[发明专利]一种模拟岩土材料时离散元赫兹接触参数自动标定方法

权利要求书

1.一种模拟岩土材料时离散元赫兹接触参数自动标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、在使用离散元模拟岩土材料前，采用室内三轴或者双轴试验，确定待模拟岩土材料试样的杨氏模量和泊松比；

二、以试验得到的宏观参数为目标参数，根据解析公式计算颗粒剪切模量和泊松比的初始估计值；

三、使用计算出来的颗粒剪切模量和泊松比作为输入参数，建立离散元双轴或者三轴数值试验；

四、在加载之前，将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/双轴试验数值仿真，直到轴向应变达到预设阈值，停止加载；

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，当前模型所用颗粒剪切模量和泊松比即为标定参数，标定结束；如不满足，继续执行标定；

七、首次更新颗粒剪切模量和泊松比并再次评估误差函数大小；

八、计算误差函数L关于颗粒剪切模量和泊松比变化的梯度值；

九、计算未经偏差修正的一阶和二阶矩估计值；

十、修正一阶和二阶矩估计；

十一、基于修正的一阶和二阶矩估计值，计算第二次及更多次迭代步中颗粒剪切模量和泊松比的更新值；

十二、采用更新后的颗粒剪切模量和泊松比重新计算数值模型，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，继续执行步骤七到步骤十一所述过程，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赫兹接触参数自动标定方法，其特征在于，颗粒接触剪切模量和泊松比的初始估计值和按如下方式更新：

二维离散元模型：

三维离散元模型：

其中，和分别为试验得到的小应变杨氏模量和泊松比，φ为试样中的孔隙率；为颗粒试样的平均配位数；当试样单粒径分布时，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赫兹接触参数自动标定方法，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：

。

4.根据权利要求1所述的一种模拟岩土材料时离散元赫兹接触参数自动标定方法，其特征在于，对于多粒径散体试样，采用试样的中值粒径来计算模型的初始刚度。

5.根据权利要求1所述的一种模拟岩土材料时离散元赫兹接触参数自动标定方法，其特征在于，真三轴或者双轴模拟结束后，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。

6.根据权利要求1所述的一种模拟岩土材料时离散元赫兹接触参数自动标定方法，其特征在于，误差函数L为：

其中，E^*是将颗粒间摩擦系数设置为1.0时，使试样在整体发生较小轴向变形时，颗粒间不发生滑动变形，计算数值试样模拟得到的弹性模量。

7.根据权利要求1所述的一种模拟岩土材料时离散元赫兹接触参数自动标定方法，其特征在于，若颗粒剪切模量G和泊松比ν为第一次迭代更新，按照如下方式更新：

其中，“:＝”为赋值符号，η为系数，取值在-0.5-0.5之间。

8.根据权利要求1所述的一种模拟岩土材料时离散元赫兹接触参数自动标定方法，其特征在于，若当前颗粒接触刚度参数为第二次或者更多次更新时，需按照差分方法计算误差函数L关于颗粒剪切模量和泊松比变化的梯度值g_G和g_υ，令以G和υ为自变量的误差函数为f，即令：

f(G,ν)＝L(E^*) (8)

则两个偏导数可按照差分方式进行估计得到：

。

9.根据权利要求1所述的一种模拟岩土材料时离散元赫兹接触参数自动标定方法，其特征在于，若当前颗粒接触刚度参数为第二次或者更多次更新时，基于修正的一阶和二阶矩估计值，计算每次迭代步中颗粒剪切模量和泊松比的更新值，更新公式如下：

其中，和分别为第t次迭代时，经偏差修正后的一阶和二阶矩估计值；ε是为了保持数值稳定性而设置的非常小的常数，一般取值e^-7；α为学习率。