一种湿度运移和干缩开裂的三维数值模拟方法技术

本发明专利技术提供一种湿度运移和干缩开裂的三维数值模拟方法，将求解域划分为若干个多面体实体单元，在相邻多面体实体单元间可选择地设置公共单元，根据实体单元内节点之间的湿度传递计算每一实体单元内的每一节点的水分质量流量，获得每一节点总的水分质量流量；根据有限差分积分策略更新每一节点的湿度，用每一实体单元中的各个节点的湿度来表示实体单元的湿度分布，计算收缩应力，将收缩应力作为体荷载施加在实体单元上计算应力场；将断裂的公共单元删除，要分离的公共面两侧的实体单元进行分离，直至完成湿度运移和干缩开裂模拟。本发明专利技术提出的技术方案的有益效果是：能够对土体或其他材料中的湿度运移和干缩开裂进行三维数值模拟。值模拟。值模拟。

【技术实现步骤摘要】
一种湿度运移和干缩开裂的三维数值模拟方法


[0001]本专利技术涉及土木工程、岩土工程、地质工程
，尤其涉及一种湿度运移和干缩开裂的三维数值模拟方法。

技术介绍

[0002]土体或其他材料中的湿度运移及干缩开裂问题涉及土木工程、岩土工程、地质工程等工程应用问题。随着计算机硬件的发展及计算仿真技术的发展，采用数值模拟方法逐渐成为湿度运移和干缩开裂分析计算的有力工具。目前，求解湿度运移和干缩开裂问题的主要计算方法是有限元和离散元方法两种。其中有限元方法能够较好地模拟湿度运移，但对裂缝的起裂、扩展及交汇等难以处理。离散元方法又分为块体离散元和颗粒离散元。其中块体离散元要求对整个求解域进行完整切割，虽然可以对各种非连续问题进行求解，但难以处理块体内部的裂缝的起裂、扩展和交汇；而颗粒离散元，则因为细观输入参数无法直接试验测得的材料参数对应，需要对输入参数进行繁琐的标定。因此，上述这些方法在模拟土体或其他材料中的湿度运移及干缩开裂问题方面仍然存在很多问题。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，为解决上述问题，本专利技术的实施例提供了一种湿度运移和干缩开裂的三维数值模拟方法。
[0004]本专利技术的实施例提供一种湿度运移和干缩开裂的三维数值模拟方法，包括以下步骤：
[0005]S1通过网格划分将求解域划分为若干个多面体实体单元；
[0006]S2在相邻所述实体单元间可选择地设置公共单元；
[0007]S3根据所述实体单元内节点之间的湿度传递计算每一所述实体单元内的每一节点的水分质量流量；
[0008]S4将步骤S2设置的公共单元视为不存在，然后进行湿度运移计算；根据所述实体单元内每一节点的水分质量流量，获得每一节点总的水分质量流量；根据有限差分积分策略，利用每一节点总的水分质量流量更新每一节点的湿度，用每一所述实体单元中的各个节点的湿度来表示该实体单元的湿度分布，完成整个所述求解域的湿度运移的三维数值模拟；
[0009]S5根据所述实体单元的湿度分布计算收缩应力；
[0010]S6将收缩应力作为体荷载施加在所述实体单元上计算应力场；
[0011]S7对于设有公共单元的实体单元，根据应力场判断公共单元是否断裂；对于未设有公共单元的实体单元，根据应力场计算实体单元公共面的拉应力和剪应力，确定公共面两侧的实体单元是否要发生分离；
[0012]S8将断裂的公共单元删除，要分离的公共面两侧的实体单元进行分离，循环重复步骤S1
‑
S8，直至完成湿度运移和干缩开裂模拟。
[0013]进一步地，步骤S3包括以下步骤：
[0014]S3.1根据高斯散度定理，求得所述多面体实体单元内的湿度梯度，湿度梯度为：
[0015][0016]式中，w为湿度，V是多面体实体单元的面积，是多面体实体单元中节点l所对的面的单位外法向向量，w
l
是多面体实体单元中节点l的温度，S
(l)
是多面体实体单元中节点l所对的面的面积；
[0017]S3.2设多面体实体单元内的湿度运移与湿度梯度成正比关系，通过湿度梯度得到单位时间内沿着i方向单位截面积的水的质量流量m
i
为：
[0018][0019]式中，k
ij
为湿度传导系数张量，w为湿度；
[0020]S3.3根据步骤S3.1和步骤S3.2，多面体实体单元流入节点l的水分质量流量为：
[0021][0022]进一步地，步骤S4包括以下步骤：
[0023]S4.1多面体实体单元流入节点l总的水分质量流量为：
[0024][0025]式中，T
i
表示共用节点l的多面体实体单元；
[0026]S4.2在下个时间步Δt内，节点l的湿度可以根据下式更新为：
[0027][0028]式中，M
s
是整个材料的干质量。
[0029]进一步地，步骤S5中，收缩应力的计算公式为：
[0030]Δσ
ij
＝
‑
δ
ij
3KαΔw；
[0031]式中：Δσ
ij
为收缩应力，i＝1,2,3，j＝1,2,3，K为体积模量，α为收缩系数，Δw为湿度改变量，δ
ij
为置换张量。
[0032]进一步地，步骤S6中，计算应力场可以采用有限元(FEM)、混合有限
‑
离散元(FDEM)、离散元(DEM)、非连续变形分析(DDA)、数值流行(NMM)当中的任意一种。
[0033]进一步地，步骤S1中，所述多面体实体单元可为N面体(N为自然数且大于或等于4)、三维voronoi中的一种或多种进行网格划分。
[0034]进一步地，步骤S2中，相邻所述多面体实体单元间的所述公共单元为节理单元、界
面单元、cohesive单元中的一种。
[0035]本专利技术的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：湿度运移和干缩开裂的三维数值模拟方法，可以非常方便地模拟土体或其他材料中的湿度运移，同时由于裂缝扩展沿着实体单元边界，在模拟裂缝起裂和扩展和交汇时，不用追踪裂缝扩展和网格从划分，可以非常方便地模拟任意复杂裂缝的起裂、扩展和交汇。
附图说明
[0036]图1是本专利技术提供的湿度运移和干缩开裂的三维数值模拟方法中的湿度运移计算模型。
具体实施方式
[0037]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进一步地描述。
[0038]本专利技术的实施例提供一种湿度运移和干缩开裂的三维数值模拟方法，包括以下步骤：
[0039]S1通过网格划分将求解域划分为若干个多面体实体单元，多面体实体单元可为N面体(N为自然数且大于或等于4)、三维voronoi中的一种或多种进行网格划分。
[0040]S2在相邻所述实体单元间可选择地设置公共单元(在相邻多面体实体单元间设置或不设置公共单元)，公共单元为节理单元、界面单元、cohesive单元中的一种。
[0041]S3根据所述实体单元内节点之间的湿度传递计算每一所述实体单元内的每一节点的水分质量流量。
[0042]具体地，步骤S3包括以下步骤：
[0043]S3.1根据高斯散度定理，求得所述多面体实体单元内的湿度梯度，湿度梯度为：
[0044][0045]式中，w为湿度，V是多面体实体单元的面积，是多面体实体单元中节点l所对的面的单位外法向向量，w
l
是多面体实体单元中节点l的温度，S
(l)
是多面体实体单元中节点l所对的面的面积；
[0046]S3.2设多面体实体单元内的湿度运移与湿度梯度成正比关系，通过湿度梯度得到单位时间内沿着i方向单位截面积的水的质量流量m
i
为：
[0047][0048]式中，k
ij
为湿度传导系数张量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种湿度运移和干缩开裂的三维数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：S1通过网格划分将求解域划分为若干个多面体实体单元；S2在相邻所述实体单元间可选择地设置公共单元；S3根据所述实体单元内节点之间的湿度传递计算每一所述实体单元内的每一节点的水分质量流量；S4将步骤S2设置的公共单元视为不存在，然后进行湿度运移计算；根据所述实体单元内每一节点的水分质量流量，获得每一节点总的水分质量流量；根据有限差分积分策略，利用每一节点总的水分质量流量更新每一节点的湿度，用每一所述实体单元中的各个节点的湿度来表示该实体单元的湿度分布，完成整个所述求解域的湿度运移的三维数值模拟；S5根据所述实体单元的湿度分布计算收缩应力；S6将收缩应力作为体荷载施加在所述实体单元上计算应力场；S7对于设有公共单元的实体单元，根据应力场判断公共单元是否断裂；对于未设有公共单元的实体单元，根据应力场计算实体单元公共面的拉应力和剪应力，确定公共面两侧的实体单元是否要发生分离；S8将断裂的公共单元删除，要分离的公共面两侧的实体单元进行分离，循环重复步骤S1
‑
S8，直至完成湿度运移和干缩开裂模拟。2.如权利要求1所述的湿度运移和干缩开裂的三维数值模拟方法，其特征在于，步骤S3包括以下步骤：S3.1根据高斯散度定理，求得所述多面体实体单元内的湿度梯度，湿度梯度为：式中，w为湿度，V是多面体实体单元的面积，是多面体实体单元中节点l所对的面的单位外法向向量，w
l
是多面体实体单元中节点l的温度，S
(l)
是多面体实体单元中节点l所对的面的面积；S3.2设多面体实体单元内的湿度运移与湿度梯度成正比关系，通过湿度梯度得到单位时间内沿着i方向单位截面积的水的质量流量m
i

【专利技术属性】
技术研发人员：严成增，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：