一种生成不同土石混合比的数值试验方法
【专利摘要】本发明公开了一种生成不同土石混合比的数值试验方法，首先生成单元数是N*N的Flac3d模型。确定土石混合比后，将初始的模型单元分为由土体和石块组成，并将其写入到Flac3d计算文件中去。采用Flac3d软件进行数值试验，通过统计轴向荷载和轴向位移模拟试验曲线。本发明不仅可以解决模型建立问题，克服真实试验参数研究中取样困难、试样扰动、结果离散性大等问题，同时具有采用有限差分法建模方便、收敛速度快等优点，可以很好地为工程数值模拟提供服务，具有很强的实用性。
【专利说明】
-种生成不同±石混合比的数值试验方法
技术领域
[0001] 本发明属于±木工程数值分析领域，具体设及一种生成不同±石混合比的数值试 验方法。
【背景技术】
[0002] 堆积体属于一种非连续、不均匀的二元介质，它是介于±体与岩体之间的一种特 殊地质体，目前人们对于它的研究还处于探索之中。堆积体力学性质不仅取决于±与石的 物理力学特性，更受控于其内部结构特征，诸如±石混合比、石块级配、石块形状、石块倾向 等因素均对堆积体力学性能有较大影响。而实验室确定堆积体物理力学参数存在取样扰 动、各试样±石混合特征不一致、实验误差大等缺点，造成试验结果离散性较大，规律性不 强。更重要的，实验室试块受尺度限制，不能很好的反映±石混合特征对堆积体物理力学性 质的影响。
[0003] 通过数值方法研究堆积体参数近年来发展比较迅速，该类方法能很好的克服真实 试验参数研究中取样困难、试样扰动、结果离散性大、试验尺度相较于堆积体内部结构尺度 偏小等问题。数值方法研究堆积体参数存在两大问题：（1)模型建立问题，即根据堆积体各 项内部结构参数（如:±石混合比、石块级配、石块形状、石块倾向等）生成符合数值试验要 求的堆积体试块;（2)采用何种数值计算手段模拟真实的堆积体参数试验。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有技术的不足，提供了一种生成不同±石混合比的数值试验方法， 建模方便，收敛速度快。
[0005] 本发明采用W下技术方案：
[0006] -种生成不同±石混合比的数值试验方法，包括W下步骤：
[0007] 第一步:生成单元数是N*N的Flac3d模型：定义模型单元数是由N*N个方格构成，模 型的尺寸为l*l*l/N(m)，对单元结点坐标和每个单元对应的结点进行编号并赋初始值，将 赋值完成的结点坐标写入文件化ac化re. f lac3d中；
[000引第二步:将初始的模型单元分为由±体和石块组成，并依次将结点及其对应的坐 标、单元及其对应的结点编号写入Flac3d计算文件中，生成不同±石混合比的数值模型；
[0009] 第=步:将构建好的Flac3d文件导入Flac3d软件，进行分组，并对分组后的模型赋 参数，设置边界条件，将模型的y方向顶部和底部进行约束，然后施加围压，按位移方式进行 加载，统计每一计算步中轴向荷载和轴向位移，模拟试验曲线。
[0010] 作为优选，第一步对模型单元和结点进行编号包括W下步骤:单元编号是从最底 层开始从左至右依次增大，则第j行i列的单元号是N*j+i，每个单元对应8结点，其对应的坐 标是 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] 作为优选，第一步对模型主视图上单元结点坐标进行赋值包括W下步骤:设置第j 行 i列的结点x，y，z坐标分别是 1.0*i/(N-l)，a[N*j+i]U] = 1.0*j/(N-l)，aW*j+i][2] = 0.0,对模型背面上单元结点坐标进行赋值，其规律特点是第j行i列的结点x，y，z坐标分别 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]作为优选，第二步是在Flac3d模型上随机挑选出sum个单元，将其属性定义为± 体，通过改变S皿的值改变±石混合比，生成不同的数值模型。
[0013]作为优选，第S步采用mo虹-coulomb本构模型进行数值计算。
[0014] 有益效果：本发明通过确定±石混合比，快速生成不同±石混合比模型，并通过 Flac3d进行数值试验模拟，不仅可W解决模型建立问题，克服真实试验参数研究中取样困 难、试样扰动、结果离散性大等问题，同时采用有限差分法建模方便、收敛速度快。
【附图说明】
[0015] 图1是本发明的设计流程图；
[0016] 图2是Flac3d六面块体网格；
[0017] 图3是±石混合体含石量为50 %模型图；
[0018] 图4是±石混合体含石量为60%模型图；
[0019] 图5是±石混合体含石量为90 %模型图；
[0020] 图6是不同±石混合比轴向应力和轴向应变关系图。
【具体实施方式】
[0021 ]下面结合附图与【具体实施方式】对本发明进行详细说明：
[0022] -种生成不同±石混合比的数值试验方法，如图1所示，包括W下步骤：
[0023] 第一步:生成单元数是N*N的Flac3d模型，模型的尺寸为l*l*l/N(m)。具体如下：
[0024] a对模型单元和结点进行编号，单元编号规律是从最底层开始从左至右依次增大， 则第j行i列的单元号是N* j+i，每个单元对应8结点，其对应的坐标是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对模型主视图上单元结点坐标进行赋值，其规律特点是第j行i列的结点x，y，z坐 标分别是 l.〇*i/(N-l)，a阳*j+i][l] = 1.0*j/(N-l)，a[N*j+i][2]=0.0，对模型背面上单 元结点坐标进行赋值，其规律特点是第j行i列的结点x，y，z坐标分别是1.0*i/(N-l)，a阳*j +i][l] = 1.0*j/(N-l)，a[N*j+i][2] = 1.0/(N-l)。
[0026] 上述步骤采用打吾言编程完成，如图2所示，Flac3d模型结点有独特的排列格式，对 单元结点坐标和每个单元对应的结点赋初始值，用数组a[2*N*N] [3] = {0巧日node阳*N] [8] =W表示。
[0027] 首先对模型主视图上单元结点坐标进行赋值，其编程如下：
[0028
[0029
[0030
[0031
[0032] 最后，将赋值完成的结点坐标写入文件Frac化re.flac3d中，由于Flac3d有着自己 的数据格式，编程完成如下：
[0033
[0034
[0035] 第二步:将初始的模型单元分为由±体和石块组成，并将其写入Flac3d计算文件 中，通过改变S皿的值可W改变±石混合比，生成不同±石混合比的数值模型。具体如下：
[0036] 首先写入结点及其对应的坐标，然后写入单元及其对应的结点编号，最后进行分 组，确定±石混合比，采用随机分布进行分组(在第一步生成的模型基础上随机挑选出sum 个单元，在后续的处理中将其属性定义为±体），为避免重复选取单元，使用递归思想将重 复的单元重新选取。
[0037] 具体编程如下：
[0038
[0039]
[0040] 第=步:将构建好的Flac3d文件导入Flac3d软件，采用Flac3d软件进行数值试验， 通过统计轴向荷载和轴向位移模拟试验曲线。具体如下：
[0041] 首先将FLAC3d文件导入模型FLAC3d软件中，进行分组，并对分组后的模型赋参数。 选取用mo虹-coulomb本构模型。
[0042] 然后设置边界条件，将模型的y方向顶部和底部进行约束，然后施加围压，按位移 方式进行加载。
[0043] 最后统计每一计算步中轴向荷载和轴向位移，绘制出应力~位移试验曲线。
[0044] 应用实例：将上述方法应用到±石混合体模型，其中石块的参数为：体积模量 25Gpa，剪切模量12Gpa，密度2900kg/m3，黏聚力为4Gpa，摩擦角45°，抗拉强度2Mpa，剪胀角 15° ;±体的参数为:体积模量40Mpa，剪切模量15Mpa，密度2200kg/m3，黏聚力为0.0 SMpa，摩 擦角28°，抗拉强度9Kpa，剪胀角10°。
[0045] 具体步骤如下：
[0046] (1)按上述方法通过打吾言编程生成不同±石混合比模型。
[0047] (2)将生成的模型导入Flac3d软件，采用mohr-coulomb本拘模型，加载速率为5* l(T5m/step加载。计算过程中，统计轴向荷载和轴向位移。如图3-5所示，分别是±石混合体 含石量为50 %、60 %和90 %的模型图。
[0048] (3)将步骤(2)的结果出图显示，如图6所示，显示轴向应力~轴向应变关系。
【主权项】
1. 一种生成不同土石混合比的数值试验方法，其特征在于，包括以下步骤： 第一步:生成单元数是N*N的Flac3d模型：定义模型单元数是由N*N个方格构成，模型的 尺寸为l*l*l/N(m)，对单元结点坐标和每个单元对应的结点进行编号并赋初始值，将赋值 完成的结点坐标写入文件Fracture · flac3d中； 第二步:将初始的模型单元分为由土体和石块组成，并依次将结点及其对应的坐标、单 元及其对应的结点编号写入Flac3d计算文件中，生成不同土石混合比的数值模型； 第三步：将构建好的Flac3d文件导入Flac3d软件，进行分组，并对分组后的模型赋参 数，设置边界条件，将模型的y方向顶部和底部进行约束，然后施加围压，按位移方式进行加 载，统计每一计算步中轴向荷载和轴向位移，模拟试验曲线。2. 根据权利要求1所述的生成不同土石混合比的数值试验方法，其特征在于，第一步对 模型单元和结点进行编号包括以下步骤:单元编号是从最底层开始从左至右依次增大，则 第j行i列的单元号是N*j+i，每个单元对应8结点，其对应的坐标是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. 根据权利要求2所述的生成不同土石混合比的数值试验方法，其特征在于，第一步对 模型主视图上单元结点坐标进行赋值包括以下步骤:设置第j行i列的结点x，y，z坐标分别 是1.0*i/(N-l)，a[N*j+i][l] = l .0*j/(N-l)，a[N*j+i][2]=0.0,对模型背面上单元结点 坐标进行赋值，其规律特点是第]_行1列的结点x，y，z坐标分别是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. 根据权利要求1所述的生成不同土石混合比的数值试验方法，其特征在于，第二步是 在Flac3d模型上随机挑选出sum个单元，将其属性定义为土体，通过改变sum的值改变土石 混合比，生成不同的数值模型。5. 根据权利要求1所述的生成不同土石混合比的数值试验方法，其特征在于，第三步采 用mohr-coulomb本构模型进行数值计算。
【文档编号】G06F17/50GK105956314SQ201610323741
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】王苏生, 徐卫亚, 王如宾, 孙梦成, 林志南
【申请人】河海大学