[发明专利]一种高效率岩土体离散元数值计算颗粒搜索和运行方法

说明书

技术领域

本发明涉及岩土体离散元数值模拟，尤其是基于窗口搜索和颗粒位移控制的高效率计算方法。

背景技术

离散元法是解决岩土体不连续问题的一种主要数值模拟方法，可以动态模拟岩体的大变形、断裂破坏，在岩土、矿冶、环境等领域取得了较为广泛的应用，如大型高边坡稳定变形机理、深埋地下工程围岩破坏、矿山崩落开采等。离散元对模型在空间上进行分解，在时间上进行迭代计算，其计算量非常巨大。离散元计算主要包含两个部分：搜索每个颗粒的邻近接触颗粒和迭代计算颗粒运动。其中颗粒搜索计算需要从颗粒系统中找出与当前颗粒接触的颗粒，然后进一步计算颗粒受力和运动。当颗粒数量较多时，颗粒搜索的运算量急剧增加，成为大规模颗粒离散元数值模拟的瓶颈。因此，需要在搜索算法本身以及运行方法上对其进行改进，以满足复杂岩土工程问题对大规模颗粒离散元数值模拟的要求。

发明内容

为了克服大规模离散元数值计算搜索算法计算量大，计算效率低的问题。本方法提出一种高效率岩土体离散元数值计算颗粒搜索和运行方法。通过建立空间网格和划定颗粒窗口，迅速查找最优邻近颗粒。该方法采用位移累积矩阵减少搜索算法的运行频率，能有效地提高离散元法的计算效率，实现大规模颗粒离散元数值计算模拟和复杂岩土工程问题快速模拟。

本发明为解决离散元快速计算问题提出的技术方案是，一种高效率岩土体离散元数值计算颗粒搜索和运行方法，其步骤包括：

(1)建立初步邻近颗粒数组；依据颗粒坐标，建立具有特定单元边长的空间立方单元网格，以覆盖所有颗粒，并建立相应的网格编号矩阵；计算颗粒在网格位置，将每个颗粒的邻近网格中的颗粒存储为初步邻近颗粒数组，每个颗粒相对于其邻近颗粒为中心颗粒；

(2)采用窗口法计算最优邻近颗粒；以每个颗粒为中心(即中心颗粒)建立特定大小的窗口，搜索初步邻近颗粒位于窗口内的颗粒，并存储于最优邻近颗粒数组；而窗口外颗粒至少沿坐标轴方向移动dS距离才能与中心颗粒接触；

(3)利用位移累积矩阵控制搜索算法；在离散元迭代运算中，累积计算每个颗粒位移矩阵D[X,Y,Z]，当D某一位移分量超过dS/2时，意味着可能有新颗粒与中心颗粒接触，运行步骤1-2重新计算最优邻近颗粒数组，并重置颗粒位移矩阵D为0。

步骤(2)中应用窗口法计算最优邻近颗粒，得到最优邻近颗粒数组，并通过位移矩阵来控制窗口搜索算法的运行；数组也是一维矩阵；

步骤10构建初始的颗粒离散元堆积模型，颗粒总数为m，颗粒由1开始连续编号到m；

步骤11通过空间网格划分计算得到初步邻近颗粒；网格单元的边长为W_g，所有颗粒均包含在网格中；

步骤12通过建立半径为R_w颗粒窗口确定最优邻近颗粒；由此获得颗粒窗口内最优邻近颗粒数组，将颗粒位移矩阵D[X,Y,Z]全部数值设为零，重新开始累积颗粒位移；(步骤31里窗口半径为：R_w＝R₀+dS+R_max，这个半径保证了窗口外颗粒运动dS距离才可能与窗口内颗粒接触，那么通过位移矩阵累积颗粒位移，当颗粒位移超过dS/2时，才需要运行搜索算法。)

步骤13利用最优邻近颗粒数组完成离散元数值计算；在每次迭代中，仅需判断中心颗粒与最优邻近颗粒矩阵中的颗粒接触关系，并计算相互作用力；一次迭代计算完成后，得到中心颗粒的位移量d[X,Y,Z]；

步骤14累积中心颗粒位移矩阵D[X,Y,Z]＝D[X,Y,Z]+d[X,Y,Z]；通过累积每次迭代中的中心颗粒位移，位移矩阵D记录了从前一次最优邻近颗粒搜索后的颗粒位移；

步骤15判断max|D[X,Y,Z]|是否大于dS/2；即判断颗粒位移在某一坐标轴方向上是否超过dS/2。如果其大于dS/2，返回步骤11重新计算最优邻近颗粒；反之，进入步骤16；

步骤16根据迭代次数等限定，判断是否继续迭代。如果是，进入步骤13；反之进入步骤17。步骤15在颗粒位移达到一定量时才进入步骤11重算最优邻近颗粒矩阵，再进行迭代计算；而步骤16则可直接进入步骤13进行迭代计算，而无需运行搜索算法。由于岩土体数值模拟中颗粒相对静态，而dS一般取0.1～0.5R(颗粒半径)。通常数万次以上迭代才需运行一次搜索算法；

步骤17返回数值模拟结果。

离散元亦是指每个颗粒位移矩阵数据是离散的。

迭代方法是利用计算机不断用变量的旧值递推新值的过程。

通过空间网格计算初步邻近颗粒矩阵的具体实现过程；