[发明专利]一种基于有限元与离散元耦合的虚拟三轴试验仿真方法

说明书

本发明公开了一种基于有限元与离散元耦合的虚拟三轴试验仿真方法，首先是建立常规离散元虚拟三轴试样颗粒模型，然后借助离散元应力伺服原理，将试样伺服到初始固结应力状态，其次将侧向刚性墙体模型替换为有限元单元模型，建立有限元与离散元耦合虚拟三轴试验模型，最后施加试验围压与轴向加载速度，开展耦合虚拟三轴试验。与现有技术相比，本发明提供的虚拟三轴试验仿真方法能够在试验中实现侧向围压的柔性施加，保证压缩过程中试样侧向可以自由变形，可以真实地模拟室内三轴试验。通过虚拟数值试验仿真实例，验证了本发明的基于有限元与离散元耦合的虚拟三轴试验仿真方法的优势性。

技术领域

本发明涉及一种虚拟三轴试验的仿真方法，具体地说，涉及一种基于有限元与离散元耦合的虚拟三轴试验的仿真方法。

本发明主要应用于岩体工程领域颗粒材料虚拟试验仿真方面，可以实现对颗粒材料室内三轴试验的计算机真实虚拟仿真模拟。

背景技术

近些年来随着计算机和数值计算方法的发展，虚拟试验仿真技术在岩土工程领域得到了广泛的应用。虚拟数值试验作为室内试验的一种计算机虚拟仿真，其在散体材料介质复杂力学行为研究方面具有得天独厚的优势。

颗粒离散元虚拟试验作为一种常用的虚拟仿真试验，其核心原理是基于非连续介质理论的数值计算方法，特别适用于颗粒材料这类非连续介质的模拟，尤其是对材料介质细观力学机理的研究。

目前，常规颗粒离散元虚拟三轴试验主要是采用无摩擦刚性墙体对试样施加侧向围压，这种围压加载方式属于刚性加载，试验压缩过程中限制了试样侧向的自由变形，这与室内三轴试验的柔性加载方式不同(即，通过试样外层橡胶皮套来对试样施加侧向围压，试验中允许试样侧向自由变形)，导致虚拟试验仿真结果与实际结果存在一定的偏差，故这种加载方式的虚拟三轴试验无法实现对室内三轴试验的真实仿真模拟。

发明内容

为了克服常规颗粒离散元虚拟三轴试验中无法施加侧向柔性应力，无法实现对室内三轴试验的真实仿真模拟，本发明的目的是提供一种基于有限元与离散元耦合的虚拟三轴试验仿真方法。该方法在试验中能对试样侧向围压进行柔性加载，可实现对室内三轴试验的真实仿真模拟。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于有限元与离散元耦合的虚拟三轴试验仿真方法，包括如下步骤：

(1)根据虚拟三轴试样尺寸，建立常规离散元三轴试验模型；

(2)利用应力伺服控制原理，将虚拟试样伺服到初始固结应力状态；

(3)利用有限元模型替换侧向墙体模型，建立有限元与离散元耦合的虚拟三轴试验模型；

(4)施加侧向围压和轴向加载速度，开展有限元与离散元耦合虚拟三轴试验数值仿真模拟。

其中，步骤(1)的具体步骤包括：

(1.1)根据虚拟三轴试样尺寸，建立无摩擦刚性墙体模型；

(1.2)根据试样颗粒级配要求，建立虚拟试样球体颗粒模型。

步骤(2)的具体步骤包括：

(2.1)计算当前时步侧向墙体和上下墙体的平均应力值，计算公式如下：

式中，S_r和S_h分别为当前时步球体颗粒作用于侧向和上下墙体的平均应力，分别为当前时步球体颗粒作用于侧向、上部、下部墙体上的作用力，D_t为当前时步侧向墙体的直径，H_t为当前时步上下墙体间的高度；

(2.2)计算下一时步墙体的移动速度，计算公式如下：