[發(fā)明專利]基于SPH的溝床侵蝕性泥石流啟動(dòng)模擬方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010746725.0
• 申請(qǐng)日: 2020-07-29
• 公開（公告）號(hào): CN111881607A
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王碩楠;趙菲;宋麗娟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華北水利水電大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23
• 代理公司: 鄭州中原專利事務(wù)所有限公司 41109
• 代理人: 王曉麗

一種基于SPH的溝床侵蝕性泥石流啟動(dòng)模擬方法，包括以下步驟：（1）堆積區(qū)微觀力學(xué)參數(shù)的確定;（2）制作泥石流堆積體模型；（3）采用顆粒流程序SPH對(duì)步驟（2）泥石流堆積體的速度和位移進(jìn)行計(jì)算：將步驟（1）中的堆積區(qū)微觀力學(xué)參數(shù)寫入顆粒流程序SPH模擬代碼中，對(duì)其發(fā)生、發(fā)展的全過程進(jìn)行模擬。利用該方法對(duì)泥石流物源啟動(dòng)進(jìn)行模擬，能更清楚地看到不同的雨強(qiáng)影響下物源土體中顆粒運(yùn)動(dòng)情況及應(yīng)力分布狀況，分析該類型泥石流的啟動(dòng)機(jī)制，并可以進(jìn)一步的和室內(nèi)物理模型試驗(yàn)相結(jié)合來提高研究的精確性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于泥石流研究領(lǐng)域，具體地說涉及一種基于SPH的溝床侵蝕性泥石流啟動(dòng)模擬方法。

背景技術(shù)

形成泥石流的松散碎屑物質(zhì)多為礫石、砂礫、粉細(xì)砂和黏性土等混合而成的礫石土，具有散粒體的基本性質(zhì)。這種散粒體由于其中的顆粒是相互獨(dú)立的，具有離散型，因此特性較復(fù)雜，難以建立完美的本構(gòu)模型。在建立過程中，需要大量的試驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證和數(shù)據(jù)的提供。但是由于散粒體內(nèi)部的復(fù)雜性，給試驗(yàn)建立或驗(yàn)證本構(gòu)關(guān)系需要大量的物理試驗(yàn)。然而，由于松散介質(zhì)內(nèi)部的應(yīng)力很難直接測(cè)量，試驗(yàn)難度很大，只能采用實(shí)際和經(jīng)驗(yàn)公式來對(duì)邊界條件進(jìn)行粗略估算。因此在對(duì)其進(jìn)行模擬研究時(shí)，只能建立相對(duì)簡化的模型，來對(duì)其內(nèi)部變化進(jìn)行測(cè)定，比較常見的方式即把這些散粒體的組成看做圓盤或者小球，以此來建立模型用于模擬。

在巖土工程領(lǐng)域，以往在對(duì)泥石流進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，主要采用有限元軟件如PFC、FLO-2D等進(jìn)行模擬，將散粒體的運(yùn)動(dòng)形式采用以顆粒的微觀參數(shù)為基礎(chǔ)，然后利用材料力學(xué)的原理，將該問題的解決當(dāng)做數(shù)值求解的過程。

采用有限元軟件進(jìn)行模擬，其主流的數(shù)值模擬方法為FEM方法，歐拉Euler方法，任意拉格朗日-歐拉方法（Arbitrary Lagrangian-Eulerian, 簡稱ALE）等。

Lagrange有限元方法(Finite element method，簡稱FEM)但在計(jì)算大變形、多介質(zhì)問題時(shí)，因?yàn)榫W(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)伴隨著網(wǎng)格點(diǎn)上的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，所以相鄰節(jié)點(diǎn)一旦出現(xiàn)大的相會(huì)運(yùn)動(dòng)就可能遇到網(wǎng)格大畸變或滑移面處理等問題，最終導(dǎo)致計(jì)算精度降低甚至計(jì)算終斷；Euler法的邊界定義不夠精確，很難準(zhǔn)確描述物質(zhì)運(yùn)動(dòng)界面；ALE法對(duì)于網(wǎng)格劃分質(zhì)量要求很高，對(duì)于不規(guī)則的模型只能劃分為四面體網(wǎng)格，大大降低了計(jì)算精度，并且該方法的計(jì)算效率與Lagrange方法相比很低，且經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)速度溢出等問題。

發(fā)明內(nèi)容

由于泥石流流體具有離散性質(zhì)的特點(diǎn)，本發(fā)明采用離散元軟件如SPH來進(jìn)行模擬，即光滑粒子法，可以更好地從散粒介質(zhì)的細(xì)觀力學(xué)特征出發(fā)，通過一種非連續(xù)的數(shù)值方法來解決泥石流體含有復(fù)雜變形模式的實(shí)際問題。

本發(fā)明的目的在于提供一種基于SPH的溝床侵蝕性泥石流啟動(dòng)模擬方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：

一種基于SPH的溝床侵蝕性泥石流啟動(dòng)模擬方法，包括以下步驟：

（1）堆積區(qū)微觀力學(xué)參數(shù)的確定：利用SPH軟件對(duì)泥石流啟動(dòng)進(jìn)行顆粒流數(shù)值模擬，在強(qiáng)降雨引發(fā)松散碎屑物質(zhì)含水率改變以致力學(xué)行為發(fā)生變化的室內(nèi)試驗(yàn)基礎(chǔ)上得到室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，再進(jìn)行物源土體的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)得到三種不同圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，根據(jù)前兩者試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過反復(fù)測(cè)試調(diào)整，得到模擬中采用的堆積區(qū)微觀力學(xué)參數(shù)；

（2）制作泥石流堆積體模型：選取實(shí)際泥石流溝道堆積體作為模擬對(duì)象，根據(jù)實(shí)際溝床坡度設(shè)置模型溝床坡度形成堆積體坡面，選用沒有重疊的不規(guī)則排列的土體顆粒組，在重力加速度作用下下落到模型溝床的堆積坡面上，在堆積體初始密度和強(qiáng)度下經(jīng)循環(huán)后完成松散堆積體的堆積過程，讓土體顆粒在自重作用下計(jì)算達(dá)到平衡狀態(tài)，該平衡狀態(tài)為步驟（1）反復(fù)測(cè)試得到的堆積區(qū)的微觀力學(xué)參數(shù)，從而得到模擬泥石流堆積體的初始應(yīng)力場(chǎng)，泥石流堆積體形成的過程中在泥石流堆積體的上、中、下三個(gè)位置分別設(shè)置監(jiān)測(cè)小球，分別對(duì)泥石流堆積體上、中、下三個(gè)位置進(jìn)行速度和位移的監(jiān)測(cè)；