【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于堆石坝变形分析，更具体地，涉及一种堆石料破碎路径求解方法。
技术介绍
1、据统计，我国已建大坝中土石坝占95％以上，面板堆石坝作为土石坝的一种，相较于其他坝型，具有施工技术简单、工程造价低、便于就地取材、对地质条件适应性强等众多优点，在工程中得以广泛的应用。保证大坝安全是工程建设的先决条件，其中坝体沉降变形是制约堆石坝服役寿命的核心问题之一。堆石料作为堆石坝坝体的主要填筑材料，其破碎、变形是影响堆石坝坝体的关键因素。
2、目前，研究堆石料破碎的分析方法包括物理试验和数值分析两种。数值模拟方法快速便捷有效，是当前堆石材料细观力学特性研究的主流方法。其中，离散元法是目前非连续介质力学数值模拟方法中应用于堆石材料的最广泛的方法，能够很好地再现堆石材料物理试验中的力学规律。但离散元法仍然存在很多需要完善的地方。例如：1)离散元法中堆石间接触模型和参数选取存在大量的简化和假定；2)离散元法的基本思想为将堆石材料视为刚体，无法真实地计算出堆石内部应力状态和破碎路径。目前基于离散元法的堆石破碎模拟方法主要有两类：1)通过黏结一定数目的小颗粒组成团聚体，当小颗粒间一定数量的黏结失效时，堆石料发生破碎，被称为基于颗粒黏结模型的颗粒破碎模拟方法；2)采用碎片替代法模拟颗粒破碎，当颗粒受力(最大接触力或者平均压力)达到预设阈值时，采用一组无黏结的小颗粒替代破碎的原始堆石料。以上模拟方法在基础力学理论依据方面存在欠缺。
3、针对以上问题，基于联合连续-离散耦合思想，munjiza等人提出了有限元-离散元联合法(co
技术实现思路
1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提出了一种堆石料破碎路径求解方法，具有极高的准确性和有效性。
2、为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种堆石料破碎路径求解方法，包括：
3、步骤1：建立位移边界积分方程；
4、步骤2：对位移边界积分方程中的域积分转化为边界积分；
5、步骤3：构建边界元数值求解器和堆石料破碎路径求解器；
6、步骤4：对堆石料进行建模，利用边界单元进行离散，并确立样本点；
7、步骤5：利用边界元数值求解器计算堆石料数值模型边界节点的位移；
8、步骤6：利用边界元数值求解器计算堆石料数值模型内部样本点的应力；
9、步骤7：基于屈服准则建立破碎因子计算公式；
10、步骤8：计算堆石料内部样本点的破碎因子；
11、步骤9：基于样本点的坐标和破碎因子，绘制堆石料的三维曲面图并进行离散；
12、步骤10：建立数字高程-特征线方法；
13、步骤11：利用数字高程-特征线方法对堆石料的三维曲面图进行破碎路径提取。
14、在一些可选的实施方案中，步骤1包括：
15、对于承受集中荷载的堆石料颗粒，可将其集中力作为一种特殊的面力，并将其某一时刻的加速度等效为体力，进而可建立堆石料的边界积分方程：
16、其中，u为位移矢量，x和y分别为问题域中的源点和场点，为和x位置相关的系数，b＝ρa为体力，ρ为密度，a为其加速度(包括重力)m为集中力f(zl)的个数(l＝1,…,m)。u(x,y)和t(x,y)为开尔文基本解，对于二维平面应变问题，可写为：和其中，μ为剪切模量，r＝|x-y|为x和y之间的距离，n(y)为在点y处的单位法向量。
17、在一些可选的实施方案中，步骤2包括：
18、利用直线积分法对积分方程中的域积分转化为边界积分并求解，其中，域积分表示为：w＝∫ωe(x,y)qdω(y)，将采用直线积分法将域积分转化为等效边界积分，具体表达式为：其中，q代表积分线个数，fi为权重因子，li为积分线，e(x,y)为格林函数基本解，q为等效体力，dy1代表微分。
19、在一些可选的实施方案中，步骤4包括：
20、通过德劳内(delaunay)三角剖分算法对堆石料数值模型进行剖分，并将剖分得到的三角形顶点加以排序编号，进而样本点得以确立。
21、在一些可选的实施方案中，步骤5包括：
22、求解堆石料数值模型边界节点的位移需要对位移边界积分方程进行离散，堆石料边界上某一点s的位移可采用公式近似，其中，s为边界上某一点的坐标，ui(s)为第i个边界元上点s的位移，n为边界上的节点数，φi(s)为节点si处的形函数。结合位移边界积分方程，经推导可得到边界节点的位移计算公式为进而可计算堆石料数值模型边界节点的位移，其中u代表所有节点的未知位移，h-1、和m分别代表位移的系数矩阵、集中力的系数矩阵和体力的系数矩阵。
23、在一些可选的实施方案中，步骤7包括：
24、基于屈服准则建立的破碎因子计算公式为其中wk代表破碎因子，σ1、σ3分别代表第一和第三主应力，σc代表抗压强度，mb、s和α为与堆石料相关的材料参数。对于破碎因子大于1的样本点被定义为已经破坏。
25、在一些可选的实施方案中，步骤7包括：
26、建立数字高程-特征线方法首先需要对离散的曲面图中的每个三角形进行排序、编号；然后对每个三角形的边进行编号；然后对每条边li，共用该边的两个三角形，求解公式：其中m为判断参数，x1i、x2i、y1i和y2i分别为边li的顶点和端点的x轴和y轴坐标；a和b的具体表达式分别为其中z1i和z2i分别为边li的顶点和端点的z轴坐标，xc、yc和zc分别为边li所在三角形的不在边li上的顶点x轴、y轴和z轴坐标。
27、在一些可选的实施方案中，步骤7包括：
28、利用数字高程-特征线方法对堆石料的三维曲面图进行破碎路径提取，需要在步骤10遍历计算得到每条边li的两个相邻三角形m值之后，选取计算得到的m值均大于零的边，然后将以上边连接起来即为破碎路径。
29、按照本专利技术的另一方面，提供了一种堆石料破碎路径求解方法，包括：边界元数值求解器和堆石料破碎路径求解器。
30、所述边界元数值求解器，用于计算堆石料边界和内部的应力值，具体包括：输入模块，用于接收操作本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种堆石料破碎路径求解方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种堆石料破碎路径求解方法，其特征在于，步骤1包括：对于承受集中荷载的堆石料颗粒，将其集中力作为一种特殊的面力，并将其某一时刻的加速度等效为体力，进而可建立堆石料的边界积分方程：其中，u为位移矢量，x和y分别为问题域中的源点和场点，为和x位置相关的系数，b＝ρa为体力，ρ为密度，a为其加速度(包括重力)m为集中力f(zl)的个数(l＝1,…,m)，U(x,y)和T(x,y)为开尔文基本解。
3.根据权利要求1所述的一种堆石料破碎路径求解方法，其特征在于，步骤1包括：对于二维平面应变问题，可写为：
4.根据权利要求1所述的一种堆石料破碎路径求解方法，其特征在于，步骤2包括：利用直线积分法对积分方程中的域积分转化为边界积分并求解，其中，域积分表示为：W＝∫ΩE(x,y)qdΩ(y)，将采用直线积分法将域积分转化为等效边界积分，具体表达式为：其中，Q代表积分线个数，Fi为权重因子，Li为积分线，E(x,y)为格林函数基本解，q为等效体力，dy1代表微分。
5.根据
6.根据权利要求1所述的一种堆石料破碎路径求解方法，其特征在于，步骤5包括：求解堆石料数值模型边界节点的位移需要对位移边界积分方程进行离散，堆石料边界上某一点s的位移采用公式近似，其中，s为边界上某一点的坐标，ui(s)为第i个边界元上点s的位移，N为边界上的节点数，φI(s)为节点sI处的形函数；结合位移边界积分方程，经推导可得到边界节点的位移计算公式为进而可计算堆石料数值模型边界节点的位移，其中u代表所有节点的未知位移，H-1、和M分别代表位移的系数矩阵、集中力的系数矩阵和体力的系数矩阵。
7.根据权利要求1所述的一种堆石料破碎路径求解方法，其特征在于，步骤7包括：
8.根据权利要求1所述的一种堆石料破碎路径求解方法，其特征在于，步骤10包括：建立数字高程-特征线方法首先需要对离散的曲面图中的每个三角形进行排序、编号；然后对每个三角形的边进行编号；然后对每条边Li，共用该边的两个三角形，求解公式：其中m为判断参数，x1i、x2i、y1i和y2i分别为边Li的顶点和端点的x轴和y轴坐标；a和b的具体表达式分别为
9.根据权利要求1所述的一种堆石料破碎路径求解方法，其特征在于，步骤11包括：利用数字高程-特征线方法对堆石料的三维曲面图进行破碎路径提取，需要在步骤10遍历计算得到每条边Li的两个相邻三角形m值之后，选取计算得到的m值均大于零的边，然后将以上边连接起来即为破碎路径。
10.根据权利要求1所述的一种堆石料破碎路径求解方法，其特征在于，包括：所述边界元数值求解器，用于计算堆石料边界和内部的应力值，具体包括：输入模块，用于接收操作者输入的待求解堆石料的材料参数、网格化分数、网格类型以及边界条件信息；求解模块，用于得到待求解堆石料内部的应力；输出模块，用于输出堆石料内部样本点的应力值；所述堆石料破碎路径求解器，用于求解堆石料的破碎路径。
...【技术特征摘要】
1.一种堆石料破碎路径求解方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种堆石料破碎路径求解方法，其特征在于，步骤1包括：对于承受集中荷载的堆石料颗粒，将其集中力作为一种特殊的面力，并将其某一时刻的加速度等效为体力，进而可建立堆石料的边界积分方程：其中，u为位移矢量，x和y分别为问题域中的源点和场点，为和x位置相关的系数，b＝ρa为体力，ρ为密度，a为其加速度(包括重力)m为集中力f(zl)的个数(l＝1,…,m)，u(x,y)和t(x,y)为开尔文基本解。
3.根据权利要求1所述的一种堆石料破碎路径求解方法，其特征在于，步骤1包括：对于二维平面应变问题，可写为：
4.根据权利要求1所述的一种堆石料破碎路径求解方法，其特征在于，步骤2包括：利用直线积分法对积分方程中的域积分转化为边界积分并求解，其中，域积分表示为：w＝∫ωe(x,y)qdω(y)，将采用直线积分法将域积分转化为等效边界积分，具体表达式为：其中，q代表积分线个数，fi为权重因子，li为积分线，e(x,y)为格林函数基本解，q为等效体力，dy1代表微分。
5.根据权利要求1所述的一种堆石料破碎路径求解方法，其特征在于，步骤4包括：通过德劳内(delaunay)三角剖分算法对堆石料数值模型进行剖分，并将剖分得到的三角形顶点加以排序编号，进而样本点得以确立。
6.根据权利要求1所述的一种堆石料破碎路径求解方法，其特征在于，步骤5包括：求解堆石料数值模型边界节点的位移需要对位移边界积分方程进行离散，堆石料边界上某一点s的位移采用公式近似，其中，s为边界上某一点的坐...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘彪，李祥，喻葭临，张宗亮，何伟，程立，刘广煜，
申请(专利权)人：水电水利规划设计总院，
类型：发明
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