[发明专利]基于SPH的燃气管道受挖掘施工破坏过程的分析方法

说明书

本发明提供了一种基于SPH的燃气管道受挖掘施工破坏过程的分析方法。所述方法采用一种纯拉格朗日无网格方法‑‑光滑粒子流体动力学方法，将挖掘机挖齿、土壤、燃气管道等粒子模型离散为有限个粒子，能够分析挖掘施工破坏下土壤、燃气管道的力学及运动响应，以及燃气管道接触、挖裂、挖穿的全过程。该方法能够避免传统网格方法在进行燃气管道受挖掘施工破坏过程中，面临大变形时产生的网格畸变，为燃气管道受挖掘施工破坏分析领域提供了一种新的分析方法。

技术领域

本发明涉及计算力学领域，尤其涉及基于SPH的燃气管道受挖掘施工破坏过程的分析方法。

背景技术

随着城镇的快速化发展，诸如道路施工、地基开挖、基础夯土等挖掘施工作用下造成的埋地管道损伤或破坏屡见不鲜，造成了较为严重的经济损失，因此，研究第三方破坏下的管道失效机理有着重要的意义。然而，用传统的解析法进行燃气管道受挖掘施工破坏的动力学过程分析时，由于存在大量的简化而难以正确反映实时的动态力学行为。而近年来发展起来的诸如有限元法、有限差分法等以网格为主的数值方法虽然可以对燃气管道受挖掘施工破坏过程进行数值模拟，但由于土壤或管道在挖掘过程中会产生大变形、裂纹扩展及穿透等行为，基于网格的方法会产生网格畸变，从而造成计算误差甚至计算中止。因此，构建一种新型的燃气管道受挖掘施工破坏的数值方法，能够为第三方破坏因素、土壤、燃气管道等复杂接触界面问题的动态力学分析提供一种新的计算方法，并且为相关事故的防控提供科学依据。

光滑粒子流体动力学方法（Smoothed Particle Hydrodynamics，简称SPH）是一种纯拉格朗日无网格计算方法，最初主要用于天体物理学问题，后经过近年来的不断发展，逐渐应用到诸如爆炸力学、流体力学和固体力学等领域。然而，目前在燃气管道受挖掘施工破坏分析领域还鲜见报道。采用SPH进行燃气管道受挖掘施工破坏分析时，其基本思想是将挖齿、土壤、燃气管道等粒子模型离散为有限个不依赖于网格连接的离散点，而挖齿、土壤、燃气管道等粒子模型的物理力学参数及动态属性，如质量、体积、密度、位置、速度、加速度等都由离散点携带，并通过一种强尖峰核函数（称之为光滑核函数）、质量守恒方程、动量守恒方程和本构方程建立离散点间的联系。在SPH方法中，由于各个离散点间之间不需要网格进行连接，所以不会产生网格畸变，因此特别适合求解会产生大变形的动态力学行为。

发明内容

为达到利用SPH方法计算燃气管道受挖掘施工破坏过程中的动态力学行为的目的，本发明提供了基于SPH的燃气管道受挖掘施工破坏过程的分析方法，包括如下步骤：

步骤一、根据待研究的挖齿、土壤、燃气管道模型的几何信息生成粒子模型，并根据粒子模型几何尺寸，将各粒子模型离散为有限个粒子，并将挖齿对应粒子模型的粒子定义为Ⅰ类型粒子、土壤对应粒子模型的粒子定义为Ⅱ类型粒子、燃气管道对应粒子模型的粒子定义为Ⅲ类型粒子，并根据挖齿、土壤、燃气管道的物理力学参数对其不同模型的粒子分别赋值；

步骤二、预先确定分析燃气管道受挖掘施工破坏过程中需要采用的数值处理技术，并设置时间步长及时间步数;

步骤三、对Ⅰ类型粒子进行Ⅰ-Ⅰ类型、Ⅰ-Ⅱ、Ⅰ-Ⅲ类型相邻粒子对的搜索；对Ⅱ类型粒子进行Ⅱ-Ⅱ、Ⅱ-Ⅲ类型相邻粒子对的搜索；对Ⅲ类型粒子进行Ⅲ-Ⅲ类型相邻粒子对的搜索；

步骤四、对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类型粒子分别进行密度求解；

步骤五、对土壤、燃气管道粒子进行应力应变及人工粘度的求解，并根据应力应变求解结果及人工粘度影响得到由内力引起的第一速度变化率；

步骤六、根据重力、固壁边界作用力以及及各模型间相互作用力得到由外力引起的第二速度变化率；

步骤七、根据第一速度变化率及第二速度变化率之和更新质点信息;

步骤八、判定时间步是否达到预设的存储时间步和计算总时间步，如果未达到则重复步骤三到步骤七，如果达到存储时间步，则输出分析所需信息，如果达到计算总时间步，则计算终止。

进一步的，所述数值处理技术包括密度计算方法、光滑核函数、粒子搜索方法、接触边界计算方法、固壁边界计算方法、时间积分方法。