[发明专利]一种基于离散元的混凝土结构破坏过程数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于离散元的混凝土结构破坏过程数值模拟方法，包括以下步骤：基于目标混凝土结构件，采集目标混凝土结构件的边界墙尺寸，构建三维刚性边界墙，生成随机颗粒，压缩颗粒至高紧凑状态，根据颗粒中心间距与两颗粒的半径之和，获取处于接触状态的第二颗粒，并在第二颗粒的内部生成接触键；基于接触键的法向单位向量、切向单位向量，获取第二颗粒的合力向量及弯矩，以及第二颗粒在第一单位时间的加速度和角加速度，根据显示中心差分法，迭代更新第二颗粒在第二单位时间的位置、速度和角速度；根据迭代更新的结果，获取第二颗粒的接触作用力；本发明提供的方法可准确、快速预测混凝土从细观到宏观结构构件或结构的破坏过程。

技术领域

本申请涉及土木工程仿真领域，具体而言，涉及一种基于离散元的混凝土结构破坏过程数值模拟方法。

背景技术

随着现代化建设脚步的加快，混凝土作为主导材建筑料凭借取材便捷、造价低廉、抗压强度高等优势被广泛应用到各大土木工程中。研究混凝土结构力学性质及破坏过程，对工程设计施工、安全评估、质量保障等方面具有重要意义。混凝土是水泥、细骨料和粗骨料胶结而成的多相复合材料，具有明显的非均质属性。而混凝土结构的损伤往往萌生于材料局部截面，后逐渐扩展至整体。因此，有必要从细观角度出发，对混凝土结构破坏过程中的损伤机理及受力特性进行深入研究。

数值模拟研究材料的行为来减少试验开支，加速试验试错过程，是节约研究成本的有效方法。对于混凝土结构的数值模拟大多采用均质方法，以有限元法见常。但受到有限元方法本身限制，如相邻单元边界需要满足变形协调条件、裂缝出现时计算复杂(不连续)、增量法分析非线性问题时解的稳定差。同时，材料内部相互作用总会有新的受力表面产生，导致初始裂缝分布具有一定随机性。因此不宜采用均质方法对混凝土结构断裂行为进行系统分析.因此，急需一种基于离散元的混凝土结构损伤数值模拟方法,来解决现有技术中存在的技术问题。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的是提出一种基于离散元方法的混凝土破坏过程数值模拟方法，以克服现有数值模拟方法局限性问题，且该方法可准确、快速预测混凝土从细观到宏观结构构件或结构的破坏过程。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于离散元的混凝土结构破坏过程数值模拟方法，包括以下步骤：

基于目标混凝土结构件，采集目标混凝土结构件的边界墙尺寸，构建三维刚性边界墙，其中，三维刚性边界墙的墙体单元采用平面单元；

在三维刚性边界墙的墙体内部空间生成随机颗粒，压缩颗粒至高紧凑状态，根据颗粒中心间距与两颗粒的半径之和，获取处于接触状态的第二颗粒，并在第二颗粒的内部生成接触键；

基于接触键的法向单位向量、切向单位向量，获取第二颗粒的合力向量及弯矩，以及第二颗粒在第一单位时间的加速度和角加速度，根据显示中心差分法，迭代更新第二颗粒在第二单位时间的位置、速度和角速度；

根据迭代更新的结果，获取第二颗粒的接触作用力，其中，通过将接触作用力的法向力和剪切力，与目标混凝土结构件的抗拉强度、抗压强度、剪切强度进行对比，获取目标混凝土结构件的损伤情况。

优选地，在压缩颗粒至高紧凑状态的过程前，采用控制孔隙度方法生成颗粒的颗粒数量，包括：

其中，n表示生成目标粒子数，V表示给定空间总体积，C表示孔隙度，R表示平均半径；体积分数在0.615-0.735之间。

优选地，在压缩颗粒至高紧凑状态的过程中，通过弹性半无线空间压板压缩颗粒，压缩速度控制在0.0001m/s-0.0012m/s之间；

压缩结束后，颗粒与压缩板之间的接触力小于0.1N；

高紧凑状态的判断依据为：检测颗粒间的配位数是否在4.01-8.15之间，判断颗粒是否处于高紧凑状态，以及检查颗粒的重叠性。