[發明專利]按指定級配孔隙率生成均質土樣的離散元土樣制備方法

在審

• 申請號: 202110662128.4
• 申請日: 2021-06-15
• 公開（公告）號: CN113361116A
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發明（設計）人: 曹軍;王康宇;李偉杰;陳振寰;陳澤敏;方伶聰;陳鈞
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 王兵

按指定級配空隙率生成均質土樣的離散元土樣制備方法，包括步驟1：確定顆粒數目，確定根據級配曲線的控制點分區段確定顆粒數目；步驟2單層制樣：首先將試樣按高度進行分層，通過步驟1按指定級配和孔隙率確定一層的顆粒數目，然后按兩層的尺寸生成六面墻，通過移動上下兩面墻來壓實顆粒；步驟3替換分層處顆粒：首先將步驟2確定的多層試樣進行組裝，為了消除組裝后層與層之間的分層現象，將上下兩層之間的顆粒刪除，復制下層中間顆粒來進行替換，之后運行足夠的步數使顆粒運動平衡。步驟4施加重力和摩擦力：通過步驟3得到所需尺寸的試樣后，最后施加重力和摩擦力，運行足夠的步數使土體在重力的作用下沉降固結。本發明可以按指定級配和孔隙率快速制得均質離散元土樣，計算效率高，能很好的模擬現實土體情況。

技術領域

本發明涉及巖土體離散元數值模擬技術領域，尤其涉及一種按指定級配孔隙率生成均質土樣的離散元土樣制備方法。

背景技術

現實中土體是一種散體材料，而離散元可以很好的模擬散體材料，所以離散元在巖土工程研究中得到廣泛的應用。離散元建模過程對離散元數值模擬的結果有很大影響，而制備土樣作為離散元建模的第一步就顯得尤為重要。對于初始土樣的制備現在主要的方法有半徑擴大法、分層壓實法和一次生成法等，這些方法雖然能制得比較均勻的土樣，但是都有各自的缺陷，半徑擴大法生成的孔隙率和土樣尺寸會有所改變；分層壓實法計算效率較低，并且生成的試樣分層現象非常明顯；一次生成法生成的土樣均質性很差。

發明內容

本發明的目的在于，針對在離散元建模過程中制備的土樣級配和孔隙率達不到要求以及顆粒分布不均勻計算效率低的問題，提供一種按指定級配空隙率生成均質土樣的離散元土樣制備方法。

本發明采用的技術方案是：按指定級配孔隙率生成均質土樣的離散元土樣制備方法，包括以下步驟：

步驟1：根據級配曲線的控制點分區段確定顆粒數目，具體為，根據試樣尺寸、孔隙率和級配曲線計算每一個區段顆粒的總體積，通過總體積得到區段顆粒總數目；在區段的粒徑范圍內隨機選取粒徑值，選取的次數為區段總顆粒數；重復此步驟確定所有區段的顆粒數目；

步驟2：將試樣按高度進行分層，每一層的高度在顆粒平均粒徑的20-30倍；單獨對每一層制備試樣，通過步驟1按指定級配和孔隙率確定一層的顆粒數目，然后按其兩層的尺寸生成六面墻，在六面墻圍成的長方體空間內給顆粒隨機確定一個位置；給顆粒賦予線性接觸，使離散元軟件運行2000-5000步，每一百步給顆粒的速度清零，讓顆粒緩慢彈開，之后再運行離散元軟件，直至顆粒運動速度接近零，使顆粒分散均勻；然后控制上下墻往中間移動，將顆粒壓縮到一層的空間內，之后墻體停止移動，運行離散元軟件使顆粒運動平衡，顆粒速度接近零；記錄這一層的顆粒半徑和位置坐標，刪除這層的顆粒和墻體；再重復以上步驟完成其他層的顆粒半徑和位置坐標的記錄；

步驟3：將步驟2確定的多層試樣進行組裝，通過改變層顆粒的Z軸坐標值按層進行疊加；為了消除組裝后層與層之間的分層現象，將上下兩層之間的顆粒刪除，復制更下一層的中間顆粒來進行替換，位于最下面分層處的顆粒則通過復制最高層中間處的顆粒進行替換；之后運行離散元軟件，直至顆粒運動速度接近零，使顆粒分散均勻；

步驟4：對步驟3得到試樣施加重力和摩擦力，運行離散元軟件，使土體在重力的作用下沉降固結，最終顆粒速度接近零。

進一步，步驟1中，為了簡化步驟，每一個區段顆粒直徑均勻分布。

進一步，步驟1中，區段顆粒總數目是通過該區段總體積除以該區段顆粒最大粒徑和最小粒徑的平均值得到。

進一步，步驟2中在六面墻圍成的長方體空間內給顆粒隨機確定一個位置，其具體步驟為：在X、Y、Z范圍內分別隨機選一個值，不考慮顆粒的重疊。

進一步，步驟4之前的重力摩擦力都是零。

本發明的有益效果是：

(1)本發明可以快速制得指定孔隙率和級配的均勻試樣。