土石混合体混合表征与并发式求解方法技术

本发明专利技术公开一种土石混合体混合表征与并发式求解方法，包括：在确定目标土石混合体的土体和石块后，对土体以物质点法进行建模，并生成与土体对应的物质点，对石块以离散元法进行建模，并生成与石块对应的离散单元；对土体和石块之间的作用关系以预设接触模型进行描述；计算各物质点的虚半径；并确定与离散单元有接触的物质点，标记为虚粒子；采用离散元接触模型计算虚粒子与离散单元的耦合接触力；根据耦合接触力，构造平衡方程，并计算物质点法中各背景网格节点上的加速度、以及各离散单元上的加速度和角加速度；根据背景网格节点上的加速度、离散单元的加速度以及离散单元的角加速度，计算物质点和离散单元的实时速度和位移等参数。等参数。等参数。

【技术实现步骤摘要】
土石混合体混合表征与并发式求解方法


[0001]本专利技术涉及岩土工程
，尤其是一种土石混合体混合表征与并发式求解方法。

技术介绍

[0002]土石混合体是岩土工程中一种广泛存在的材料，它的非均质性和非线性导致了土石混合体具有非常复杂的力学性质。准确的再现和预测土石混合体的力学性质对于泥石流、碎屑流、滑坡等自然灾害的预警具有重要意义。通常，常见的求解土石混合体问题主要有两种方法，分别为连续类方法、非连续类方法。在连续类方法中，如有限元、有限差分、光滑粒子流体动力学等，土石混合体被当作连续介质进行计算，其力学行为通过本构模型进行描述，这可以很大程度上简化问题并减小计算量，但是土体与石块之间的相互作用不能纳入考虑，一些微观机制并不能再现；在非连续类方法中，如离散元，每个土体颗粒和石块都可以被很具体的建模出来，这可以在一定程度上考虑微观机制，但是面对大型工程问题，计算量会大大增加。另一方面，一些微观参数是难以标定的，这也是制约离散元法在实际工程中应用的重要因素之一。

技术实现思路

[0003]本专利技术的主要目的是提出一种土石混合体混合表征与并发式求解方法，旨在解决现有的土石混合体求解方法不能再现微观机制、计算量较大以及通用度较低的问题。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提出一种土石混合体混合表征与并发式求解方法，所述土石混合体混合表征与并发式求解方法包括：
[0005]在确定所述目标土石混合体的土体和石块后，对所述土体以物质点法进行建模，并生成与所述土体对应的物质点，对所述石块以离散元法进行建模，并生成与所述石块对应的离散单元；
[0006]对所述土体和所述石块之间的作用关系以预设接触模型进行描述，并构造所述目标土石混合体的MPM
‑
DEM表征方案；
[0007]计算各所述物质点的虚半径；
[0008]根据所述虚半径，确定与所述离散单元有接触的物质点，并标记为虚粒子；
[0009]采用离散元接触模型计算所述虚粒子与所述离散单元的耦合接触力；
[0010]根据所述耦合接触力，构造平衡方程，并计算物质点法中各背景网格节点上的加速度、以及各所述离散单元上的加速度和角加速度；
[0011]根据所述背景网格节点上的加速度、所述离散单元的加速度以及所述离散单元的角加速度，计算所述物质点和所述离散单元的实时速度和位置等参数。
[0012]可选地，计算各所述物质点的虚半径，包括：
[0013]采用公式计算各所述物质点的虚半径，其中，
为第P个物质点的虚半径，为第p个物质点的体积，k
p
为第p个物质点的孔隙率。
[0014]可选地，采用离散元法计算所述虚粒子与所述离散单元的耦合接触力，包括：
[0015]采用公式计算法向合力，其中，为第P个离散单元受到的来自于对应物质点的法向合力，为第q个物质点作用于第P个离散单元上的法向力，pContact为与第P个离散单元相接触的粒子组成的邻域列表；
[0016]采用公式计算切向合力，其中，为第P个离散单元受到的来自于对应物质点的切向合力，为第q个物质点作用于第P个离散单元上的切向力，pContact为与第P个离散单元相接触的粒子组成的邻域列表；
[0017]将所述法向合力和所述切向合力合成所述耦合接触力。
[0018]可选地，根据所述耦合接触力，构造平衡方程，并计算物质点法中各背景网格节点上的加速度、以及各所述离散单元上的加速度和角加速度，包括：
[0019]构造物质点法平衡方程其中，为物质点法中第I个节点上的合内力，为物质点法中第I个节点上的合外力，为物质点法中第I个节点的质量，为物质点法中第I个节点的加速度；
[0020]求解所述物质点法平衡方程，获得物质点法中各背景网格节点上的加速度。
[0021]可选地，求解所述物质点法平衡方程，获得物质点法中各背景网格节点上的加速度、以及各所述离散单元上的加速度和角加速度，还包括：
[0022]采用公式计算所述合内力，其中，N
IP
为形函数，为外界施加到物质点上的体力，为物质点法中第I个节点上所受到的面力，为第P个离散单元受到的来自于对应物质点的法向合力，为第P个离散单元受到的来自于对应物质点的切向合力；
[0023]采用公式计算所述合外力，其中，为第p个物质点上的应力，为第p个物质点的体积，B
Ip
为形函数梯度；
[0024]根据所述合内力和所述合外力计算各背景网格节点上的加速度。
[0025]可选地，根据所述耦合接触力，构造平衡方程，并计算物质点法中各背景网格节点上的加速度、以及各所述离散单元上的加速度和角加速度，还包括：
[0026]构造离散元法平衡方程以及其中，为第p个离散单元上受到的来自其他离散单元的法向合力，为第p个离散单元上受到的来自其他离散单元的切向合力，为第p个离散单元上受到的体力，为第
p个离散单元上受到的转动阻尼力，为第p个离散单元的质量，为第p个离散单元的加速度，I
p
为第p个离散单元的惯性矩，为第p个离散单元的角加速度，为第p个离散单元的粒径，n
pq
为接触点的单位法向量，δ
n,pq
为p个离散单元与第q个离散单元(或物质点)之间的法向堆叠量，为第p个离散单元上所受到的来自第q个离散单元的力；
[0027]求解所述离散元法平衡方程，获得各所述离散单元上的加速度和角加速度。
[0028]可选地，所述物质点的实时参数包括物质点速度，所述离散单元的实时参数包括离散单元速度；
[0029]根据所述背景网格节点上的加速度、所述离散单元的加速度以及所述离散单元的角加速度，计算所述物质点和所述离散单元的实时参数，包括：
[0030]采用FLIP速度更新格式对所述物质点速度进行实时更新，其中，所述FLIP速度更新格式为以及以及为第p个物质点的相邻节点所组成的邻域列表，Δt为物质点的时间步长，为第p个物质点在t
n+1/2
时刻的速度，为第p个物质点在t
n
‑
1/2
时刻的速度，为第p个物质点在t
n+1/2
时刻的速度，为第p个物质点在t
n
‑
1/2
时刻的速度；
[0031]采用预设速度更新格式对所述离散单元速度进行实时更新，其中，所述预设速度更新格式为以及以及为第p个物质点在t
n+1/2
时刻的速度，为第p个物质点在t
n
‑
1/2
时刻的速度，为第p个物质点在t
n+1/2
时刻的加速度，为第p个物质点在t
n
‑
1/2
时刻的加速度。
[0032]可选地，所述物质点的实时参数包括物质点位置，所述离散单元的实时参数包括离散单元位置；
[0033]根据所述背景网格节点上的加速度、所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种土石混合体混合表征与并发式求解方法，其特征在于，所述土石混合体混合表征与并发式求解方法包括：在确定所述目标土石混合体的土体和石块后，对所述土体以物质点法进行建模，并生成与所述土体对应的物质点，对所述石块以离散元法进行建模，并生成与所述石块对应的离散单元；对所述土体和所述石块之间的作用关系以预设接触模型进行描述，并构造所述目标土石混合体的MPM
‑
DEM表征方案；计算各所述物质点的虚半径；根据所述虚半径，确定与所述离散单元有接触的物质点，并标记为虚粒子；采用离散元接触模型计算所述虚粒子与所述离散单元的耦合接触力；根据所述耦合接触力，构造平衡方程，并计算物质点法中各背景网格节点上的加速度、以及各所述离散单元上的加速度和角加速度；根据所述背景网格节点上的加速度、所述离散单元的加速度以及所述离散单元的角加速度，计算所述物质点和所述离散单元的实时速度和位置等参数。2.根据权利要求1所述的土石混合体混合表征与并发式求解方法，其特征在于，计算各所述物质点的虚半径，包括：采用公式计算各所述物质点的虚半径，其中，为第P个物质点的虚半径，为第p个物质点的体积，k
p
为第p个物质点的孔隙率。3.根据权利要求1所述的土石混合体混合表征与并发式求解方法，其特征在于，采用离散元法计算所述虚粒子与所述离散单元的耦合接触力，包括：采用公式计算法向合力，其中，为第P个离散单元受到的来自于对应物质点的法向合力，为第q个物质点作用于第P个离散单元上的法向力，pContact为与第P个离散单元相接触的粒子组成的邻域列表；采用公式计算切向合力，其中，为第P个离散单元受到的来自于对应物质点的切向合力，为第q个物质点作用于第P个离散单元上的切向力，pContact为与第P个离散单元相接触的粒子组成的邻域列表；将所述法向合力和所述切向合力合成所述耦合接触力。4.根据权利要求1所述的土石混合体混合表征与并发式求解方法，其特征在于，根据所述耦合接触力，构造平衡方程，并计算物质点法中各背景网格节点上的加速度、以及各所述离散单元上的加速度和角加速度，包括：构造物质点法平衡方程其中，为物质点法中第I个节点上的合内力，为物质点法中第I个节点上的合外力，为物质点法中第I个节点的质量，为物质点法中第I个节点的加速度；求解所述物质点法平衡方程，获得物质点法中各背景网格节点上的加速度。
5.根据权利要求4所述的土石混合体混合表征与并发式求解方法，其特征在于，求解所述物质点法平衡方程，获得物质点法中各背景网格节点上的加速度、以及各所述离散单元上的加速度和角加速度，还包括：采用公式计算所述合内力，其中，N
Ip
为形函数，为外界施加到物质点上的体力，为物质点法中第I个节点上所受到的面力，为第P个离散单元受到的来自于对应物质点的法向合力，为第P个离散单元受到的来自于对应物质点的切向合力；采用公式计算所述合外力，其中，为第p个物质点上的应力，为第p个物质点的体积，B
Ip
为形函数梯度；根据所述合内力和所述合外力计算各背景网格节点上的加速度。6.根据权利要求4所述的土石混合体混合表征与并发式求解方法，其特征在于，根据所述耦合接触力，构造平衡方程，并计算物质点法中各背景网格节点上的加速度、以及各所述离散单元上的加速度和角加速度，还包括：构造离散元法平衡方程以及其中，为第p个离散单元上受到的来自其他离散单元的法向合力，为第p个离散单元上受到的来自其他离散单元的切向合力，为第p个离散单元上受到的体力，为第p个离散单元上受到的转动阻尼力，为第p个离散单元的质量，为第p个离散单元的加速度，I
p
为第p个离散单元的惯性矩，为第p个离散单元的角加...

【专利技术属性】
技术研发人员：王斌，李建国，王頔，
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：