[發(fā)明專利]大規(guī)模顆粒材料內(nèi)部應(yīng)力及破碎模擬分析方法和裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010917113.3
• 申請(qǐng)日: 2020-09-03
• 公開（公告）號(hào): CN112084647B
• 公開（公告）日: 2022-04-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王橋;劉彪;周偉;岳強(qiáng);黃誠斌;馬剛;姬翔;田文祥;黃康橋;劉搖;張思凡
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/20
• 分類號(hào): G06F30/20;G06F30/25;G06F17/16;G06F17/11;G06F119/14
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 張宇

本發(fā)明公開了一種大規(guī)模顆粒材料內(nèi)部應(yīng)力及破碎模擬分析方法和裝置，屬于顆粒破碎技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明基于連續(xù)離散耦合基本思想，將邊界元法和離散元法相結(jié)合進(jìn)行大規(guī)模顆粒破碎研究，能夠利用邊界元法進(jìn)行顆粒內(nèi)部應(yīng)力計(jì)算分析，并結(jié)合連續(xù)介質(zhì)力學(xué)斷裂理論，霍克布朗準(zhǔn)則判斷顆粒是否發(fā)生破碎。此外，在利用邊界元進(jìn)行內(nèi)部應(yīng)力模擬時(shí)，對(duì)于形狀相似的顆粒集合體，例如：圓形顆粒，本發(fā)明只需計(jì)算一個(gè)顆粒的系數(shù)矩陣，其他相似顆粒通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和系數(shù)縮放獲得系數(shù)矩陣，大大提高了計(jì)算效率。本發(fā)明還進(jìn)行了圓形堆石料的內(nèi)部應(yīng)力模擬，并證明其有效性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于顆粒破碎技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種大規(guī)模顆粒材料內(nèi)部應(yīng)力及破碎模擬分析方法和裝置。

背景技術(shù)

顆粒材料作為一種重要的建筑材料，在工程中得以廣泛的應(yīng)用，例如堆石壩的主要填筑材料為堆石體，以及工民建工程中常見的砂礫石材料。由于外力作用，顆粒材料內(nèi)部經(jīng)常處于高應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致顆粒發(fā)生破碎，進(jìn)而使得顆粒集合體的級(jí)配發(fā)生改變，影響顆粒集合體的宏細(xì)觀力學(xué)性質(zhì)。因此研究顆粒破碎的力學(xué)機(jī)制是十分必要的。然而受到顆粒材料尺寸和位置的影響，物理實(shí)驗(yàn)很難還原顆粒材料的原位力學(xué)機(jī)制分析，因而顆粒材料的數(shù)值模擬方法廣受歡迎。其中，連續(xù)離散耦合方法逐漸成為一種科學(xué)的顆粒破碎數(shù)值分析手段，連續(xù)離散耦合方法主要基于有限元法，計(jì)算成本非常高。

目前所存在的離散元法，在模擬顆粒集合體相互作用時(shí)，一般將顆粒視為剛性體，無法計(jì)算顆粒內(nèi)部應(yīng)力大小，故而采用最大接觸力原則或者設(shè)置應(yīng)力閾值進(jìn)行顆粒破碎判斷準(zhǔn)則，均由經(jīng)驗(yàn)所得，理論依據(jù)薄弱。而對(duì)于現(xiàn)有的連續(xù)離散耦合方法，如有限元-離散元耦合法，比例邊界有限元-離散元耦合法，能夠利用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中較為成熟的斷裂理論進(jìn)行顆粒破碎的判斷，但計(jì)算效率一般較低。

對(duì)于重力等體積力引起的域積分，需要進(jìn)一步處理，否則將使得邊界元喪失降維的優(yōu)勢(shì)，目前采用的域積分處理方法主要有：雙互易法(Dual Reciprocity Method，DRM)，在DRM中，非齊次項(xiàng)可以用徑向基函數(shù)(Radial basis function，RBF)等一系列函數(shù)來逼近，并應(yīng)用第二個(gè)互易性將域積分轉(zhuǎn)化為邊界積分。只有域或邊界上的點(diǎn)需要提供由非齊次項(xiàng)表述的信息。然而，DRM的精度在很大程度上取決于域點(diǎn)的分布和位置，以及用于近似非齊次項(xiàng)的函數(shù)類型。此外，復(fù)雜域中的點(diǎn)的排列可能不容易，特別是對(duì)于三維問題。類似于DRM的方法是多重互易法(Multiple Reciprocity Method，MRM)，其中互易定理通過一系列高階基本解反復(fù)應(yīng)用，將域積分轉(zhuǎn)化為邊界。另一種方法是特殊解方法(PropensityScore Matching，PSM)，其中構(gòu)造了一個(gè)近似的特殊解，而不是在DRM中執(zhí)行第二個(gè)互易性將域積分轉(zhuǎn)化為邊界積分。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提出了一種大規(guī)模顆粒材料內(nèi)部應(yīng)力及破碎模擬分析方法和裝置，具有極高的準(zhǔn)確性和有效性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種大規(guī)模顆粒材料內(nèi)部應(yīng)力及破碎模擬分析方法，包括：

S1：利用顆粒相互作用求解器進(jìn)行大規(guī)模顆粒集合體相互作用的模擬計(jì)算；

S2：將顆粒相互作用求解器中某一時(shí)間步的計(jì)算結(jié)果導(dǎo)出，在顆粒內(nèi)部應(yīng)力求解器中，利用建模軟件建立待求解顆粒的幾何模型，輸入從顆粒相互作用求解器中導(dǎo)出的待求解顆粒模型的材料參數(shù)、網(wǎng)格化分?jǐn)?shù)、網(wǎng)格類型以及邊界條件，然后利用邊界元法輸出待求解顆粒幾何模型的內(nèi)部應(yīng)力；

S3：將每一個(gè)顆粒邊界上受到的集中力等效為邊界上的面力；

S4：建立控制方程，并由控制方程得到位移邊界積分方程；

S5：將位移邊界積分方程中體積力導(dǎo)致的域積分轉(zhuǎn)化為邊界積分；

S6：分別對(duì)每一個(gè)顆粒建立局部坐標(biāo)系，并對(duì)相似顆粒計(jì)算轉(zhuǎn)換矩陣；

S7：對(duì)單顆粒邊界積分方程進(jìn)行離散，劃分邊界單元，并在域內(nèi)布置節(jié)點(diǎn)；