[发明专利]一种非均质岩土材料周期性数值模型生成方法和装置

说明书

本发明公开一种非均质岩土材料周期性数值模型随机生成方法，包括：待模拟的非均质岩土体的结构参数数据；确定材料颗粒投放的区域；在已确定的区域内，依次随机生成材料颗粒的位置，并将材料颗粒投放至所生成的位置；将与边界顶点接触的颗粒平移复制到其余顶点上；将与区域边界接触的颗粒复制平移到相应区域边界的对边上；放弃投放与已生成颗粒接触的颗粒；对颗粒投放完成的材料颗粒岩土体模型进行修剪，然后进行网格周期性剖分，即生成待模拟非均质岩土体的周期性数值模型。本发明可根据数值试验要求生成符合非均质岩土体内部结构参数的岩土材料数值模型，用于非均质岩土材料的力学参数模拟试验分析，通过数值模拟来确定非均质岩土材料的方法，可节约物理试验成本。

技术领域

本发明涉及不均匀岩土材料力学参数研究技术领域，特别是一种考虑颗粒边界投放的非均质岩土材料周期性数值模型生成方法和装置。

背景技术

岩土材料大多为非均质结构，如常见的人工材料混凝土和天然材料堆积体。堆积体内部介观结构是复杂的，并且骨料分布的介观结构特征在材料的力学特性中起着重要的作用。这类材料的室内试验研究存在很多问题，如取样困难、试样扰动、结果离散性大、试验尺度相较于内部结构尺度偏小等问题。

随着计算机硬件和数值分析技术的发展，通过数值方法研究不均匀岩土材料（如混凝土、堆积体）的物理力学参数近年来发展比较迅速，该类方法能很好的克服真实试验参数研究中存在的诸多问题，已经成为一个重要的研究工具之一。

建立与非均质岩土材料内部结构一致的数模型是开展数值模拟分析的首要步骤。因此，根据非均质岩土材料内部结构参数（如：骨料级配、骨料形状等）生成符合数值试验要求是当前研究的热点。大量相关文献研究表明数值模拟方法是研究非均质岩土体材料力学特性的重要工具。但是，这些研究中非均质岩土体材料的建模过于简化，一般不考虑颗粒在边界上的情况，导致颗粒的空间分布与实际情况不同。当颗粒放在边界上时，颗粒被边界面切割，需要计算切割后颗粒的体积或者面积，增加了计算难度，因此为了简化起见，当前研究都假设颗粒在模型内部。此外，随着多尺度方法的出现，数值模型的周期性对于多尺度分析显得十分重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种非均质岩土材料周期性数值模型生成方法和装置，可根据数值试验要求生成符合实际非均质岩土材料内部结构参数的数值模型，用于非均质岩土体材料的力学参数模拟试验分析，克服真实试验参数研究中取样困难、试样扰动、结果离散性大、试验尺度相较于内部结构尺度偏小等问题，提高试验分析结果的可靠性。

本发明采取的技术方案如下。

一方面，本发明提供一种非均质岩土材料周期性数值模型生成方法，包括：

获取待模拟的非均质岩土体的结构参数数据；

根据所获取的结构参数数据，确定材料颗粒投放的区域及其边界和顶点；

在已确定的区域内，依次随机生成材料颗粒的位置，并将材料颗粒投放至所生成的位置；

在各材料颗粒投放过程中：响应于边界顶点位于材料颗粒内部，则将相应材料颗粒平移复制到其余顶点上；响应于材料颗粒与区域边界相接触，则将相应材料颗粒平移复制到相应区域边界的对边上；响应于材料颗粒全部位于区域内部，但与已投放的材料颗粒相接触，或者平移复制后的材料颗粒与已投放的材料颗粒相接触，则放弃投放，重新随机生成新的颗粒位置；

对颗粒投放完成的材料颗粒岩土体模型，沿区域边界进行修剪；

对修剪后的材料颗粒岩土体模型进行网格周期性剖分，即生成待模拟非均质岩土体的周期性数值模型。

进一步的，本发明方法还包括：利用生成的待模拟非均质岩土体的周期性数值模型进行数值试验，以确定模型对应的实际非均质岩土体材料的力学特性和力学参数。所述数值试验可为现有的单轴或三轴数值试验。