一種生成不同土石混合比的數值試驗方法
【專利摘要】本發明公開了一種生成不同土石混合比的數值試驗方法，首先生成單元數是N*N的Flac3d模型。確定土石混合比后，將初始的模型單元分為由土體和石塊組成，并將其寫入到Flac3d計算文件中去。采用Flac3d軟件進行數值試驗，通過統計軸向荷載和軸向位移模擬試驗曲線。本發明不僅可以解決模型建立問題，克服真實試驗參數研究中取樣困難、試樣擾動、結果離散性大等問題，同時具有采用有限差分法建模方便、收斂速度快等優點，可以很好地為工程數值模擬提供服務，具有很強的實用性。
【專利說明】
-種生成不同±石混合比的數值試驗方法
技術領域
[0001] 本發明屬于±木工程數值分析領域，具體設及一種生成不同±石混合比的數值試 驗方法。
【背景技術】
[0002] 堆積體屬于一種非連續、不均勻的二元介質，它是介于±體與巖體之間的一種特 殊地質體，目前人們對于它的研究還處于探索之中。堆積體力學性質不僅取決于±與石的 物理力學特性，更受控于其內部結構特征，諸如±石混合比、石塊級配、石塊形狀、石塊傾向 等因素均對堆積體力學性能有較大影響。而實驗室確定堆積體物理力學參數存在取樣擾 動、各試樣±石混合特征不一致、實驗誤差大等缺點，造成試驗結果離散性較大，規律性不 強。更重要的，實驗室試塊受尺度限制，不能很好的反映±石混合特征對堆積體物理力學性 質的影響。
[0003] 通過數值方法研究堆積體參數近年來發展比較迅速，該類方法能很好的克服真實 試驗參數研究中取樣困難、試樣擾動、結果離散性大、試驗尺度相較于堆積體內部結構尺度 偏小等問題。數值方法研究堆積體參數存在兩大問題：（1)模型建立問題，即根據堆積體各 項內部結構參數（如:±石混合比、石塊級配、石塊形狀、石塊傾向等）生成符合數值試驗要 求的堆積體試塊;（2)采用何種數值計算手段模擬真實的堆積體參數試驗。
【發明內容】
[0004] 本發明針對現有技術的不足，提供了一種生成不同±石混合比的數值試驗方法， 建模方便，收斂速度快。
[0005] 本發明采用W下技術方案：
[0006] -種生成不同±石混合比的數值試驗方法，包括W下步驟：
[0007] 第一步:生成單元數是N*N的Flac3d模型：定義模型單元數是由N*N個方格構成，模 型的尺寸為l*l*l/N(m)，對單元結點坐標和每個單元對應的結點進行編號并賦初始值，將 賦值完成的結點坐標寫入文件化ac化re. f lac3d中；
[000引第二步:將初始的模型單元分為由±體和石塊組成，并依次將結點及其對應的坐 標、單元及其對應的結點編號寫入Flac3d計算文件中，生成不同±石混合比的數值模型；
[0009] 第=步:將構建好的Flac3d文件導入Flac3d軟件，進行分組，并對分組后的模型賦 參數，設置邊界條件，將模型的y方向頂部和底部進行約束，然后施加圍壓，按位移方式進行 加載，統計每一計算步中軸向荷載和軸向位移，模擬試驗曲線。
[0010] 作為優選，第一步對模型單元和結點進行編號包括W下步驟:單元編號是從最底 層開始從左至右依次增大，則第j行i列的單元號是N*j+i，每個單元對應8結點，其對應的坐 標是 N*(j-l)+i，N*(j-l)+i+l;N*(j-l)+i+N，N*(j-l)+i+N+l，N*N+N*(j-l)+i，N*N+N*(j-l) +i+l，N^+N*(j-l)+i+N，N^+N*(j-l)+i+r^+l。
[0011] 作為優選，第一步對模型主視圖上單元結點坐標進行賦值包括W下步驟:設置第j 行 i列的結點x，y，z坐標分別是 1.0*i/(N-l)，a[N*j+i]U] = 1.0*j/(N-l)，aW*j+i][2] = 0.0,對模型背面上單元結點坐標進行賦值，其規律特點是第j行i列的結點x，y，z坐標分別 是 1.0*i/(N-l)，a[N*j+i][l] = 1.0*j/(N-l)，a[N*j+i][2] = 1.0/(N-l)。
[0012]作為優選，第二步是在Flac3d模型上隨機挑選出sum個單元，將其屬性定義為± 體，通過改變S皿的值改變±石混合比，生成不同的數值模型。
[0013]作為優選，第S步采用mo虹-coulomb本構模型進行數值計算。
[0014] 有益效果：本發明通過確定±石混合比，快速生成不同±石混合比模型，并通過 Flac3d進行數值試驗模擬，不僅可W解決模型建立問題，克服真實試驗參數研究中取樣困 難、試樣擾動、結果離散性大等問題，同時采用有限差分法建模方便、收斂速度快。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發明的設計流程圖；
[0016] 圖2是Flac3d六面塊體網格；
[0017] 圖3是±石混合體含石量為50 %模型圖；
[0018] 圖4是±石混合體含石量為60%模型圖；
[0019] 圖5是±石混合體含石量為90 %模型圖；
[0020] 圖6是不同±石混合比軸向應力和軸向應變關系圖。
【具體實施方式】
[0021 ]下面結合附圖與【具體實施方式】對本發明進行詳細說明：
[0022] -種生成不同±石混合比的數值試驗方法，如圖1所示，包括W下步驟：
[0023] 第一步:生成單元數是N*N的Flac3d模型，模型的尺寸為l*l*l/N(m)。具體如下：
[0024] a對模型單元和結點進行編號，單元編號規律是從最底層開始從左至右依次增大， 則第j行i列的單元號是N* j+i，每個單元對應8結點，其對應的坐標是N* (j-1)+i，N* (j-1)+i +l;N*(j-l)+i+N，N*(j-l)+i+N+l，N*N+N*(j-l)+i，N*N+N*(j-l)+i+l，N*N+N*(j-l)+i+N，N* 化卿（j-l)+i+化 I;
[0025] b對模型主視圖上單元結點坐標進行賦值，其規律特點是第j行i列的結點x，y，z坐 標分別是 l.〇*i/(N-l)，a陽*j+i][l] = 1.0*j/(N-l)，a[N*j+i][2]=0.0，對模型背面上單 元結點坐標進行賦值，其規律特點是第j行i列的結點x，y，z坐標分別是1.0*i/(N-l)，a陽*j +i][l] = 1.0*j/(N-l)，a[N*j+i][2] = 1.0/(N-l)。
[0026] 上述步驟采用打吾言編程完成，如圖2所示，Flac3d模型結點有獨特的排列格式，對 單元結點坐標和每個單元對應的結點賦初始值，用數組a[2*N*N] [3] = {0巧日node陽*N] [8] =W表示。
[0027] 首先對模型主視圖上單元結點坐標進行賦值，其編程如下：
[0028
[0029
[0030
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[0032] 最后，將賦值完成的結點坐標寫入文件Frac化re.flac3d中，由于Flac3d有著自己 的數據格式，編程完成如下：
[0033
[0034
[0035] 第二步:將初始的模型單元分為由±體和石塊組成，并將其寫入Flac3d計算文件 中，通過改變S皿的值可W改變±石混合比，生成不同±石混合比的數值模型。具體如下：
[0036] 首先寫入結點及其對應的坐標，然后寫入單元及其對應的結點編號，最后進行分 組，確定±石混合比，采用隨機分布進行分組(在第一步生成的模型基礎上隨機挑選出sum 個單元，在后續的處理中將其屬性定義為±體），為避免重復選取單元，使用遞歸思想將重 復的單元重新選取。
[0037] 具體編程如下：
[0038
[0039]
[0040] 第=步:將構建好的Flac3d文件導入Flac3d軟件，采用Flac3d軟件進行數值試驗， 通過統計軸向荷載和軸向位移模擬試驗曲線。具體如下：
[0041] 首先將FLAC3d文件導入模型FLAC3d軟件中，進行分組，并對分組后的模型賦參數。 選取用mo虹-coulomb本構模型。
[0042] 然后設置邊界條件，將模型的y方向頂部和底部進行約束，然后施加圍壓，按位移 方式進行加載。
[0043] 最后統計每一計算步中軸向荷載和軸向位移，繪制出應力~位移試驗曲線。
[0044] 應用實例：將上述方法應用到±石混合體模型，其中石塊的參數為：體積模量 25Gpa，剪切模量12Gpa，密度2900kg/m3，黏聚力為4Gpa，摩擦角45°，抗拉強度2Mpa，剪脹角 15° ;±體的參數為:體積模量40Mpa，剪切模量15Mpa，密度2200kg/m3，黏聚力為0.0 SMpa，摩 擦角28°，抗拉強度9Kpa，剪脹角10°。
[0045] 具體步驟如下：
[0046] (1)按上述方法通過打吾言編程生成不同±石混合比模型。
[0047] (2)將生成的模型導入Flac3d軟件，采用mohr-coulomb本拘模型，加載速率為5* l(T5m/step加載。計算過程中，統計軸向荷載和軸向位移。如圖3-5所示，分別是±石混合體 含石量為50 %、60 %和90 %的模型圖。
[0048] (3)將步驟(2)的結果出圖顯示，如圖6所示，顯示軸向應力~軸向應變關系。
【主權項】
1. 一種生成不同土石混合比的數值試驗方法，其特征在于，包括以下步驟： 第一步:生成單元數是N*N的Flac3d模型：定義模型單元數是由N*N個方格構成，模型的 尺寸為l*l*l/N(m)，對單元結點坐標和每個單元對應的結點進行編號并賦初始值，將賦值 完成的結點坐標寫入文件Fracture · flac3d中； 第二步:將初始的模型單元分為由土體和石塊組成，并依次將結點及其對應的坐標、單 元及其對應的結點編號寫入Flac3d計算文件中，生成不同土石混合比的數值模型； 第三步：將構建好的Flac3d文件導入Flac3d軟件，進行分組，并對分組后的模型賦參 數，設置邊界條件，將模型的y方向頂部和底部進行約束，然后施加圍壓，按位移方式進行加 載，統計每一計算步中軸向荷載和軸向位移，模擬試驗曲線。2. 根據權利要求1所述的生成不同土石混合比的數值試驗方法，其特征在于，第一步對 模型單元和結點進行編號包括以下步驟:單元編號是從最底層開始從左至右依次增大，則 第j行i列的單元號是N*j+i，每個單元對應8結點，其對應的坐標是N*( j-l)+i，N*( j-l)+i+ l;N*(j-l)+i+N，N*(j-l)+i+N+l，N*N+N*(j-l)+i，N*N+N*(j-l)+i+l，N*N+N*(j-l)+i+N，N*N +N*(j_l)+i+N+l。3. 根據權利要求2所述的生成不同土石混合比的數值試驗方法，其特征在于，第一步對 模型主視圖上單元結點坐標進行賦值包括以下步驟:設置第j行i列的結點x，y，z坐標分別 是1.0*i/(N-l)，a[N*j+i][l] = l .0*j/(N-l)，a[N*j+i][2]=0.0,對模型背面上單元結點 坐標進行賦值，其規律特點是第]_行1列的結點x，y，z坐標分別是1.0*i/(N-l)，a[N*j+i][l] = 1.0*j/(N-l)，a[N*j+i][2] = 1.0/(N-l)。4. 根據權利要求1所述的生成不同土石混合比的數值試驗方法，其特征在于，第二步是 在Flac3d模型上隨機挑選出sum個單元，將其屬性定義為土體，通過改變sum的值改變土石 混合比，生成不同的數值模型。5. 根據權利要求1所述的生成不同土石混合比的數值試驗方法，其特征在于，第三步采 用mohr-coulomb本構模型進行數值計算。
【文檔編號】G06F17/50GK105956314SQ201610323741
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月16日
【發明人】王蘇生, 徐衛亞, 王如賓, 孫夢成, 林志南
【申請人】河海大學