[發(fā)明專利]一種濕度運(yùn)移和干縮開裂的三維數(shù)值模擬方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111016001.1
• 申請(qǐng)日: 2021-08-31
• 公開（公告）號(hào): CN113722960A
• 公開（公告）日: 2021-11-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 嚴(yán)成增
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 武漢知產(chǎn)時(shí)代知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 42238
• 代理人: 萬文廣

1.一種濕度運(yùn)移和干縮開裂的三維數(shù)值模擬方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1通過網(wǎng)格劃分將求解域劃分為若干個(gè)多面體實(shí)體單元；

S2在相鄰所述實(shí)體單元間可選擇地設(shè)置公共單元；

S3根據(jù)所述實(shí)體單元內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間的濕度傳遞計(jì)算每一所述實(shí)體單元內(nèi)的每一節(jié)點(diǎn)的水分質(zhì)量流量；

S4將步驟S2設(shè)置的公共單元視為不存在，然后進(jìn)行濕度運(yùn)移計(jì)算；根據(jù)所述實(shí)體單元內(nèi)每一節(jié)點(diǎn)的水分質(zhì)量流量，獲得每一節(jié)點(diǎn)總的水分質(zhì)量流量；根據(jù)有限差分積分策略，利用每一節(jié)點(diǎn)總的水分質(zhì)量流量更新每一節(jié)點(diǎn)的濕度，用每一所述實(shí)體單元中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的濕度來表示該實(shí)體單元的濕度分布，完成整個(gè)所述求解域的濕度運(yùn)移的三維數(shù)值模擬；

S5根據(jù)所述實(shí)體單元的濕度分布計(jì)算收縮應(yīng)力；

S6將收縮應(yīng)力作為體荷載施加在所述實(shí)體單元上計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)；

S7對(duì)于設(shè)有公共單元的實(shí)體單元，根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)判斷公共單元是否斷裂；對(duì)于未設(shè)有公共單元的實(shí)體單元，根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算實(shí)體單元公共面的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，確定公共面兩側(cè)的實(shí)體單元是否要發(fā)生分離；

S8將斷裂的公共單元?jiǎng)h除，要分離的公共面兩側(cè)的實(shí)體單元進(jìn)行分離，循環(huán)重復(fù)步驟S1-S8，直至完成濕度運(yùn)移和干縮開裂模擬。

2.如權(quán)利要求1所述的濕度運(yùn)移和干縮開裂的三維數(shù)值模擬方法，其特征在于，步驟S3包括以下步驟：

S3.1根據(jù)高斯散度定理，求得所述多面體實(shí)體單元內(nèi)的濕度梯度，濕度梯度為：

式中，w為濕度，V是多面體實(shí)體單元的面積，是多面體實(shí)體單元中節(jié)點(diǎn)l所對(duì)的面的單位外法向向量，w^l是多面體實(shí)體單元中節(jié)點(diǎn)l的溫度，S^(l)是多面體實(shí)體單元中節(jié)點(diǎn)l所對(duì)的面的面積；

S3.2設(shè)多面體實(shí)體單元內(nèi)的濕度運(yùn)移與濕度梯度成正比關(guān)系，通過濕度梯度得到單位時(shí)間內(nèi)沿著i方向單位截面積的水的質(zhì)量流量m_i為：

式中，k_ij為濕度傳導(dǎo)系數(shù)張量，w為濕度；

S3.3根據(jù)步驟S3.1和步驟S3.2，多面體實(shí)體單元流入節(jié)點(diǎn)l的水分質(zhì)量流量為：

3.如權(quán)利要求2所述的濕度運(yùn)移和干縮開裂的三維數(shù)值模擬方法，其特征在于，步驟S4包括以下步驟：

S4.1多面體實(shí)體單元流入節(jié)點(diǎn)l總的水分質(zhì)量流量為：

式中，T_i表示共用節(jié)點(diǎn)l的多面體實(shí)體單元；

S4.2在下個(gè)時(shí)間步Δt內(nèi)，節(jié)點(diǎn)l的濕度可以根據(jù)下式更新為：

式中，M_s是整個(gè)材料的干質(zhì)量。

4.如權(quán)利要求3所述的濕度運(yùn)移和干縮開裂的三維數(shù)值模擬方法，其特征在于，步驟S5中，收縮應(yīng)力的計(jì)算公式為：

Δσ_ij＝-δ_ij3KαΔw；

式中：Δσ_ij為收縮應(yīng)力，i＝1,2,3，j＝1,2,3，K為體積模量，α為收縮系數(shù)，Δw為濕度改變量，δ_ij為置換張量。

5.如權(quán)利要求1所述的濕度運(yùn)移和干縮開裂的三維數(shù)值模擬方法，其特征在于，步驟S6中，計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)可以采用有限元(FEM)、混合有限-離散元(FDEM)、離散元(DEM)、非連續(xù)變形分析(DDA)、數(shù)值流行(NMM)當(dāng)中的任意一種。

6.如權(quán)利要求1所述的濕度運(yùn)移和干縮開裂的三維數(shù)值模擬方法，其特征在于，步驟S1中，所述多面體實(shí)體單元可為N面體(N為自然數(shù)且大于或等于4)、三維voronoi中的一種或多種進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

7.如權(quán)利要求1所述的濕度運(yùn)移和干縮開裂的三維數(shù)值模擬方法，其特征在于，步驟S2中，相鄰所述多面體實(shí)體單元間的所述公共單元為節(jié)理單元、界面單元、cohesive單元中的一種。