[发明专利]随机颗粒垫层上土工膜局部变形三维仿真模型建立方法

权利要求书

1.一种随机颗粒垫层上土工膜局部变形三维仿真模型建立方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，绘制颗粒垫层区域：在xoy平面内绘制水平放置且边长为L的正方形，并以正方形的中心为原点，以过原点且平行于正方形相邻两边的直线为x轴和y轴，以过原点且垂直于x、y轴的直线为z轴，建立xyz坐标系；

步骤2，确定垫层区域中不同粒径圆球颗粒的个数，包括如下步骤：

步骤21，确定圆球颗粒粒径和每种粒径所占质量百分比：颗粒垫层中的随机颗粒通过圆球模拟，根据垫层颗粒材料的级配曲线，获得不同圆球颗粒粒径和每种粒径所占的质量百分比；

步骤22，确定不同粒径圆球颗粒的个数：根据步骤21中确定的每种粒径所占质量百分比可求得不同粒径圆球颗粒的个数；假设不同圆球颗粒粒径从大到小依次为d₁、d₂、…、d_n，每种粒径对应圆球的个数依次为N₁、N₂、…、N_n，则圆球个数的计算公式如下：

其中，N_i为第i种粒径颗粒对应圆球的个数；L为正方形的边长；p_i为第i种粒径颗粒所占的质量百分比；d_i为第i种粒径颗粒的粒径；

步骤3，随机生成最大粒径为d₁的球，包括如下步骤：

步骤31，随机生成第一个d₁粒径的球：在步骤1绘制的颗粒垫层区域内，先随机生成第一个d₁粒径的球心坐标[x₁,y₁,0]，并使x₁和y₁均在[(-L+d₁)/2,(L-d₁)/2]内，否则，重新生成球心坐标；

步骤32，划分边长为d₁的正方形区域网格：作步骤31生成的d₁粒径球的x向和y向四条切线，以d₁粒径为边长向四周划分网格，网格的总数为将d₁粒径球的周围每一个网格编号并计算每个网格中心点的坐标；

步骤33，随机生成第二个d₁粒径的球：随机选取一个步骤32中的网格编号，在选取的网格内随机生成第二个d₁粒径球的球心坐标，并使第二个d₁粒径球的球心的x坐标或y坐标均在[(-L+d₁)/2,(L-d₁)/2]内，且任意两球之间无重叠；否则重复步骤33；

步骤34，随机生成剩余d₁粒径的球：重复步骤33，直至第N₁个d₁粒径的球全部随机生成；

步骤4，随机生成d₂、d₃、…、d_n粒径的球：将步骤3中粒径d₁的球依次更换为d₂、d₃、…、d_n粒径的球，重复步骤31至步骤34，即可随机生成d₂、d₃、…、d_n粒径的球；

步骤5，生成随机颗粒垫层：将N₂个d₂粒径的球沿z轴向上平移(d₁-d₂)/2，将N₃个d₃粒径的球沿z轴向上平移(d₁-d₃)/2，依此类推，将N_n个d_n粒径的球沿z轴向上平移(d₁-d_n)/2，使d₁、d₂、…、d_n粒径球的顶部均保持平齐；

步骤6，生成土工膜：在d₁粒径球心所在平面正上方d₁/2处，生成与边长为L的正方形区域大小相同的平面，将生成的平面沿z轴向上拖放h厚度，其中，h为土工膜厚度，即得土工膜；随机颗粒垫层和土工膜共同构成三维仿真模型；

步骤7，土工膜局部变形计算与破坏判定，具体包括如下步骤：

步骤71，将三维仿真模型导入有限元计算软件：将步骤6形成的三维仿真模型导入有限元计算软件ADINA中，并对土工膜进行网格剖分；

步骤72，添加三维仿真模型的材料信息：将步骤6中的土工膜设置为超弹性材料，将垫层中随机圆球颗粒设置为刚体；

步骤73，三维仿真模型约束的施加：约束步骤6中土工膜三维仿真模型的四个侧面，在土工膜和垫层随机圆球颗粒之间设置接触关系；

步骤74，向土工膜施加上覆荷载：在土工膜上方施加竖直向下的均布荷载p；

步骤75，土工膜局部变形结果判定：在有限元软件ADINA中，完成三维仿真模型的计算，输出土工膜的变形和应变计算结果；土工膜的局部变形可通过应变大小衡量，若计算得到的最大应变大于设定允许值，表明土工膜已发生过大的局部变形，有出现破坏的隐患。