一种构建任意宽级配岩土体颗粒堆积的离散元数值模拟方法技术

本发明专利技术构建了一种宽级配岩土体颗粒堆积离散元数值模拟方法，该方法包括任意级配的设定和颗粒堆积的建模。其步骤和特点包括：(1)设置初始的参数，构建三维模型，设定任意级配。(2)可以根据定义颗粒数量或颗粒体积求出该级配下的颗粒直径。(3)生成模型箱，建立颗粒初始堆积模型并设置材料参数。(4)设置箱子周围边界，颗粒做布朗运动，在重力作用下沉积形成堆积模型。在传统级配设置的基础上，增加了任意分组和任意配比的功能，提供理论模型，有着较高的学术研究和工程运用价值。高的学术研究和工程运用价值。高的学术研究和工程运用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种构建任意宽级配岩土体颗粒堆积的离散元数值模拟方法


[0001]本专利技术涉及岩土体离散元数值模拟，尤其是基于岩土体的宽级配定义及模型堆积仿真方法。

技术介绍

[0002]真实世界中的砂土等颗粒材料通常都具有较宽的级配，宽级配颗粒体系的仿真在岩土、工业制造等领域具有重要意义。由于大颗粒和小颗粒的接触单元数和性质存在着巨大的差异，宽级配离散元体系的计算仿真极其困难。传统离散元模型中对于土体颗粒的级配要求并没有那么高，一般更改级配都是通过修改最大最小粒径比来调整，若采用默认的粒径比方式来添加宽级配的砂土，会导致模拟箱内颗粒数量稀少，不符合现实试验。同时该参数的定义只能整体调控颗粒分布，不能够灵活地改变某粒径组的分布，无法模拟真实试验中不同级配试样的配制。因此需要一种定义宽级配颗粒分布与颗粒生成的方法来进行相关的数值模拟。

技术实现思路

[0003]为了满足工程应用中土体颗粒宽级配的需求，解决传统计算不灵活的问题。本方法提出了一种构建任意宽级配岩土体颗粒堆积离散元数值模拟方法。通过设置颗粒的比重来进行后续宽级配处理，重力作用下不断沉积堆积形成试验所需的砂土模型。该方法在软件中宽级配设置函数属于功能类函数，在调用时需要从mfs类进行调用，函数返回的结果得到颗粒的半径粒组。灵活有效地提高了宽级配模型的计算效果，实现了模拟真实试验中宽级配的配制。
[0004]本专利技术为解决定义宽级配颗粒分布进行相关的数值模拟的技术方案是，一种构建任意宽级配岩土体颗粒堆积离散元数值模拟方法，其步骤包括：
[0005]1)设置颗粒密度、试样总质量、模型箱长宽及堆积参数；设置初始的参数，构建三维模型；输入初始的参数有颗粒的比重、试样总质量以及级配粒组；首先需要设置样品的长(sampleL)和宽(sampleW)，样品的高度(sampleH)由后续宽级配颗粒生成后决定；2)定义颗粒级配，包括粒组范围及其配比，并生成颗粒半径粒组；根据定义颗粒数量或颗粒体积相同求出该级配下的颗粒直径序列；从mfs类进行调用，函数返回的结果得到所有颗粒的半径粒组；
[0006]3)生成模型箱，建立颗粒初始堆积模型并设置材料参数；通过创建box对象来建模，将上述设置的sampleW、sampleL和计算得到sampleH并赋值，根据上述的粒组平均半径创建初始颗粒堆积排布；
[0007]4)设置箱子周围边界，颗粒做布朗运动，在重力作用下堆积形成砂土模型。
[0008]步骤1)设置颗粒密度、试样总质量、模型箱长宽及堆积参数，堆积参数包括平衡时间系数、是否考虑接触胶结、摩擦系数、模型箱高度系数及重力加速度系数等；由于试样堆积高度与堆积参数有关，这里经验性的模型箱高度系数取值有：
[0009]hRate＝1.0+0.2*isCement
‑
0.1*is2D+0.02*friction
[0010]其中hRate为模型箱高度系数，取1时按紧密堆积孔隙率；isCement为是否考虑接触胶结的逻辑值，取值1或0；is2D为是否二维堆积的逻辑值，取值1或0；friction为颗粒间摩擦系数；
[0011]步骤2)基于颗粒级配分组，按照每一粒组内颗粒半径的分布形式，生成一定样品体积的颗粒半径序列；
[0012]totalV＝totalM/ρ
[0013]grainR＝mfs.getGradationDiameter(G,totalV,gradingCurveType)/2
[0014]其中totalV为试样颗粒总体积，totalM为试样颗粒总质量，ρ为颗粒密度；mfs.getGradationDiameter为功能实现的调用函数，下文再作详细阐述，输出变量grainR为所需颗粒半径数组，输入参数G为级配定义矩阵，gradingCurveType为每一粒组内颗粒的分布形式参数，常用的有根据体积相同或数目相同分布，这里有级配类型gradingCurveType＝3时，按照粒径的体积相同生成颗粒，gradingCurveType＝
‑
1时则是按颗粒数相同来计算；
[0015]常用的为按体积(取3)和数目(取
‑
1)相同分布；
[0016]宽级配颗粒半径的具体获取流程，宽级配颗粒半径的计算方法：
[0017]步骤2.1)输入定义颗粒级配的三列的矩阵G，G表示的粒组为n
×
3粒组，每一行代表一个粒组范围及其质量/体积权重，其中第一列为当前粒组最小颗粒直径，第二列为当前粒组最大颗粒直径，第三列为当前粒组质量权重，其加和不必为1，在计算当前粒组质量时再做归一化处理；
[0018]步骤2.2)计算当前粒组颗粒百分含量及总体积；
[0019]开始创建宽级配粒组；首先求出宽级配中各个分段的最小颗粒质量minV和分段总质量volumeV；
[0020]minV＝1/6*G(:,1).^3
[0021]volumeV＝G(:,3)/sum(G(:,3))*totalV
[0022]其中G(:,1)表示取级配定义矩阵的第一列，即每一粒组的最小颗粒直径；G(:,3)表示取级配定义矩阵第三列，即每一粒组的权重，这里对权重除以所有粒组权重之后，做了归一化处理；
[0023]步骤2.3)计算当前粒组平均粒径并预估颗粒数目；
[0024]用循环来分别处理各个组内颗粒的排布；首先计算出第一组的颗粒平均半径和平均体积v1；
[0025]R1＝(minD+(maxD
‑
minD)*0.5)/2
[0026]第一组总体积rangeV1＝volumeV(1),并由此计算出该第一组内的质量粒组ballNum1，预估的颗粒数为平均颗粒的2倍,生成充足的颗粒数；
[0027]ballNum1＝cell(rangeV1/v1)*2
[0028]步骤2.4)按预估数目的两倍生成当前粒组颗粒直径粒组D；
[0029]D＝minD+rand(ballNum1,1)*(maxD
‑
minD)
[0030]由于颗粒数量上增加了颗粒，因此总体积会超出试验模拟设置的体积，因此需要进行删除调整；首先求出当前直径粒组D下的粒组体积volume1,与rangeV1做比较，得到新
的粒组体积；Rand为随机数生成函数；
[0031]volume1＝1/6*pi*D.^3
[0032]volumeCumsum＝cumsum(volume1)
[0033]其中volume1为直径数组D对应的体积数组，comsum为累加函数，volumeCumsum为累加体积数组，即第i个元素值为对应前i个颗粒的体积之和；rand为随机数生成函数；
[0034]查找累加体积和volumeCumsum超出rangeV的粒组的一个元素下标，再进行判断，根据累加体积和判断需要在预分配直径数组中删除多少颗粒：若下标小于累加质量和volumeCumsum的总长度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种构建任意宽级配岩土体颗粒堆积离散元数值模拟方法，其特征是，步骤如下：1)设置颗粒密度、试样总质量、模型箱长宽及堆积参数；设置初始的参数，构建三维模型；输入初始的参数有颗粒的比重、试样总质量以及级配粒组；首先需要设置样品的长(sampleL)和宽(sampleW)，样品的高度(sampleH)由后续宽级配颗粒生成后决定；2)定义颗粒级配，包括粒组范围及其配比，并生成颗粒半径粒组；根据定义颗粒数量或颗粒体积相同求出该级配下的颗粒直径序列；从mfs类进行调用，函数返回的结果得到所有颗粒的半径粒组；3)生成模型箱，建立颗粒初始堆积模型并设置材料参数；通过创建box对象来建模，将上述设置的sampleW、sampleL和计算得到sampleH并赋值，根据上述的粒组平均半径创建初始颗粒堆积排布；4)设置箱子周围边界，颗粒做布朗运动，在重力作用下堆积形成砂土模型。2.根据权利要求1所述的构建任意宽级配岩土体颗粒堆积离散元数值模拟方法，其特征是，步骤1)设置颗粒密度、试样总质量、模型箱长宽及堆积参数，堆积参数包括平衡时间系数、是否考虑接触胶结、摩擦系数、模型箱高度系数及重力加速度系数等；由于试样堆积高度与堆积参数有关，这里经验性的模型箱高度系数取值有：hRate＝1.0+0.2*isCement
‑
0.1*is2D+0.02*friction其中hRate为模型箱高度系数，取1时按紧密堆积孔隙率；isCement为是否考虑接触胶结的逻辑值，取值1或0；is2D为是否二维堆积的逻辑值，取值1或0；friction为颗粒间摩擦系数；步骤2)基于颗粒级配分组，按照每一粒组内颗粒半径的分布形式，生成一定样品体积的颗粒半径序列；totalV＝totalM/ρgrainR＝mfs.getGradationDiameter(G,totalV,gradingCurveType)/2其中totalV为试样颗粒总体积，totalM为试样颗粒总质量，ρ为颗粒密度；mfs.getGradationDiameter为功能实现的调用函数，下文再作详细阐述，输出变量grainR为所需颗粒半径数组，输入参数G为级配定义矩阵，gradingCurveType为每一粒组内颗粒的分布形式参数，常用的有根据体积相同或数目相同分布，这里有级配类型gradingCurveType＝3时，按照粒径的体积相同生成颗粒，gradingCurveType＝
‑
1时则是按颗粒数相同来计算；常用的为按体积(取3)和数目(取
‑
1)相同分布；宽级配颗粒半径的具体获取流程，宽级配颗粒半径的计算方法：步骤2.1)输入定义颗粒级配的三列的矩阵G，G表示的粒组为n
×
3粒组，每一行代表一个粒组范围及其质量/体积权重，其中第一列为当前粒组最小颗粒直径，第二列为当前粒组最大颗粒直径，第三列为当前粒组质量权重，其加和不必为1，在计算当前粒组质量时再做归一化处理；步骤2.2)计算当前粒组颗粒百分含量及总体积；开始创建宽级配粒组；首先求出宽级配中各个分段的最小颗粒质量minV和分段总质量volumeV；minV＝1/6*G(:,1).^3
volumeV＝G(:,3)/sum(G(:,3))*totalV其中G(:,1)表示取级配定义矩阵的第一列，即每一粒组的最小颗粒直径；G(:,3)表示取级配定义矩阵第三列，即每一粒组的权重，这里对权重除以所有粒组权重之后，做了归一化处理；步骤2.3)计算当前粒组平均粒径并预估颗粒数目；用循环来分别处理各个组内颗粒的排布；首先计算出第一组的颗粒平均半径和平均体积v1；R1＝(minD+(maxD
‑
minD)*0.5)/2第一组总体积rangeV1＝volumeV(1),并由此计算出该第一组内的质量粒组ballNum1，预估的颗粒数为平均颗粒的2倍,生成充足的颗粒数...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘春，刘辉，朱莉莉，权雪瑞，张鸿勇，
申请(专利权)人：南京南力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：