【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及边坡有限元模型构建，尤其涉及一种土石混合边坡有限元模型生成方法。
技术介绍
1、土石混合边坡是指由土夹碎石或卵石以及碎石或卵石夹土等土石混合体组成的边坡，主要由风化残积、滑坡崩堆积以及冲洪堆积等形成。土石混合边坡是自然界广泛存在的一种边坡，其稳定性与土体和石块的力学性质有着直接关系。由于土石混合边坡在石块含量、组份、岩性等方面都有着十分显著的随机性，对其力学行为和工程特性的测定和分析就显得尤为困难和复杂。以往的工程勘测和设计过程中经常忽略石块对于土石混合边坡稳定性的影响，而事实证明这样的简化经常会导致严重的工程灾难。考虑到土石混合边坡的稳定性对于人们的生命财产安全具有显著影响，研究土石混合体组份特征对于边坡稳定性的影响具有重要意义。
2、数值模拟方法已被证明可以对土石混合边坡的力学行为和稳定性进行深入分析，有限元作为在工程领域应用最为广泛的数值方法，使其成为土石混合边坡稳定性分析的常用工具。然而，目前利用这些数值方法进行数值计算时，常采用二维圆盘、三角形、矩形或正多边形等简化形状模拟块石边界，其块石几何形状、颗粒级配等特征与实际土石混合边坡均有较大差别。
3、因此，为高效构建更为真实精细的土石混合边坡有限元模型，综合运用随机数学方法提出一种土石混合边坡有限元模型生成方法，来解决现有技术存在的困难，是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术提供了一种土石混合边坡有限元模型生成方法，可生成具备不同颗粒级配、边坡倾角、块
2、为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种土石混合边坡有限元模型生成方法，包括以下步骤：
4、s1.根据边坡的几何形状与组份特征，确定建模区域最大尺寸l×w、土石交界面厚度t、边坡倾角α、含石率va、级配曲线和网格精度a；
5、s2.根据建模区域最大尺寸l×w和网格精度a将建模区域离散为int(l/a)×int(w/a)个单元组成的映射网格平面，对边坡外部区域单元赋值为3，对边坡土体区域单元赋值为0；
6、s3.根据级配曲线，随机生成各级配石块形状，建立随机石块库；
7、s4.从随机石块库中随机选取一个石块，利用边界超越判断、临空面侵入判断与石块侵入判断将石块投放入映射网格平面中，并对石块形状区域单元赋值为2，根据土石交界面位置确定石块形状区域位置，对土石交界面位置区域单元赋值为1；
8、s5.通过是否满足各级配石块含量以及石块总体含量的判断，终止石块生成与投放，记录土石交界面结点的坐标并生成记录文件，将记录文件导入到建模软件，得到土石混合边坡的几何模型，再利用渐进网格剖分，得到土石混合边坡有限元模型。
9、可选的，s3中根据级配曲线随机生成各级配石块形状，包括以下步骤：
10、s301.在映射网格平面内随机给定一点作为形心、以某随机粒径为直径的圆周上形成具有随机边数n的正n边形，各边的初始对角αj(j≤n)为2π/n；
11、s302.进行多边形的对角随机化，在各边对角中随机挑选两个对角αi,αj(i,j≤n)，利用下式对其进行随机转换，确定转化后的对角α'i,α'j：
12、
13、式中，v为角度变换系数；
14、进行角度随机化后的多边形各顶点到初始圆心的距离rj(j≤n)仍然相同；利用下式对rj进行随机化，确定转化后顶点距圆心的距离r'j：
15、r'j＝rj+rand(-rj×u,rj×u)
16、式中，rand(a,b)指取a、b之间的随机数，u为半径变换系数。
17、可选的，s4中边界超越判断的具体内容为：
18、石块生成之后根据其各顶点的对角和到初始圆心的距离确定每个顶点的坐标(xj，yj)，然后判断坐标(xj，yj)是否在建模区域之内，若石块多边形各顶点均在建模区域内部，则继续当前操作；若有顶点在建模区域外部，则重新生成石块。
19、可选的，s4中临空面侵入判断和石块侵入判断的具体内容为：
20、形成石块交界面单元时，如果发现赋值单元的当前值为0，则继续当前操作；若不为0，则判定石块与已经投放完成的石块或临空区域发生侵入，则丢弃石块，并重新生成石块并进行投放。
21、可选的，s4中对石块投放于映射网格平面之中并赋值2，根据土石交界面位置确定石块形状区域位置，对土石交界面位置区域单元赋值为1的具体内容如下：
22、s401.根据石块多边形各顶点的坐标确定各边与x轴的夹角β，如果|tanβ|＜0，则定义该边为x轴占优边；如果|tanβ|＞0，则定义该边为y轴占优边；石块边界单元在进行填充时，若单元的非占优轴方向的平分线顶点在石块内部，则将其作为石块单元，赋值为2；
23、s402.利用四邻域像素填充算法对石块内部未赋值的单元进行赋值，即把一个单元的所有具有相邻边的单元都赋值为2，直到这个区域内所有的单元都被赋值；
24、s403.将石块外围的土石交界面赋值为1。
25、可选的，s5中记录文件为iges文件，建模软件为abaqus或者hypermesh软件。
26、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术提供了一种土石混合边坡有限元模型生成方法，具有以下有益效果：
27、(1)优化了随机石块的生成过程，可通过角度变换系数与半径变换系数调整石块的凹凸特征，使得石块形状更接近实际情况；
28、(2)通过对映射网格平面的网格赋值和检验对石块之间的侵入进行判断，并通过将边坡临空区域预赋值进行侵入判断，避免石块跨越坡面，无需进行繁琐的直线交叉判断，准确率高且计算简单，使得算法更加简洁高效；
29、(3)实现了对于土石混合边坡内部结构的三相表达，可生成具备不同颗粒级配、边坡倾角、块石形状与空间分布的土石混合边坡有限元模型，以满足土石混合边坡变形模拟与稳定分析的需求。
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1.一种土石混合边坡有限元模型生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种土石混合边坡有限元模型生成方法，其特征在于，
3.根据权利要求1所述的一种土石混合边坡有限元模型生成方法，其特征在于，
4.根据权利要求1所述的一种土石混合边坡有限元模型生成方法，其特征在于，
5.根据权利要求1所述的一种土石混合边坡有限元模型生成方法，其特征在于，
6.根据权利要求1所述的一种土石混合边坡有限元模型生成方法，其特征在于，
【技术特征摘要】
1.一种土石混合边坡有限元模型生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种土石混合边坡有限元模型生成方法，其特征在于，
3.根据权利要求1所述的一种土石混合边坡有限元模型生成方法，其特征在于，
<...【专利技术属性】
技术研发人员：秦向南，胡少伟，刘军，郭进军，刘星，陈旭东，陈厦，杨占惠，张文涛，王盈，张天罡，樊光洁，张媛，何永瑶，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：
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