[发明专利]一种金属环形网冲击力计算的薄膜等效模拟方法

说明书

本发明公开了一种金属环形网冲击力计算的薄膜等效模拟方法，包括以下步骤：(a)根据质量一致原则，发明等效薄膜的平面尺寸及厚度确定方法；(b)根据金属环形网规格，发明等效薄膜的材料力学参数确定方法；(c)根据以上确定的薄膜等效参数，实现等效薄膜壳单元有限元模型的建立方法；(d)明确冲击块与薄膜的冲击接触作用参数，赋予冲击块初速度并进行动力非线性计算；(e)等效薄膜承载能力的判断评价方法。本发明解决了离散金属环形网的快速计算简化难题，其计算效率相较于传统的离散接触态环梁模型可提高十倍以上，精度基本持平，可用于柔性防护网工程的冲击与防护设计。

技术领域

本发明为一种金属环形网冲击力计算的薄膜等效模拟方法，涉及边坡地质灾害防护领域。

背景技术

落石灾害是最为严重的边坡地质灾害之一，对交通沿线和重要基础设施以及人员生命、财产安全带来严重威胁。柔性落石防护系统是近年来最常用的落石灾害防护手段之一，金属环形网是系统中最为复杂的受力构件，其在落石冲击下的动力计算涉及材料非线性、几何非线性和接触非线性等复杂非线性问题。

目前，金属环形网最常用的离散接触态环梁单元模型存在建模繁琐、计算效率低的问题。

发明内容

针对于此，本发明提出了一种金属环形网冲击力计算的薄膜等效模拟方法，用薄膜模拟金属环形网，使薄膜在面外加载过程中表现出与金属环形网一致的力-位移关系，即加载刚度一致，能够极大提高金属环形网的建模效率和计算效率，并能够根据不同金属环形网的边界条件植入到柔性防护系统的整体计算中，大大提升了柔性落石防护系统的科研效率和工程设计效率，并为金属环形网的大规模集群计算提供可行性。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现，包括：

一种金属环形网冲击力计算的薄膜等效模拟方法，包括如下步骤：

步骤一，根据质量一致原则确定等效薄膜的平面尺寸及厚度；

步骤二，根据金属环形网规格确定等效薄膜的材料力学参数；

步骤三，采用壳单元建立等效薄膜有限元模型；

步骤四，确定冲击块与等效薄膜的接触参数，赋予冲击块初速度并进行动力非线性计算；

步骤五，判断等效薄膜及其他构件是否达到承载能力极限。

进一步地，在步骤一中，等效薄膜的平面尺寸与金属环形网的平面尺寸保持一致，等效薄膜厚度t根据薄膜与网片质量一致原则确定，由下式计算：

式中m_n是规格为n圈的金属环形网每平米的质量，ρ为钢材的密度。进一步地，在步骤二中，等效薄膜材料的力学参数包括弹性模量E、泊松比ν、应力-应变曲线σ-ε、屈服应力σ_y和失效应变ε_f，其中泊松比ν＝0.3，屈服应力σ_y＝0MPa，弹性模量E(MPa)和失效应变ε_f的计算公式如下：

E＝-99.5n+11911

ε_f＝0.0006n²-0.0187n+0.3286

等效薄膜的应力应变曲线计算公式如下：

σ＝M(e^N·ε-1)

M＝0.1124+(n-5)×0.105

N＝31.85-(n-5)×0.139

式中σ、ε为薄膜的应力及应变，M、N为只与金属环形网圈数n相关的量，e为自然常数。