堆石混凝土堆石体堆积过程的计算方法和系统与流程

本发明涉及建设工程模拟技术领域，更具体地，涉及堆石混凝土堆石体堆积过程的计算方法和系统。

背景技术

大体积混凝土在现代工程建设，特别是水利水电工程建设中，占有重要地位。我国每年仅在水利水电工程中所浇筑的大体积混凝土就在一千万立方以上，另外，港口、机场建筑以及重型机器基础等也往往采用大体积混凝土。堆石混凝土通过使用大量块石(粒径大于30cm)来降低水泥用量，从而有效减少水化热和降低co2排放，具有混凝土结构收缩性小、抗裂抗剪能力提高、施工速度快、水化热低，温控容易、施工质量高、工程造价低等特点，因而具有广阔应用前景，同时也满足我国大力推广绿色低碳技术的迫切需求。

堆石混凝土在施工过程中，堆石体的堆积过程与最后的堆积形态，对成型后的堆石混凝土的力学性能有着较大的影响，但由于实验造价高且实际工程中堆石体的形态样式复杂，因此很难开展较为精确的实验对实际工程进行分析，因此开展数值计算方法对堆石混凝土堆石体堆积过程进行分析计算是必然的趋势。但到目前为止，如何精确的模拟计算堆石混凝土堆石堆积过程及堆积状态，尚未有任何可供借鉴的成果和方法。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的堆石混凝土浇筑过程中堆石块的堆积过程及最终堆积形态的计算方法和系统。

根据本发明的一个方面，提供一种堆石混凝土浇筑过程中堆石块的堆积过程及最终堆积形态的计算方法，包括：

建立堆石块初始状态的三维模型，所述堆石块包括一定数量的块石体；

根据有限元/离散元耦合分析方法分析所述三维模型的最终堆积形态。

根据本发明的第二方面，提供一种堆石混凝土浇筑过程中堆石块的堆积过程及最终堆积形态的计算系统，包括：

三维模型构建模块，用于建立堆石块初始状态的三维模型，所述堆石块包括一定数量的块石体；

分析模块，用于根据有限元/离散元耦合分析方法分析所述三维模型的堆积过程及最终堆积形态。

根据本发明的第三方面，还提供一种计算设备，包括：

至少一个处理器；以及

与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：

所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行第一方面的各种可能的实现方式中任一种可能的实现方式所提供的计算方法。

根据本发明的第四方面，还提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行第一方面的各种可能的实现方式中任一种可能的实现方式所提供的计算方法。

本发明提出的堆石块的最终堆积形态的计算方法和系统，通过将模拟结构应力和变形的有限单元法和能够跟踪块体运动的离散单元法结合起来称之为有限元/离散元耦合分析方法(fem/dem方法)，该方法保留了有限元和离散元各自的优势，能够解决多体运动学问题和破坏力学问题，在计算堆石块的最终堆积形态的过程中，存在块石体个数多，受力复杂、堆石体随受力变化会产生形变的特点，采用有限元与离散元耦合分析方法进行力学分析，可以完整刻画出堆石块在应力作用下的渐进堆积过程，计算结果更为准确。

附图说明

图1为根据本发明实施例的堆石块的最终堆积形态的计算方法的流程示意图；

图2为根据本发明实施例的根据有限元/离散元耦合分析方法分析所述三维模型的最终堆积形态的方法的流程示意图；

图3为根据本发明实施例的根据有限元分析法获得三维模型中每个块石体的连续介质力学行为的方法的流程示意图；

图4为根据本发明实施例的根据离散元分析法获得三维模型中块石体间的非连续介质力学行为的方法的流程示意图；

图5为根据本发明实施例的堆石混凝土浇筑过程中堆石块的堆积过程及最终堆积形态的计算系统的功能框图；

图6为根据本发明实施例的计算设备的框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

为了克服现有技术的上述问题，本发明实施例提供一种堆石混凝土浇筑过程中堆石块的堆积过程及最终堆积形态的计算方法，参见图1，包括：

s101、建立堆石块初始状态的三维模型，所述堆石块包括一定数量的块石体。

需要说明的是，本发明实施例的三维模型是根据块石体的大小、形状以及数量等参数形成的块石体的集合，由于本发明实施例计算的是堆石块的最终堆积形态，因此，此时步骤s101构建的三维模型是堆石块尚未变形时的外部轮廓。

s102、根据有限元/离散元耦合分析方法分析所述三维模型的堆积过程及最终堆积形态。

需要说明的是，由于物理模型实验中比尺效应的影像，现有模型尺度的物模实验不能正确反应真实结构的强度，同时原型物模实验又受制于实验条件的限制。通过将模拟结构应力和变形的有限单元法和能够跟踪块体运动的离散单元法结合起来称之为有限元/离散元耦合分析方法(fem/dem方法)，该方法保留了有限元和离散元各自的优势，能够解决多体运动学问题和破坏力学问题，在计算堆石块的最终堆积形态的过程中，存在块石体个数多，受力复杂、堆石体随受力变化会产生形变的特点，采用有限元与离散元耦合分析方法进行力学分析，可以完整刻画出堆石块在应力作用下的渐进堆积过程，计算结果更为准确。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，本发明实施例不对建立堆石块初始状态的三维模型的方式作具体限定，具体为：

使用三维建模软件根据堆石块的预先确定的参数，建立三维模型；或者

对所述块石体外形轮廓进行3d扫描形成输入数据输入至三维建模软件中，建立三维模型。

由于每个工程或者实验中需要的石块大小、种类、数量都是不同的是，所以根据堆石块的实际参数建立三维模型，在建立前显然需要采集若干真实参数，例如石块的硬度、大小、密度等等。

本发明实施例在采集块石体的外形轮廓时，具体可以采用3d扫描仪或者轮廓测量仪进行扫描，获得块石体的外形参数，本发明实施例不做具体限定。

本发明实施例建立堆石块初始状态的三维模型的方式提供堆石块精准的外形参数，有助于后续进行有限元/离散元耦合分析方法分析堆积过程时获得更准确、真实的结果。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，本发明实施例的有限元/离散元耦合分析方法分析所述三维模型的最终堆积形态，参见图2，具体为：

s201、根据有限元分析法获得三维模型中每个块石体连续介质力学行为。

需要说明的是，有限元分析(fea，finiteelementanalysis)利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。利用简单而又相互作用的元素(即单元)，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件)，从而得到问题的解。因为实际问题被较简单的问题所代替，所以这个解不是准确解，而是近似解。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

连续介质力学(continuummechanics)是物理学当中的一个分支，是处理包括固体和流体的在内的所谓“连续介质”宏观性质的力学。例如，质量守恒、动量和角动量定理、能量守恒等。连续介质力学认为真实流体或固体所占有的空间可以近似地看作连续地无空隙地充满着“质点”(即微观上充分大、宏观上充分小的分子团)。质点所具有的宏观物理量(如质量、速度、压力、温度等)满足一切应该遵循的物理定律，例如质量守恒定律、牛顿运动定律、能量守恒定律、热力学定律以及扩散、粘性及热传导等输运性质。这一假设忽略物质的具体微观结构(对固体的微观结构研究属于凝聚态物理学的范畴)，而用一组偏微分方程来表达宏观物理量(如质量，数度，压力等)。

s202、根据离散元分析法获得三维模型中块石体间的非连续介质力学行为。

需要说明的是，离散元分析法是专门用来解决非连续介质问题的数值模拟方法。该方法把堆石块体视为由离散的块石体和块石体间的节理面所组成，允许块石体平移、转动和变形，而节理面可被压缩、分离或滑动。因此，堆石块被看作一种不连续的离散介质。其内部可存在大位移、旋转和滑动乃至块体的分离，从而可以较真实地模拟堆石块中的非线性大变形特征。

离散元法的一般求解过程为：将求解空间离散为离散元单元阵，并根据实际问题用合理的连接元件将相邻两单元连接起来；单元间相对位移是基本变量，由力与相对位移的关系可得到两单元间法向和切向的作用力；对单元在各个方向上与其它单元间的作用力以及其它物理场对单元作用所引起的外力求合力和合力矩，根据牛顿运动第二定律可以求得单元的加速度；对其进行时间积分,进而得到单元的速度和位移。从而得到所有单元在任意时刻的速度、加速度、角速度、线位移和转角等物理量。

s203、将三维模型中所有块石体的连续介质力学行为和非连续介质力学行为代入三维模型的动力平衡方程，获得三维模型的堆积运动过程以及最终堆积形态。

需要说明的是，通过有限元分析法分析每个石块体的变形，离散元分析法分析每个石块体的运动以及石块体间的相互碰撞过程，结合动力平衡方程即可获得三维模型的堆积运动过程以及最终堆积形态。

在上述实施例的基础上，作为一种可选实施例，本发明实施例不对连续介质力学行为的方式作具体限定。具体地，连续介质力学行为包括：网格单元的节点变形引起的内力向量、网格单元的节点的外力向量以及质量矩阵。

需要说明的是，有限元分析时，网格划分越密，计算结果一般来说越趋近于真实解。网格划分越密，就直接导致计算的规模和存储空间迅速增加，从而降低计算效率，尤其是对于碰撞、冲击、爆炸、波传播仿真等动力学分析来说。所以说，在计算效率、存储空间、精确度这三个方面存在权衡，在满足求解精度的条件下，尽量使得计算效率高、存储空间小。内力是指在外力作用下，引起块石体相互作用的例，外力是指堆石块收到的力，例如重力等。

相应地，本发明实施例的根据有限元分析法获得三维模型中每个块石体的连续介质力学行为，如图3所示，具体为：

s301、对所述三维模型进行网格划分，获得由网格单元构成的有限元模型。

具体地，可采用hypermesh(是一种通用的网格划分软件)中划分网格获得有限元模型：(1)打开hypermesh软件，导入三维模型；(2)使用hypermesh中的任意网格划分技术，创建有限元模型；(3)设置与ansys的接口并导出网格：分别创建单元类型和材料模型(例如，添加单元类型solid155，添加材料属性为石头，最后设置组件属性)，将创建的单元类型和材料模型与网格模型关联，对于网格模型，关联了材料和单元，最后导出网格。

s302、根据网格单元体积、标准型函数以及柯西应力张量获得所述内力向量。具体地，内力向量按下式计算：

其中，v表示网格单元体积，n为标准形函数，t为柯西应力张量，x为节点位置向量。

需要说明的是，网格单元体积是指有限元分析方法中网格划分后的网格单元的体积，标准型函数代表一种单元上近似解的插值关系，它决定近似解在单元上的形状因此尝试函数在有限元法中又称为形函数。形函数阶次越高，单元形状就越复杂，单元适应能力也越强，求解应力问题时所需单元数量也越少，因此平衡方程组也越少，因此平衡方程组的阶次较低，求解方程组的时间较少。但是形函数的阶次提高后，建立刚度矩阵的运算较复杂，因此对于每一特定的问题，都有一个最适合的形函数阶次，它能够使总的计算时间最经济。这一般需要根据计算经验决定。柯西应力张量是指研究大变形时用瞬态构形来描述的对称应力张量。网格单元体积(划分网格时单元体积确定)、标准型函数以及柯西应力张量均属于通过在构建有限元模型时所预设的值，而节点位置向量x满足：x＝x+u，其中，x为网格单元的节点初始位置向量，u为网格单元的节点的位移向量。

s303、根据网格单元未变形时的体积(即按时间步进行计算时，划分完网格时的单元体积被认为是未变形时的单元网格体积，以后的每一时间步中的单元未变形时体积为上一时间步计算结束后的网格单元的体积)、与该网格单元未变形时的体积对应的密度、以及所述标准型函数获得所述质量矩阵。具体地，质量矩阵按下式计算：

其中，m为质量矩阵，v0为网格单元未变形时的体积，ρ0表示与v0对应的密度。

s304、根据块石体的体力、面力以及单元表面积，获得所述外力向量。具体地，外力向量按下式计算：

f^ext＝∫vnbdv+∫sntds

式中，b表示体力(重力和惯性力)，t表示面力，s为单元表面积。作用力可以施加于物体表面，称之为面力，例如流体对物体表面的压力；作用了施加于物体每一个体积元，称为体力，例如万有引力、向心力等。此外，内力作用是分布在物体内部任一截面上，沿截面物体两部分相互接触而发生力的作用，所以内力是一种面力和接触力。作用于单位截面积上的内力，称为应力。

需要说明的是，本发明实施例的计算外力向量的方法，有助于更准确地获得堆石体堆积过程中每个块石体的变形。

在上述实施例的基础上，作为一种可选实施例，本发明实施例不对所述非连续介质力学行为做具体的限定，例如包括：块石体间的接触力。接触力分为弹性力和摩擦力。

相应地，本发明实施例不对根据离散元分析法获得三维模型中块石体间的非连续介质力学行为的方式做具体的限定，如图4所示，具体为：

s401、通过非二叉树搜索接触算法(接触判断方法则采用munjiza和andrews[munjizaa,andrewskrf.nbscontactdetectionalgorithmforbodiesofsimilarsize.internationaljournalofnumericalmethodsinengineering,1998,43:131-4916]提出的非二叉树搜索接触算法，即高效的nbs算法，这种算法占用内存小，对于块体单元尺寸相近的情况可以实现单元间的快速接触搜索)获得三维模型中的接触体和目标体。

需要说明的是，二叉树就是一种数据结构，它的组织关系就像是自然界中的树一样。其定义是：是一个有限元素的集合，该集合或者为空、或者由一个称为根的元素及两个不相交的、被分别称为左子树和右子树的二叉树组成。通过非二叉树搜索接触算法能够高效地获得三维模型中的接触体和目标体。

s402、根据公式：获得接触体和目标体之间的法向接触力；其中，βc和βt分别表示接触体和目标体，m和n分别表示用于离散接触体和目标体的有限单元数目，表示接触势，s表示相互嵌入部分的边界，n表示该边界的外法线方向矢量。

s403、根据公式：获得接触体和目标体之间的切向接触力；其中kt为切向刚度，ηt为切向粘性阻尼系数，dt和vt分别表示切向相对位移和相对速度；

若判断则根据库伦摩擦定律，重新根据公式计算所述切向接触力；需要说明的是，是静摩擦力和动摩擦力的分界线，根据该公式进行判定，然后选取切向接触力。

s404、根据法向接触力和切向接触力的矢量和作为所述接触力。

在上述实施例的基础上，作为一种可选实施例，所述构建三维模型的动力平衡方程，具体为：

mx”+cx’+f^int＝f^c+f^ext

x＝x+u

其中，m,c分别表示质量矩阵和阻尼矩阵，f^int表示变形引起的内力向量，f^c表示接触力，f^ext表示除接触力外的所有外力向量，x”和x’分别表示有限元节点的加速度和速度，x为有限元节点初始位置向量，u为有限元节点的位移向量。对于显式时间积分方法，质量矩阵m需要对角化处理。如果粘性阻尼采用质量比例阻尼，则阻尼矩阵c定义为c＝αm，α为常数比例因子。求解准静力问题时，则采用动力松弛法求解，选取较大的阻尼值可使计算在相对较短的时间后收敛到静力解。

在上述实施例的基础上，作为一种可选实施例，本发明实施例使用paraview软件作为后处理软件，对计算结果进行处理。需要说明的是，paraview软件本身就是一种数值计算结果处理的成熟软件，主要是分析堆石体堆积的一个碰撞过程的可视化处理，以及应力分析和最终堆积状态的显示。通过使用paraview软件可以根据工程需分析堆石体最终堆积状态，并且为以后添加scc的浇筑模拟提供基础数据。

根据本发明的另一个方面，本发明实施例还提供一种堆石混凝土浇筑过程中堆石块的堆积过程及最终堆积形态的计算系统，参见图5，图5示出了本发明实施例的计算系统的功能框图，该系统用于在前述各实施例中计算堆石块的堆积。因此，在前述各实施例中的计算方法中的描述和定义，可以用于本发明实施例中各执行模块的理解。如图5所示，计算系统包括：

三维模型构建模块501，用于建立堆石块初始状态的三维模型，所述堆石块包括一定数量的块石体；

分析模块502，用于根据有限元/离散元耦合分析方法分析所述三维模型的最终堆积形态。

需要说明的是，由于物理模型实验中比尺效应的影像，现有模型尺度的物模实验不能正确反应真实结构的强度，同时原型物模实验又受制于实验条件的限制。通过将模拟结构应力和变形的有限单元法和能够跟踪块体运动的离散单元法结合起来称之为有限元/离散元耦合分析方法(fem/dem方法)，该方法保留了有限元和离散元各自的优势，能够解决多体运动学问题和破坏力学问题，在计算堆石块的最终堆积形态的过程中，存在块石体个数多，受力复杂、堆石体随受力变化会产生形变的特点，采用有限元与离散元耦合分析方法进行力学分析，可以完整刻画出堆石块在应力作用下的渐进堆积过程，计算结果更为准确。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，本发明实施例不对分析模块作具体限定，包括：

有限元分析单元，用于根据有限元分析法获得三维模型中每个块石体连续介质力学行为；

离散元分析单元，用于根据离散元分析法获得三维模型中块石体间的非连续介质力学行为；

展示单元，用于将三维模型中所有块石体的连续介质力学行为和非连续介质力学行为代入三维模型的动力平衡方程，获得三维模型的堆积运动过程以及最终堆积形态。

需要说明的是，通过有限元分析法分析每个石块体的变形，离散元分析法分析每个石块体的运动以及石块体间的相互碰撞过程，结合动力平衡方程即可获得三维模型的堆积运动过程以及最终堆积形态。

本发明实施例提供了一种计算设备。参见图6，该设备包括：处理器(processor)601、存储器(memory)602和总线603；

其中，处理器601及存储器602分别通过总线603完成相互间的通信；处理器601用于调用存储器602中的程序指令，以执行上述实施例所提供的堆石块的最终堆积形态的计算方法，例如包括：建立堆石块初始状态的三维模型，所述堆石块包括一定数量的块石体；根据有限元/离散元耦合分析方法分析所述三维模型的最终堆积形态。

本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令使计算机执行上述实施例所提供的翻译处理方法，例如包括：建立堆石块初始状态的三维模型，所述堆石块包括一定数量的块石体；根据有限元/离散元耦合分析方法分析所述三维模型的最终堆积形态。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。