颗粒流与有限差分法耦合计算方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于颗粒物质力学和有限差分法的耦合计算方法，属于计算岩土力学【技术领域】。针对现有离散介质与连续介质计算模拟方法的局限性，采用颗粒流/有限差分网格表面任意位置耦合方法实现两种不同介质边界相互作用力的传递，并以牛顿第二定律为基础，分别对颗粒流和有限差分网格进行计算，建立了考虑离散介质-连续介质完全耦合的岩土材料计算模型。本发明能够有效地实现离散介质和连续介质边界耦合计算，可以多尺度分析岩土体的受力特性，同时有力推动了颗粒流和有限差分法在岩土工程【技术领域】的应用。
【专利说明】颗粒流与有限差分法耦合计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种离散介质与连续介质计算模拟方法，具体涉及一种颗粒流与有限 差分法耦合计算方法，属于计算岩土力学【技术领域】。 技术背景
[0002] 目前，在岩土力学数值计算领域，常用的方法有有限元法、有限差分法、颗粒流等 方法，有限元法和有限差分法将岩土体视为连续介质对其进行计算，只能对岩土体进行宏 观分析，不能对土体颗粒的细观特性进行分析；颗粒流法将岩土体视为离散体，针对岩土体 的细观特性进行分析，但考虑到空间尺度问题，颗粒半径与工程模型中最小结构的尺寸应 该保持一定的比例（内尺度一般取0. 01?0. 1)，这就造成颗粒流模型需要上百万的三维颗 粒，致使进行颗粒流法计算对计算机硬件要求很高，计算成本很大。因此，迫切需要一种切 实的计算方法使有限差分法和颗粒流法能够耦合计算，实现岩土体数值模拟计算过程中局 部采用颗粒流分析其细观特性，其余部分采用有限差分法进行分析，分析其整体的宏观特 性。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是针对当前岩土体数值模拟方法主要采用有限元、有限差分法、颗 粒流等单一方法进行模拟现状，以及有限元、有限差分法不能分析岩土体细观特性和颗粒 流法计算成本大的局限性，提出了一种颗粒流和有限差分法耦合算法，实现两种不同介质 边界相互作用力的传递，并以牛顿第二定律为基础，分别对颗粒流和有限差分网格进行计 算，建立了考虑离散介质-连续介质完全耦合的岩土材料计算模型。
[0004] 技术方案：本发明提出的颗粒流与有限差分法耦合计算方法，包括以下步骤：
[0005] (1)，模型信息输入及边界节点信息的传输
[0006] 首先确定问题域，并将问题域划分为离散介质区域和连续介质区域，对于离散介 质区域采用颗粒流法建立计算模型，对于连续介质区域采用有限差分法建立计算模型，输 入计算问题域的标识、模型参数以及外力信息，并确定离散介质与连续介质的接触边界，将 处于接触边界上的有限差分网格节点的坐标、速度初始化并传输到颗粒流计算模块，以此 进行接触边界网格划分；
[0007] (2)，接触边界网格函数形式
[0008] 采用自然坐标映射法，运用形函数和节点坐标作为参数表示边界网格，边界网格 的空间
[0009] 形态为多参数曲面：
【权利要求】
1.颗粒流与有限差分法耦合计算方法，其特征在于具体步骤如下： (1) ，模型信息输入及边界节点信息的传输 首先确定问题域，并将问题域划分为离散介质区域和连续介质区域，对于离散介质区 域采用颗粒流法建立计算模型，对于连续介质区域采用有限差分法建立计算模型，输入计 算问题域的标识、模型参数以及外力信息，并确定离散介质与连续介质的接触边界，将处于 接触边界上的有限差分网格节点的坐标、速度初始化并传输到颗粒流计算模块，以此进行 接触边界网格划分； (2) ，接触边界网格函数形式 采用自然坐标映射法，运用形函数和节点坐标作为参数表示边界网格，边界网格的空 间形态为名参数曲面：
其中，X严为边界网格上任意一点坐标，x/为接触界面网格节点坐标，Nj为接触界面形 函数，j = 1?4, ξ、η为映射自然坐标； (3) ，接触边界邻近颗粒全域搜索 采用改进空间网格法进行全域搜索，搜索在可能与接触边界接触的所有邻近颗粒；首 先对颗粒流模型空间区域进行空间网格划分，经验最佳空间网格尺寸为每个空间网格包罗 颗粒数目为4?20个，然后根据空间网网格的空间顺序，依次确定各个空间网格所包罗的 颗粒，并确定包罗各个有限差分单元接触面的空间网格集合，从而得到每个接触边界网格 所有可能与其接触的邻近颗粒； (4) ，接触边界邻近颗粒的区域搜索 首先对全域搜索过程得到的潜在接触颗粒与边界网格进行空间几何运算，剔除不符合 空间接触条件的颗粒，然后采用牛顿迭代法计算颗粒中心到边界网格的投影点自然坐标， 从而得到颗粒中心到边界网格的最小距离，并将其与颗粒半径进行比较，若其最小距离小 于颗粒半径，则判定颗粒与边界网格接触；
【文档编号】G06F17/50GK104091009SQ201410310306
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月1日 优先权日:2014年7月1日
【发明者】赵学亮 申请人:东南大学