[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

说明书

本发明公开了一种模拟岩土材料时离散元赫兹接触参数自动标定方法，将离散元标定的目标宏观参数代入解析公式计算出颗粒剪切模量和泊松比，以此作为颗粒参数初始估计值，建立数值三轴或双轴试验，得到宏观杨氏模量和泊松比；计算误差函数大小，判断是否更新颗粒参数；根据迭代次数的不同，分别采取不同的策略；初次迭代时，通过人工给予一个与初始估计值成正比的较小扰动；更多次迭代时采用自适应矩估计策略更新参数。通过实施案例表明，单粒径或多粒径离散元试样，在有限次迭代后，标定参数的误差被有效控制在一定范围内。该标定方法具备自动标定能力，收敛能力强，标定效率高，能有效解决离散元模拟岩土体材料时赫兹变形参数的标定问题。

技术领域

本发明属于岩土工程领域，具体的说，本发明涉及一种模拟岩土材料时离散元赫兹接触参数自动标定方法。

背景技术

离散元方法广泛应用于地基加固、隧道开挖等岩土工程问题的分析和研究中。然而，由于离散元算法采用的细观尺度参数不易直接通过物理试验测得，当前大多数针对岩土工程的离散元模拟，首先都要通过模拟某类常规岩土试验(如三轴试验)，通过不断调试离散元细观参数，直到模拟对象在目标宏观指标上和物理试验基本一致时，所用的模拟参数才被当作是一组可靠的输入参数。传统的人工标定方法不仅费时费力，而且标定精度相当有限。

线性接触模型和非线性的赫兹模型是广泛应用于离散元模拟的两个基本接触模型。各个模型所采用的输入参数不一。其中，线性接触模型采用法向接触刚度和切向接触刚度作为控制变形的参数；非线性的赫兹模型采用颗粒剪切模量和泊松比来作为控制变形的参数。由于细观变形机理的不同，两者在标定策略上存在差异。本发明主要解决非线性的赫兹模型中细观变形参数(即：颗粒剪切模量和泊松比)的参数标定问题。

近年来，离散元参数的标定问题得到了广泛关注。

中国发明专利(申请号：201910080559.2，专利名称：一种离散元材料自动训练方法)提供了一种离散元材料参数自动训练方法。该方法将基于规则排列的颗粒体宏细观参数解析关系作为材料训练初始值，采用实际宏观参数和目标宏观参数的比值乘以当前细观参数来得到下一步更新的细观参数，并不断训练直到达到目标值。该方法上实现了自动训练，相对传统方法取得了明显进步。然而也存在以下不足：(1)所有细观参数同时训练，过程中各个参数相互干扰，影响标定效率；(2)更新策略来源于经验性的假设，缺乏严格数学基础，无法保证足够的收敛效率和收敛精度；(3)输入细观初始值来源于单一粒径且规则排列颗粒的变形关系，这与实际岩土材料中颗粒组构和粒径大小都随机分布的现实情况差异较大。过于偏离实际散体的宏观响应的初始估计，不仅使得训练时间过长，而且材料在训练过程中面对局部最优陷阱的风险明显增加；(4)参数更新过程忽略了散体的宏细观参数关系，例如：法向刚度和切向刚度同时对宏观参数中的弹性模量和泊松比存在影响，根据该方法使用的参数更新策略，单独只用弹性模量或者泊松比来更新法向刚度或者切向刚度，实际上都存在不妥；(5)不区分二维模型和三维模型在参数训练策略和过程上的差异。例如：对二维和三维模型采用同样的初值估计，模型不能达到最佳收敛效率。

发明内容

本发明的目的在于，为离散元模拟砂土和堆石料等散粒体时，提供一套适用于二维和三维模型的、兼具高效和稳定性能的非线性赫兹接触参数自动标定方法。

本发明的目的通过以下步骤实现：本发明提供了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，需采用室内三轴或者双轴试验，确定待模拟岩土材料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；