一种预制桩基坑支护颗粒流数值模拟方法和系统与流程

本发明涉及数学建模，尤其涉及一种预制桩基坑支护颗粒流数值模拟方法和系统。

背景技术：

1、预制桩基坑支护颗粒流数值模拟是一种利用计算机模拟方法对预制桩基坑支护过程中颗粒流的行为进行数值模拟的技术。通过建立基于物理力学原理的数学模型，采用数值计算方法求解模型的数学方程，模拟颗粒流在预制桩基坑支护过程中的运动和变形规律。预制桩基坑支护颗粒流数值模拟可以优化设计方案，减少工程风险，提高施工效率，具有重要的工程应用价值。

2、该模拟方法可以考虑多种力学因素，如颗粒间的摩擦力、颗粒与支护结构之间的相互作用力、颗粒的形状和物理性质等。通过调整模型参数和边界条件，可以模拟不同条件下颗粒流的运动和变形过程，预测支护结构的稳定性和变形情况，为工程设计和施工提供参考和指导。

3、但是颗粒流模拟需要考虑多种物理过程的相互耦合，如颗粒的运动、变形、与支护结构的相互作用等，这涉及到多个物理学领域的交叉问题，建模难度大，无法为后续施工作业提供准确的数据。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种预制桩基坑支护颗粒流数值模拟方法和系统，能够至少解决现有技术中颗粒流模拟需要考虑多种物理过程的相互耦合，建模难度大的部分问题。

2、第一方面，本发明实施例提供一种预制桩基坑支护颗粒流数值模拟方法，包括：

3、获取预制桩基方案，并根据所述预制桩基方案确定模拟目标；

4、基于所述模拟目标建立宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型；

5、将所述宏观连续介质模型和所述微观离散颗粒模型进行耦合，得到颗粒流数值模拟模型；

6、根据所述预制桩基方案确定初始参数；

7、将所述初始参数输入所述颗粒流数值模拟模型，得到颗粒流运动状态。

8、可选地，基于所述模拟目标建立宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型的步骤，包括：

9、根据所述模拟目标建立一个宏观连续介质模型，以描述颗粒流的宏观运动状态，其中，所述宏观连续介质模型的表达式如下：

10、；    (1)

11、 ；  (2)

12、其中，ρ是流体的密度，u是流体的速度矢量，t是时间，是梯度算子，σ是应力张量，g是重力加速度；

13、根据所述模拟目标建立一个微观离散颗粒模型，以描述颗粒之间的微观相互作用，其中，所述微观离散颗粒模型的表达式如下：

14、fij = kn·δnij + ks·δsij +μ·fnij·δsij； (3)

15、其中，fij是颗粒i和颗粒j之间的相互作用力，kn和ks是颗粒之间的法向弹簧系数和切向弹簧系数，δnij和δsij是颗粒i和颗粒j之间的法向和切向位移，μ是颗粒之间的摩擦系数，fnij是颗粒i和颗粒j之间的法向接触力。

16、可选地，所述预制桩基方案包括颗粒流域和与其对应的颗粒流数值，将所述宏观连续介质模型和所述微观离散颗粒模型进行耦合，得到颗粒流数值模拟模型的步骤，包括：

17、将所述颗粒流域划分为宏观网格和微观网格；

18、基于所述颗粒流数值在所述宏观网格上对所述宏观连续介质模型求解，得到宏观解；

19、基于所述颗粒流数值在所述微观网格上对所述微观离散颗粒模型求解，得到微观解；

20、将所述宏观解作为所述微观离散颗粒模型的输入，并将所述微观解作为所述宏观连续介质模型的输入，得到所述颗粒流数值模拟模型。

21、可选地，基于所述颗粒流数值在所述宏观网格上对所述宏观连续介质模型求解，得到宏观解的步骤，包括：

22、在所述宏观网格上，使用数值方法求解公式（3），即离散形式的宏观连续介质模型的表达式如下：

23、m(du/dt) + k·u = f；      (4)

24、其中，m是流体的质量矩阵，t是时间，k是流体的刚度矩阵，u是速度场的向量，f是外部力矢量。

25、可选地，将所述宏观解作为所述微观离散颗粒模型的输入，并将所述微观解作为所述宏观连续介质模型的输入，得到所述颗粒流数值模拟模型的步骤，包括：

26、将宏观解的速度场插值到所述微观网格上，作为所述离散颗粒模型的输入之一；

27、在所述微观网格上使用离散元法计算颗粒的运动和相互作用力，运用公式（3）计算颗粒之间的相互作用力，并更新颗粒的位移；

28、将所述微观网格上的颗粒位移和相互作用力插值到所述宏观网格上，作为所述宏观连续介质模型的源项之一；

29、在所述宏观网格上求解式所述宏观连续介质模型的方程，根据公式（4）使用宏观网格上的速度场和插值得到的颗粒位移和相互作用力来计算外部力矢量；

30、根据对宏观连续介质模型的方程求解结果，更新宏观网格上的速度场；

31、重复以上步骤，直到所述宏观网格和所述微观网格之间的耦合解收敛，得到所述颗粒流数值模拟模型。

32、可选地，根据对宏观连续介质模型的方程求解结果，更新宏观网格上的速度场的步骤，包括：

33、基于加权平均算法对宏观连续介质模型的方程求解结果进行计算，以更新所述宏观网格上的速度场，其中，所述加权平均算法表达式如下：

34、vmicro = ∑(wi · vmacroi) / ∑wi；     (5)

35、其中，vmicro表示所述宏观网格上的速度场值，vmacroi表示所述宏观网格上相邻节点的速度场值，wi表示对应节点的权重，所述权重是根据离散颗粒模型的质量和距离确定。

36、可选地，将所述初始参数输入所述颗粒流数值模拟模型，得到颗粒流运动状态的步骤，包括：

37、将所述初始参数输入颗粒流数值模拟模型，并进行迭代计算所述宏观连续介质模型和所述微观离散颗粒模型之间的耦合解；

38、在每一步迭代中，根据所述耦合解更新颗粒流运动状态，直至达到预设的停止迭代条件。

39、第二方面，本发明实施例还提供了一种预制桩基坑支护颗粒流数值模拟系统，包括：

40、获取模块，用于获取预制桩基方案，并根据所述预制桩基方案确定模拟目标；

41、建立模块，用于基于所述模拟目标建立宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型；

42、耦合模块，用于将所述宏观连续介质模型和所述微观离散颗粒模型进行耦合，得到颗粒流数值模拟模型；

43、确定模块，用于根据所述预制桩基方案确定初始参数；

44、输出模块，用于将所述初始参数输入所述颗粒流数值模拟模型，得到颗粒流运动状态。

45、第三方面，本发明实施例还提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行第以方面任一所述的预制桩基坑支护颗粒流数值模拟方法。

46、第四方面，本发明实施例还提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序包括用于控制过程以执行过程的程序代码，所述过程包括第一方面任一所述的预制桩基坑支护颗粒流数值模拟方法

47、本发明实施例通过获取预制桩基方案，并根据所述预制桩基方案确定模拟目标；基于所述模拟目标建立宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型；将所述宏观连续介质模型和所述微观离散颗粒模型进行耦合，得到颗粒流数值模拟模型；根据所述预制桩基方案确定初始参数；将所述初始参数输入所述颗粒流数值模拟模型，得到颗粒流运动状态，通过建立宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型的耦合，能够更准确地模拟和预测预制桩基坑支护过程中颗粒流的行为，并将其输入到数值模拟模型中，可以得到颗粒流的运动状态，为预制桩基坑支护方案的设计和施工提供重要的参考依据，同时，该方法可以根据不同的预制桩基方案进行模拟和分析，具有较高的适用性和灵活性。

48、本发明实施例的有益效果可以参考具体实施方式中技术特征对应的技术效果，在此不再赘述。