[发明专利]一种模拟岩土材料时离散元线性刚度参数的自动标定方法

权利要求书

1.一种模拟岩土材料时离散元线性刚度参数的自动标定方法，其特征在于包括以下步骤：

一、通过室内真三轴或者双轴试验方式，确定待模拟岩土材料试样的杨氏模量和泊松比；

二、根据小应变条件下推导的均匀散体宏细观变形参数解析公式，计算颗粒接触法向刚度和切向刚度的初始估计值；

三、使用计算出来的刚度参数初始估计值，建立待模拟岩土材料试样离散元双轴或者三轴数值试验；

四、在加载之前，将试验试样颗粒间的摩擦系数设置为1.0或者更大的值，实施小应变三轴试验数值仿真，直到轴向应变达到一个预设阈值ε时，停止加载，得到当前模拟试样的弹性模量与泊松比；

五、构建误差函数L；

六、判断误差函数L的大小是否满足误差允许值；如满足，当前模型所用刚度参数即为标定参数，标定结束；如不满足，继续执行标定；

七、基于改进的梯度下降方法更新刚度参数；

八、采用更新后的刚度参数重新计算数值模型，更新误差函数大小并评估误差函数大小是否满足误差允许值；如不满足，继续执行步骤七和八所述过程，并直到误差函数低于误差允许值。

2.根据权利要求1所述的一种模拟岩土材料时离散元线性刚度参数的自动标定方法，其特征在于，颗粒接触法向初始估计值和切向刚度的初始估计值的计算公式为：

二维离散元模型：

三维离散元模型：

其中，E为试验得到的小应变杨氏模量，ν为试验得到的泊松比，S为二维试样的面积，V为三维试样的体积，N_c为试样中的接触数目；当试样为单粒径分布时，r为颗粒半径；当试样为多粒径分布时，r为试样的中值粒径。

3.根据权利要求1所述的一种模拟岩土材料时离散元线性刚度参数的自动标定方法，其特征在于，对于待模拟岩土材料散体试样，面积/体积与接触数目的比值计算方法为：

其中，2D和3D分别表示2维和3维模型；φ为孔隙率；为颗粒体的平均配位数。

4.根据权利要求1所述的一种模拟岩土材料时离散元线性刚度参数的自动标定方法，其特征在于，采用生成颗粒时的初始摩擦系数f_c来估计最终试样的孔隙率和平均配位数经验值，如下：

。

5.根据权利要求1所述的一种模拟岩土材料时离散元线性刚度参数的自动标定方法，其特征在于，对于多粒径散体试样，采用的中值粒径来计算模型的初始刚度。

6.根据权利要求1所述的一种模拟岩土材料时离散元线性刚度参数的自动标定方法，其特征在于，真三轴或者双轴模拟结束后，应检查试样加载过程中的应力应变曲线，确保试样在此加载期间仅发生可恢复的弹性变形。

7.根据权利要求1所述的一种模拟岩土材料时离散元线性刚度参数的自动标定方法，其特征在于，误差函数L为：

其中，β₁和β₂是两个值域为[0,1]的加权系数，且满足β₁+β₂＝1，E^*和ν*分别是数值试样计算得到的弹性模量和泊松比。

8.根据权利要求1所述的一种模拟岩土材料时离散元线性刚度参数的自动标定方法，其特征在于：若颗粒接触刚度参数为第一次更新，按照如下方式更新：

其中，“:＝”为赋值符号，α_n和α_s为系数，取值在-0.5-0.5之间。