[發(fā)明專利]一種可變形三維任意圓化凸多面體塊體離散單元法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811276205.7
• 申請日: 2018-10-30
• 公開（公告）號: CN109492285B
• 公開（公告）日: 2022-08-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙蘭浩;邵琳玉;劉勛楠;李同春;毛佳;彭大偉
• 申請（專利權(quán)）人: 河海大學(xué)
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23
• 代理公司: 南京縱橫知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 32224
• 代理人: 董建林

本發(fā)明公開了一種可變形三維任意圓化凸多面體塊體離散單元法，包括：建立可變形圓化凸多面體離散單元系統(tǒng)，確定可變形圓化凸多面體離散單元系統(tǒng)的時間步長；在當(dāng)前時間步，確定接觸單元與目標(biāo)單元，判斷圓化多面體的接觸方式，計(jì)算當(dāng)前時間步作用于目標(biāo)塊體的法向接觸力、切向接觸力；將接觸力轉(zhuǎn)化成載荷的等效節(jié)點(diǎn)力矢量；得到下一時間步有限單元的位移；更新每個有限單元頂點(diǎn)的坐標(biāo)；重復(fù)計(jì)算下一時間步直至計(jì)算完所有時間步。本方法采用圓化多面體離散單元的定義，實(shí)現(xiàn)了不同大小、形態(tài)單元的接觸力的計(jì)算，并且提高了計(jì)算效率；可以實(shí)現(xiàn)三維非連續(xù)介質(zhì)大規(guī)模任意圓化凸多面體可變形離散單元接觸力計(jì)算問題，更加符合工程實(shí)際。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種可變形離散單元法，具體涉及一種可變形三維任意圓化凸多面體塊體離散單元法，屬于可變形離散單元技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

離散元單元法是專門用來解決不連續(xù)介質(zhì)問題的數(shù)值模擬方法，該方法可以精確捕捉塊體系統(tǒng)分離、滑移破壞、傾覆旋轉(zhuǎn)等非連續(xù)變形特性。而可變形的離散元可以被壓縮、分離或滑動。離散元可以較真實(shí)地模擬巖體中的大變形特征，因此離散單元法在理論研究和工程應(yīng)用等諸多領(lǐng)域得到長足發(fā)展。離散單元可以分為兩大類:顆粒離散元單元和塊體離散單元。顆粒離散單元計(jì)算速度快，但代表性差；塊體離散單元可模擬任意形狀，但計(jì)算效率不高。圓化多面體離散單元法取了兩者的優(yōu)點(diǎn)。基本思想是將塊體的邊、角圓化，則可以用類似顆粒離散單元的接觸力計(jì)算方法來進(jìn)行圓角化的塊體接觸力計(jì)算。

目前，英國A.MUNJIZA教授提出了基于勢函數(shù)法的可變形離散單元FDEM，結(jié)合離散單元法與有限單元法解決了可變形離散單元問題。但是沒有考慮單元的圓角化，并且工程實(shí)際中的離散單元塊體并不是一直保持著有棱角的狀態(tài)，會隨著磨損的增加，塊體棱角出現(xiàn)磨碎，圓角化的離散單元更加符合工程實(shí)際,但是目前圓角化的離散單元法并沒有考慮可變形，因此不完全符合工程實(shí)際。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種可變形三維任意圓化凸多面體塊體離散單元法，解決三維任意凸多面體可變形離散單元接觸力計(jì)算的問題，改善離散單元法的不足。本發(fā)明的方法解決了現(xiàn)有技術(shù)中圓化多面體離散單元不可變形，使數(shù)值模擬更加符合實(shí)際。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供了一種可變形三維任意圓化凸多面體塊體離散單元法，包括以下步驟：

步驟一，選取研究對象，建立可變形離散單元系統(tǒng)的模型，可變形離散單元系統(tǒng)包括：多個離散單元以及將離散單元剖分網(wǎng)格后形成的有限單元；

步驟二，確定模型信息的時間步長Δt；

步驟三，在當(dāng)前時刻t，對離散單元外圍一層的網(wǎng)格單元進(jìn)行接觸檢測，將其中一個離散單元外圍一層產(chǎn)生接觸的網(wǎng)格單元定義為目標(biāo)單元，與之接觸的離散單元外圍一層的網(wǎng)格單元則定義為接觸單元；

步驟四，在當(dāng)前時間步，確定接觸單元與目標(biāo)單元，判斷圓化多面體的接觸方式，采用三維圓化多面體離散單元法，計(jì)算當(dāng)前時間步作用于目標(biāo)單元與接觸單元的總法向接觸力和總切向接觸力；

步驟五，將步驟四計(jì)算得出的接觸力的合力用形函數(shù)轉(zhuǎn)化成網(wǎng)格單元當(dāng)前時刻荷載的等效節(jié)點(diǎn)力矢量

步驟六，根據(jù)步驟五計(jì)算得出的載荷的等效節(jié)點(diǎn)力矢量，求解系統(tǒng)增量形式的動力控制方程，得到下一時刻t+Δt有限單元的位移；

步驟七，根據(jù)步驟六中有限單元的位移，更新每個網(wǎng)格單元頂點(diǎn)的坐標(biāo)，完成當(dāng)前時刻的計(jì)算；

步驟八，重復(fù)步驟二至七計(jì)算下一時間步，直至計(jì)算完所有時間步。

進(jìn)一步的，所述步驟一中，計(jì)算時間步長Δt須滿足：

Δt＝min(Δt_D,Δt_s)