一种模拟非均质组合吸能结构渐进破坏的仿真方法及系统技术方案

本公开提供了一种模拟非均质组合吸能结构渐进破坏的仿真方法及系统，涉及地下工程技术领域，包括构建组合吸能结构单轴压缩数值计算模型，获取组合吸能结构的非均质屈服应力

【技术实现步骤摘要】
一种模拟非均质组合吸能结构渐进破坏的仿真方法及系统


[0001]本公开涉及地下工程
，具体涉及一种模拟地下工程非均质组合吸能结构渐进破坏的仿真方法及系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]地下工程的隧道工程与矿业工程的支护中，吸能支护正逐渐得到工程界解决衬砌结构时效变形的有效方法。如何合理的设计组合式吸能结构，确保组合式吸能结构的使用安全是受关注的重点问题，组合吸能结构的渐进破坏是由于组合结构内部发生破碎后会直接影响到隧道围岩的稳定性以及衬砌的完整性。组合吸能结构的渐进破坏过程经历了弹性变形，塑形破坏，塑性流动与密实填充的复杂过程，一方面组合结构中的填充材料以体积硬化材料为主，内部含有大量孔隙；另一方面，组合吸能结构的变形特性和吸能效率与多孔材料的力学性质、应力路径和尺寸密切有关。研究组合吸能结构破坏过程不仅是为了研究结构的失效行为，更重要的是研究组合结构的渐进破坏机理和诱导因子以及在隧道工程中的吸能过程，从而科学指导吸能结构的设计。
[0004]面对由多孔介质为填充材料的组合结构，难以利用理论解析计算复杂载荷条件下的变形与破坏过程，由于填充材料被韧性材料包裹住，室内试验研究难以将破坏过程可视化，并且只对特定工况有研究意义，研究成本较高，研究周期太长，而且难以反映填充材料非均质性带来的影响。因此，利用数值模拟方法研究非均质组合吸能结构的渐进破坏过程是一个可靠的方法，数值模拟不仅可以将变形破坏过程可视化，还对各种复杂工况仅需改变边界条件均可模拟。
[0005]数值仿真中，组合吸能结构的填充材料往往采用均匀分布以减小计算成本，但是在实际情况中由于材料非均质以及施工工法等因素的影响，导致填充材料具有非均质特性。
[0006]专利技术人认为，现有的模拟组合吸能结构渐进破坏过程的模拟方法存在以下不足：
[0007](1)有限元法虽然可以求解出结构的应力、应变以及塑性区，但结构连续性的假设以及大变形所带来的网格畸变问题导致其难以应用于裂纹扩展于材料破坏过程的研究。
[0008](2)离散元法抛弃了结构连续性的假设，通过预设节理和裂缝，因此，离散元法适用于裂纹扩展与材料破坏等问题的研究，然而现有文献表明，离散元法存在明显的缺陷。离散元法要求生成的颗粒集合体拥有与实际颗粒材料相同或者相近的粒度分布，极大增加了计算成本，而且离散元的仿真结果无法实现工程设计的定量化要求。
[0009](3)有限差分法的拉格朗日
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欧拉耦合计算法将研究域分为欧拉域和拉格朗日域，欧拉域的材料与拉格朗日域的材料通过定义接触模型来模拟两种材料之间的相互作用。拉格朗日
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欧拉耦合计算法虽然可以避免有限元法出现的网格畸变问题，但是由于材料在欧拉域里可以自由变形甚至运动，因此欧拉域的尺寸通常显著大于材料的初始尺寸，加上欧
拉域的网格密度通常很大，导致计算成本显著增加。
[0010](4)近场动力学法是基于新型非局部理论所提出的仿真方法，将研究区域离散为多个材料点，每个材料点都会受到其他材料点及外部荷载的作用，并用积分方程取代偏微分方程来表达力学方程，以解决裂纹扩展与材料破坏过程出现的结构不连续问题。近场动力学法虽然适用于材料破坏问题的研究，但其仿真结果的精度有待提升，大规模仿真必须采用GPU并行计算才能实现，不如有限元
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光滑粒子流耦合计算法的简便、高效。

技术实现思路

[0011]本公开为了解决上述问题，提出了一种模拟非均质组合吸能结构渐进破坏的仿真方法及系统，研究非均质度对非均质组合结构的变形破坏特征与吸能效率，尤其是封闭体系中，质量守恒条件下，实现组合吸能结构在隧道大变形过程中让压支护与吸能过程的精细模拟。
[0012]根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
[0013]一种模拟非均质组合吸能结构渐进破坏的仿真方法，包括：
[0014]构建组合吸能结构单轴压缩数值计算模型，获取组合吸能结构的非均质屈服应力
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塑性应变曲线；
[0015]建立带有组合吸能结构的装配式缓冲层结构模型，生成满足weibull分布的函数曲线，建立组合吸能结构的三维网格模型，输入填充材料物理力学参数，模拟填充材料的真实力学行为，采用SPH—FEM数值模拟方法以及位移加载的控制方式进行模拟非均质组合吸能结构渐进破坏的过程。
[0016]根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
[0017]一种模拟非均质组合吸能结构渐进破坏的仿真系统，包括：
[0018]模型构建模块，用于构建组合吸能结构单轴压缩数值计算模型，获取组合吸能结构的非均质屈服应力
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塑性应变曲线；
[0019]数值模拟模块，用于建立带有组合吸能结构的装配式缓冲层结构模型，生成满足weibull分布的函数曲线，建立组合吸能结构的三维网格模型，输入填充材料物理力学参数，模拟填充材料的真实力学行为，采用SPH—FEM数值模拟方法以及位移加载的控制方式进行模拟非均质组合吸能结构渐进破坏的过程。
[0020]根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
[0021]一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种模拟非均质组合吸能结构渐进破坏的仿真方法。
[0022]根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
[0023]一种终端设备，其特征在于，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种模拟非均质组合吸能结构渐进破坏的仿真方法。
[0024]与现有技术相比，本公开的有益效果为：
[0025]本公开的组合吸能结构的填充材料采用crushable foam模型，使得组合吸能结构能够真实的反映填充材料的吸能性能，为准确模拟组合吸能结构在隧道支护结构体系中的控制变形、吸能作用以及定量分析奠定坚实的基础。
[0026]本公开采用SPH—FEM数值模拟方法模拟组合吸能材料的渐进破坏过程，使用光滑粒子流来表征填充材料的特性，有限元表征包裹材料的特性，在此基础上根据材料属性，能量守恒的条件下开展数值仿真，该数值方法既可以定性表征缓冲吸能材料的破坏过程，又可以定量计算压缩荷载和变形大小。
[0027]本公开对填充缓冲吸能材料的非均质性进行了精确地描述，并使用不同均质度来表征缓冲吸能的密实性和非均匀性，更好的反映了填充缓冲吸能材料的渐进破坏特征。
[0028]本公开采用生成随机数的方法对填充材料的单元进行分许并建立集合，统一赋予材料属性和截面属性，大大地提升了计算效率与速度。
附图说明
[0029]构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
[0030]图1为本公本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模拟非均质组合吸能结构渐进破坏的仿真方法，其特征在于，包括：构建组合吸能结构单轴压缩数值计算模型，获取组合吸能结构的非均质屈服应力
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塑性应变曲线；建立带有组合吸能结构的装配式缓冲层结构模型，生成满足weibull分布的函数曲线，建立组合吸能结构的三维网格模型，输入填充材料物理力学参数，模拟填充材料的真实力学行为，采用SPH—FEM数值模拟方法以及位移加载的控制方式进行模拟非均质组合吸能结构渐进破坏的过程。2.如权利要求1所述的一种模拟非均质组合吸能结构渐进破坏的仿真方法，其特征在于，本构模型采用crushable foam模型，并利用所述本构模型计算得到不同塑性应变下对应的屈服应力
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塑性应变曲线，并进行对比、评价以及验证。3.如权利要求1所述的一种模拟非均质组合吸能结构渐进破坏的仿真方法，其特征在于，所述模拟非均质组合吸能结构渐进破坏的过程包括：编写满足weibull分布的函数曲线的代码并生成函数曲线，确定非均质参数，将weibull分布函数离散化并生成相应的随机材料参数集合；建立组合吸能结构的三维网格模型，并将所述三维网格模型进行单元划分；输入填充材料物理力学参数，模拟填充材料的真实力学行为；数值模拟采用位移加载的控制方式，建立组合吸能结构层间的硬接触，进行非均质组合吸能结构渐进破坏过程模拟。4.如权利要求3所述的一种模拟非均质组合吸能结构渐进破坏的仿真方法，其特征在于，所述组合吸能结构的三维网格模型为填充材料圆柱体，包裹材料为薄壁圆管，三维网格模型的单元划分采用C3D8R。5.如权利要求4所述的一种模拟非均质组合吸能结构渐进破坏的仿真方法，其特征在于，所述三维网格模型的单元划分能够根据需要进行划分单元数量的调整。6.如权利要求3所述的一种模拟非均质组合吸能结构渐进破坏的仿真方法，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘辛宇，陈卫忠，伍国军，谭贤君，田洪铭，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：