[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

权利要求书

1.一种基于有限元与离散元耦合的虚拟三轴试验仿真方法，其特征在于：它包括如下步骤：

(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虚拟三轴试验模型，即；

(3.1)删除侧向墙体模型，在原墙体模型位置处建立一层有限元单元模型；

(3.2)根据建立的有限元单元模型，在单元内侧建立耦合控制墙体单元；

(3.3)检索与存储每一控制墙体顶点与有限元模型单元节点的对应关系；

(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，即：

(4.1)在有限元单元模型外侧边界施加三轴试验侧向围压；

(4.2)设置上下墙体加载板的轴向加载速度；

(4.3)在动力求解模式下，将有限元和离散元设置为相同的分析时步；

(4.4)开始耦合虚拟三轴试验仿真模拟，每一时步有限元与离散元彼此间进行数据交换，并在每隔一定时步记录试验的轴向偏应力与轴向应变；

(4.5)当轴向应变达到指定目标值，停止试验加载，保存试验计算结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于有限元与离散元耦合的虚拟三轴试验仿真方法，其特征在于，所述步骤(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。

3.根据权利要求1所述的一种基于有限元与离散元耦合的虚拟三轴试验仿真方法，其特征在于，所述步骤(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的具体步骤包括：

(2.1)根据公式(1)计算当前时步侧向墙体和上下墙体的平均应力值；

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)根据公式(2)计算下一时步墙体的移动速度；

式中，v_r为侧向圆柱形墙体径向移动速度，和为侧向和上下墙体的初始固结应力，G为增益系数，按如下公式计算：

式中，为球体颗粒与侧向墙体间的法向接触刚度，N_r为与侧向墙体接触的球体颗粒数目，N_h为与上下墙体接触的球体颗粒总数，△t为当前计算时步，α为松弛系数，α＝0.5；

(2.3)离散元循环迭代一个时步，更新侧向圆柱形墙体直径D_t和上下墙体间的高度H_t以及球体颗粒位置；

(2.4)重复执行上述步骤(2.1)至步骤(2.3)，直到当前时步侧向墙体平均应力值S_r和上下墙体平均应力值S_h与其初始固结应力值的误差小于指定容差ε时，计算迭代终止，最终获得试样初始固结应力状态，其中，ε按如下公式进行计算：

式中，ε取值范围为[0.001,0.005]。