一种基于CalculiX的孔隙水压力分析方法

本发明涉及一种基于calculix的孔隙水压力分析方法，具体为一种基于calculix的砌体城墙内部结构的孔隙水压力分析方法。

背景技术：

1、孔隙水压力是岩土体稳定性的重要参数之一，地震引起的地面振动会导致土体中孔隙水压力的变化，这种变化可能会导致土体的液化现象，使土壤失去强度和刚性，从而引发地震液化灾害，因此，了解和预测孔隙水压力的变化对于砌体城墙劣化的风险评估至关重要。传统的计算孔隙水压力的方法包括以下几种：使用渗透计或压实仪等设备进行实验室测试、使用压力传感器直接实地测量、利用数学模型和计算方法预测等。但这些传统方法存在很多缺陷，如：需要进行复杂的试验，并且在现场应用中有局限性；实地监测可能受到现场条件的限制；数学计算过程复杂，计算结果存在不确定性和局限性等。

2、目前使用有限元软件可以有效地避免传统方法带来的困难，并且其操作简单，只需要输入相关参数，由计算机进行计算，就可以得到准确可靠的结果。有限元软件还具有处理复杂的几何形状和结构，数值精度可控，强大的可视化和后处理功能等优点。然而现有开源软件功能有限，不能满足所有的工业需求，商业软件由于其代码闭源，很多具体细节不可控，带来了诸多不便。如calculix作为一个开源软件，基于有限元方法，可用于对各种结构进行静态和动态分析，calculix支持并行计算，可以通过多核处理器或集群进行高性能计算，这使得它能够处理大规模和复杂的结构分析问题，缩短计算时间；但calculix并不支持孔隙水压力的计算。

3、有鉴于此，本发明针对砌体城墙的相关特性，提供一种基于calculix的孔隙水压力分析方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于calculix的孔隙水压力分析方法，以解决现有技术中所提到的技术问题。

2、一种基于calculix的孔隙水压力分析方法，包括以下步骤：

3、s1、将砌体城墙的孔隙水压力参数耦合至calculix中，构建孔隙水压力有限元模型；

4、s2、将richards方程输入到所述孔隙水压力有限元模型中，离散化为代数方程组；

5、s3、根据所述代数方程组，构建所述孔隙水压力有限元模型的刚度矩阵和载荷向量；

6、s4、设定所述孔隙水压力有限元模型的边界条件；

7、s5、利用迭代法计算所述代数方程组，并根据所述孔隙水压力有限元模型的刚度矩阵、载荷向量和边界条件，计算所述孔隙水压力有限元模型中每一节点上的孔隙水压力值，然后根据所述孔隙水压力有限元模中每一节点上的孔隙水压力值分析所述砌体城墙结构内部的孔隙水压力分布。

8、可选地，所述s2中，richards方程为：

9、

10、其中，θ是饱和度，即单位体积中的水分体积，用百分比表示；ψ是孔隙水压力；t是时间，单位为秒；z是空间坐标，为垂直方向的距离，单位为米；k(h)是渗透系数。

11、可选地，所述s2中，利用数值积分技术将richards方程离散化为所述孔隙水压力有限元模型中每一节点上的代数方程。

12、可选地，所述s3中，所述刚度矩阵用于描述所述孔隙水压力有限元模型中各个节点之间的力和位移之间的关系，所述载荷向量用于描述所述孔隙水压力有限元模型中外部施加在砌体城墙上的力或约束条件；

13、所述约束条件包括模型本身重力和底部不可位移约束。

14、可选地，所述s4中，所述孔隙水压力有限元模型的边界条件包括：

15、固定边界条件、施加力或位移条件；

16、通过修改所述孔隙水压力有限元模型的刚度矩阵和载荷向量，将所述边界条件纳入所述孔隙水压力有限元模型中。

17、可选地，所述s5中，计算所述孔隙水压力有限元模型中每一节点上的孔隙水压力值的方法，包括：

18、根据darcy定律设定所述孔隙水压力有限元模型的应力和孔隙水压力之间为线性关系，并将线性达西定律的渗透系数k(h)定义为非线性饱和度函数k(s)：

19、k(s)＝ks*se^[3+2/λ]；

20、其中，ks是饱和渗透系数，se是有效饱和度，λ是孔隙度；

21、并根据所述非线性饱和度函数k(s)将线性达西定律修改为非线性达西定律q：

22、q＝-k(s)a(δh/δl)；

23、其中，a为垂直于水流方向的截面积，δh为上下游水头差，δl为渗流长度；

24、再利用所述非线性达西定律q计算所述孔隙水压力有限元模型中每一节点上的孔隙水压力值。

25、本发明能产生的有益效果包括：

26、本发明所提供的一种基于calculix的孔隙水压力分析方法，基于caculix参考孔隙水压力有限元模型并针对砌体城墙选用合适的非线性渗透系数，进行二次开发孔隙水压力计算，分析砌体城墙结构内部的孔隙水压力分布，使得得到的结果更加符合现实，更准确可靠；同时基于开源软件开发，相较于商用软件，具有更高的可控性和扩展性，能够根据不同的工况进行灵活定制，以满足各种需求。

技术特征：

1.一种基于calculix的孔隙水压力分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于calculix的孔隙水压力分析方法，其特征在于，所述s2中，richards方程为：

3.根据权利要求1所述的一种基于calculix的孔隙水压力分析方法，其特征在于，所述s2中，利用数值积分技术将richards方程离散化为所述孔隙水压力有限元模型中每一节点上的代数方程。

4.根据权利要求1所述的一种基于calculix的孔隙水压力分析方法，其特征在于，所述s3中，所述刚度矩阵用于描述所述孔隙水压力有限元模型中各个节点之间的力和位移之间的关系，所述载荷向量用于描述所述孔隙水压力有限元模型中外部施加在砌体城墙上的力或约束条件；

5.根据权利要求1所述的一种基于calculix的孔隙水压力分析方法，其特征在于，所述s4中，所述孔隙水压力有限元模型的边界条件包括：

6.根据权利要求1所述的一种基于calculix的孔隙水压力分析方法，其特征在于，所述s5中，计算所述孔隙水压力有限元模型中每一节点上的孔隙水压力值的方法，包括：

技术总结
本发明公开了一种基于CalculiX的孔隙水压力分析方法，将砌体城墙的孔隙水压力参数耦合至CalculiX中，构建孔隙水压力有限元模型；将Richards方程输入到孔隙水压力有限元模型中离散化为代数方程组；根据代数方程组构建刚度矩阵和载荷向量；设定孔隙水压力有限元模型的边界条件；利用迭代法计算代数方程组，并根据孔隙水压力有限元模型的刚度矩阵、载荷向量和边界条件，计算孔隙水压力有限元模型中每一节点上的孔隙水压力值并分析砌体城墙结构内部的孔隙水压力分布；通过基于CaculiX参考孔隙水压力有限元模型并针对砌体城墙选用合适的非线性渗透系数，进行二次开发孔隙水压力计算，分析砌体城墙结构内部的孔隙水压力分布，使得得到的结果更加符合现实，更准确可靠。

技术研发人员：罗迒哉,刘育成,彭进业,王珺,彭盛霖,魏嘉琪
受保护的技术使用者：西北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11