隧道混凝土裂损特征数值模拟的建模方法及系统与流程

本发明涉及数值模拟，具体为隧道混凝土裂损特征数值模拟的建模方法及系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、隧道受设计与施工技术条件的限制，在长期运营过程中会存在一定程度的病害，为了掌握此类病害，现有技术常利用有限元模拟的方式对隧道结构的力学变化状态进行数值模拟，从而分析隧道混凝土受力时产生裂损的特性。

3、有限元模拟的过程中，以abaqus软件为例，可以通过插入预制裂纹，得到动态的裂纹扩展路径，这很大程度上减小了裂纹扩展问题的模型处理难度，但是abaqus内部采用的位移函数模式会导致求解方程容易形成线性相关，极大的增加收敛难度，导致得到的数值模拟结果不理想，难以与实际隧道的混凝土构件损伤发育过程相匹配。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供隧道混凝土裂损特征数值模拟的建模方法及系统，可以有效模拟隧道混凝土材料表观裂缝、内部空洞、材料劣化等裂损病害在不同荷载条件下的损伤过程，为隧道结构安全状态提供参考。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一个方面提供隧道混凝土裂损特征数值模拟的建模方法，包括以下步骤：

4、建立隧道几何模型，确定裂损区域在模型中的位置并得到对应的几何集合；

5、网格化处理隧道几何模型，得到隧道几何模型中各区域的网格模型，根据裂损区域对应的几何集合，确定网格模型中的混凝土损伤单元集合；

6、根据隧道几何模型、隧道网格模型和混凝土损伤单元集合，设定数值模拟软件中单元删除脚本的运行参数；

7、根据混凝土的材料属性，设定混凝土损伤单元的失效准则；

8、设定隧道几何模型边界条件，运行单元删除脚本，当达到设定的力学程度后删除相应的单元，得到数值模拟的结果。

9、建立隧道几何模型，确定裂损区域在模型中的位置并得到对应的几何集合，具体为：

10、在数值模拟软件中，根据需要模拟的隧道尺寸，建立相应的几何模型，并对隧道几何模型命名；

11、对隧道几何模型进行区域划分，在裂损区域位置创建单独的几何集合，并进行命名和编号。

12、网格化处理隧道几何模型，得到隧道几何模型中各区域的网格模型，根据裂损区域对应的几何集合，确定网格模型中的混凝土损伤单元集合，具体为：对隧道几何模型进行网格划分；利用裂损区域对应的几何集合，利用数值模拟软件的集合显示功能，将需要设定损伤的几何模型单独显示并建立单元集合，同时进行命名和编号。

13、网格化处理隧道几何模型的过程中，根据实际需求确定单元尺寸。

14、根据隧道几何模型、隧道网格模型和混凝土损伤单元集合，设定数值模拟软件中单元删除脚本的运行参数，包括：

15、通过删除相应位置单元来模拟混凝土材料损伤特征，修改脚本中几何模型、网格模型和单元集合名称，如下式所示：

16、p＝mdb.models['xxx'].parts['xxx-1']；

17、e＝p.sets['xxx-del'].elements；

18、其中，xxx为几何模型名称，xxx-1为网格模型名称，xxx-del为网格单元集合名称；删除单元的比例为：delent_rate＝x，其中x的取值范围为0-1。

19、脚本修改后，利用数值模拟软件确定脚本是否运行成功，若不成功则修改单元集合名称、模型名称和脚本内部参数后继续执行。

20、根据混凝土的材料属性，设定混凝土损伤单元的失效准则，具体为：对模型单元设置材料属性，混凝土材料设置为弹塑性损伤模型，根据材料属性中的拉伸应变、压缩非弹性应变、拉伸损伤值和压缩损伤值，设定单元失效准则的关键字，设置状态数据输出。

21、本发明的第二个方面提供实现上述方法所需的系统，包括：

22、几何模型模块，被配置为：建立隧道几何模型，确定裂损区域在模型中的位置并得到对应的几何集合；

23、网格模型模块，被配置为：网格化处理隧道几何模型，得到隧道几何模型中各区域的网格模型，根据裂损区域对应的几何集合，确定网格模型中的混凝土损伤单元集合；

24、单元删除模块，被配置为：根据隧道几何模型、隧道网格模型和混凝土损伤单元集合，设定数值模拟软件中单元删除脚本的运行参数；

25、材料属性模块，被配置为：根据混凝土的材料属性，设定混凝土损伤单元的失效准则；

26、模拟输出模块，被配置为：设定隧道几何模型边界条件，运行单元删除脚本，当达到设定的力学程度后删除相应的单元，得到数值模拟的结果。

27、本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。

28、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的隧道混凝土裂损特征数值模拟的建模方法中的步骤。

29、本发明的第四个方面提供一种计算机设备。

30、一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的隧道混凝土裂损特征数值模拟的建模方法中的步骤。

31、与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

32、1、利用数值模拟软件并结合脚本和参数设置可以有效的模拟混凝土材料损伤建模和损伤发育过程，与扩展有限元相比，建模类型更加灵活，模拟结果更清晰。

33、2、单元删除脚本可以精确控制单元删除位置和数量，并且可以进行数量较多单元的一次性处理，比传统单元删除方法具有更高的效率和精度。

34、3、弹塑性损伤模型结合单元损伤失效关键字的方式，可以将达到力学极限状态的单元进行物理删除，与实际结构中开裂位置的结构力学失效较为一致，模拟结果也更精确。

技术特征：

1.隧道混凝土裂损特征数值模拟的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的隧道混凝土裂损特征数值模拟的建模方法，其特征在于，建立隧道几何模型，确定裂损区域在模型中的位置并得到对应的几何集合，具体为：

3.如权利要求1所述的隧道混凝土裂损特征数值模拟的建模方法，其特征在于，网格化处理隧道几何模型，得到隧道几何模型中各区域的网格模型，根据裂损区域对应的几何集合，确定网格模型中的混凝土损伤单元集合，具体为：

4.如权利要求3所述的隧道混凝土裂损特征数值模拟的建模方法，其特征在于，网格化处理隧道几何模型的过程中，根据实际需求确定单元尺寸。

5.如权利要求1所述的隧道混凝土裂损特征数值模拟的建模方法，其特征在于，根据隧道几何模型、隧道网格模型和混凝土损伤单元集合，设定数值模拟软件中单元删除脚本的运行参数，包括：

6.如权利要求5所述的隧道混凝土裂损特征数值模拟的建模方法，其特征在于，脚本修改后，利用数值模拟软件确定脚本是否运行成功，若不成功则修改单元集合名称、模型名称和脚本内部参数后继续执行。

7.如权利要求1所述的隧道混凝土裂损特征数值模拟的建模方法，其特征在于，根据混凝土的材料属性，设定混凝土损伤单元的失效准则，具体为：对模型单元设置材料属性，混凝土材料设置为弹塑性损伤模型，根据材料属性中的拉伸应变、压缩非弹性应变、拉伸损伤值和压缩损伤值，设定单元失效准则的关键字，设置状态数据输出。

8.隧道混凝土裂损特征数值模拟的建模系统，其特征在于，包括：

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述权利要求1-7任一项所述的隧道混凝土裂损特征数值模拟的建模方法中的步骤。

10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7任一项所述的隧道混凝土裂损特征数值模拟的建模方法中的步骤。

技术总结
本发明涉及隧道混凝土裂损特征数值模拟的建模方法及系统，包括以下步骤：建立隧道几何模型，确定裂损区域在模型中的位置并得到对应的几何集合；网格化处理隧道几何模型，得到隧道几何模型中各区域的网格模型，根据裂损区域对应的几何集合，确定网格模型中的混凝土损伤单元集合；根据隧道几何模型、隧道网格模型和混凝土损伤单元集合，设定数值模拟软件中单元删除脚本的运行参数；根据混凝土的材料属性，设定混凝土损伤单元的失效准则；设定隧道几何模型边界条件，运行单元删除脚本，当达到设定的力学程度后删除相应的单元，得到数值模拟的结果。

技术研发人员：王川,吕高航,张宁,刘健,毕京建,解全一,郭峰
受保护的技术使用者：山东高速集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1