[發明專利]一種濕度運移和干縮開裂的三維數值模擬方法

在審

• 申請號: 202111016001.1
• 申請日: 2021-08-31
• 公開（公告）號: CN113722960A
• 公開（公告）日: 2021-11-30
• 發明（設計）人: 嚴成增
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（武漢）
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 武漢知產時代知識產權代理有限公司 42238
• 代理人: 萬文廣

本發明提供一種濕度運移和干縮開裂的三維數值模擬方法，將求解域劃分為若干個多面體實體單元，在相鄰多面體實體單元間可選擇地設置公共單元，根據實體單元內節點之間的濕度傳遞計算每一實體單元內的每一節點的水分質量流量，獲得每一節點總的水分質量流量；根據有限差分積分策略更新每一節點的濕度，用每一實體單元中的各個節點的濕度來表示實體單元的濕度分布，計算收縮應力，將收縮應力作為體荷載施加在實體單元上計算應力場；將斷裂的公共單元刪除，要分離的公共面兩側的實體單元進行分離，直至完成濕度運移和干縮開裂模擬。本發明提出的技術方案的有益效果是：能夠對土體或其他材料中的濕度運移和干縮開裂進行三維數值模擬。

技術領域

本發明涉及土木工程、巖土工程、地質工程技術領域，尤其涉及一種濕度運移和干縮開裂的三維數值模擬方法。

背景技術

土體或其他材料中的濕度運移及干縮開裂問題涉及土木工程、巖土工程、地質工程等工程應用問題。隨著計算機硬件的發展及計算仿真技術的發展，采用數值模擬方法逐漸成為濕度運移和干縮開裂分析計算的有力工具。目前，求解濕度運移和干縮開裂問題的主要計算方法是有限元和離散元方法兩種。其中有限元方法能夠較好地模擬濕度運移，但對裂縫的起裂、擴展及交匯等難以處理。離散元方法又分為塊體離散元和顆粒離散元。其中塊體離散元要求對整個求解域進行完整切割，雖然可以對各種非連續問題進行求解，但難以處理塊體內部的裂縫的起裂、擴展和交匯；而顆粒離散元，則因為細觀輸入參數無法直接試驗測得的材料參數對應，需要對輸入參數進行繁瑣的標定。因此，上述這些方法在模擬土體或其他材料中的濕度運移及干縮開裂問題方面仍然存在很多問題。

發明內容

有鑒于此，為解決上述問題，本發明的實施例提供了一種濕度運移和干縮開裂的三維數值模擬方法。

本發明的實施例提供一種濕度運移和干縮開裂的三維數值模擬方法，包括以下步驟：

S1通過網格劃分將求解域劃分為若干個多面體實體單元；

S2在相鄰所述實體單元間可選擇地設置公共單元；

S3根據所述實體單元內節點之間的濕度傳遞計算每一所述實體單元內的每一節點的水分質量流量；

S4將步驟S2設置的公共單元視為不存在，然后進行濕度運移計算；根據所述實體單元內每一節點的水分質量流量，獲得每一節點總的水分質量流量；根據有限差分積分策略，利用每一節點總的水分質量流量更新每一節點的濕度，用每一所述實體單元中的各個節點的濕度來表示該實體單元的濕度分布，完成整個所述求解域的濕度運移的三維數值模擬；

S5根據所述實體單元的濕度分布計算收縮應力；

S6將收縮應力作為體荷載施加在所述實體單元上計算應力場；

S7對于設有公共單元的實體單元，根據應力場判斷公共單元是否斷裂；對于未設有公共單元的實體單元，根據應力場計算實體單元公共面的拉應力和剪應力，確定公共面兩側的實體單元是否要發生分離；

S8將斷裂的公共單元刪除，要分離的公共面兩側的實體單元進行分離，循環重復步驟S1-S8，直至完成濕度運移和干縮開裂模擬。

進一步地，步驟S3包括以下步驟：

S3.1根據高斯散度定理，求得所述多面體實體單元內的濕度梯度，濕度梯度為：

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

S3.2設多面體實體單元內的濕度運移與濕度梯度成正比關系，通過濕度梯度得到單位時間內沿著i方向單位截面積的水的質量流量m_i為：