拟合，得到等效线性黏弹性模型。

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【专利技术属性】
技术研发人员：王海菠，程永锋，卢智成，朱祝兵，刘振林，李圣，林森，孙宇晗，张谦，孟宪政，高坡，薛耀东，章姝俊，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院有限公司，国家电网有限公司，国网浙江省电力有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11