[发明专利]可用于施工过程模拟的有限元离散元多尺度耦合计算方法

说明书

本发明公开了可用于施工过程模拟的有限元离散元多尺度耦合计算方法，属于岩土体工程技术领域，本发明革新了现有的有限元离散元多尺度耦合计算框架，构建了可变的离散元子结构序列S_dem，使之与施工过程中宏观有限元网格的减少或者增加对应起来，从而实现施工过程的模拟。与现有技术相比，本发明扩展了有限元离散元多尺度耦合计算方法的使用范围，可以更好地预测复杂岩土体材料在开挖、堆载等过程中的力学行为，为相关岩土石力学研究服务和工程安全性评价提供技术支撑。

技术领域

本发明属于岩土体工程技术领域，具体涉及可用于施工过程模拟的有限元离散元多尺度耦合计算方法。

背景技术

均匀化多尺度模拟方法是通过将具有复杂结构的不均匀材料假设为均质材料，基于不均匀介质等效宏观特性来开展分析重要方法。均匀化分析方法可以分为三大类：解析、数值和计算均匀化方法。

解析均匀化通过严格的公式推导，建立反映不均匀介质材料宏观特性的数学表达。Hill最早提出RVE的概念和基于能量等效原理(Hill-Mandel Macro-homogeneityPrinciple)的复合材料弹性特征。解析多尺度需要有较强的理论基础和复杂的公式推导，仅适用于具有规则细观结构的不均匀材料，因此仅适用于内部结构较为简单的不均匀介质。

数值均匀化弥补了解析多尺度的不足，通过对不均匀介质标准体积单元(RVE)进行分析，针对表征体积单元开展均匀化分析，拟合确定现有的宏观本构模型的基本参数。目前，常见的数值均匀化实现方式较多，主要有快速傅里叶变换FFT、有限单元法FEM、离散单元法DEM和边界元BEM。通过连接细观结构和宏观本构模型，数值均匀化方法在解决大尺度工程问题方面具有重大应用潜力。

相对于解析和数值均匀化方法，计算均匀化方法不需要预先定义宏观本构模型，应力和应变关系直接通过数值计算得到。因此，该方法具有极大的灵活性，既适用于弹塑性问题，也适用于多场耦合及大变形等复杂问题。笔者基于开源离散元程序Yade和自编有限元程序，实现了FEM×DEM，开展了散体材料多尺度研究，并应用于边坡安全系数分析中。但是目前所有的研究方法网格是固定的，无法模拟开挖、堆载等施工过程。本专利克服了这一问题，提出了一种可用于施工过程模拟的有限元离散元多尺度耦合计算方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供可用于施工过程模拟的有限元离散元多尺度耦合计算方法，

技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

可用于施工过程模拟的有限元离散元多尺度耦合计算方法，包括如下步骤：

(1)建立宏观有限元网格模型与对应的离散元子模型序列S_dem；

(2)根据工程边界条件和材料重度，进行自重平衡计算初始状态；

(3)施工过程模拟。

进一步地，所述的步骤(1)中，具体步骤为：根据工程实际建立宏观有限元网格模型M_fem和表征材料力学行为的离散元子模型M_dem，给定子模型离散元的材料参数。

进一步地，针对宏观有限元模型的单元类型，确定每个单元高斯积分点的数量，将每个高斯点对应一个所述的离散元子模型M_dem，将多个离散元子模型M_dem组成1个序列S_dem，该序列根据宏观网格的变化进行更改。

进一步地，所述的步骤(2)包括如下步骤：

1)如果初始应力状态已知，将每一个高斯点处的应力作为边界施加给离散元子模型M_dem，通过伺服加载实现；

2)如果初始应力状态未知，通过如下公式(I)计算自重，转换为宏观模型上的节点力F；