[发明专利]基于强度空间变异性的随机裂隙网络生成方法

说明书

本发明提供一种基于强度空间变异性的随机裂隙网络生成方法，能够充分考虑材料强度空间变异性，反映真实裂隙形态，并具有较高的计算效率，该方法包括：步骤1.确定模拟区域的长和宽；步骤2.确定裂隙宽度，利用正三角形网格划分整个模拟区域；步骤3.在模拟区域上生成材料抗拉强度的随机场以定量表征抗拉强度存在的空间变异性；步骤4.根据实际场地的情况，确定作用于整个模拟区域的拉应力；步骤5.根据模拟对象的实际情况，确定最大迭代步数、以及裂隙条数；步骤6.在模拟区域产生初始断裂点；步骤7.在初始断裂点的基础上进行迭代计算，确定裂隙发展方向及概率，实现材料强度对裂隙发展方向的影响；步骤8.生成结合随机场的裂隙模型。

技术领域

本发明属于材料随机裂隙生成技术领域，具体涉及一种基于强度空间变异性的随机裂隙网络生成方法。

技术背景

裂隙广泛存在于各种材料中，裂隙会显著降低材料的力学性能并增加其渗透性，会对工程安全造成严重的威胁。数值模拟是一种常用的工程安全分析方法，传统的确定性裂隙建模方法是在数值模型的关键位置设置几条直线或平面裂隙结构，但是该方法无法准确描述真实裂隙的形态和位置。离散元方法、CT扫描图像处理等方法是当前常用的随机裂隙生成或建模方法，但是受限于计算能力、样品尺寸等问题，无法进行大尺度场地上随机裂隙的模拟。与此同时，由于裂隙会导致结构的局部失效，如果不考虑裂隙的存在或仅将材料强度进行整体折减，往往会低估裂隙对于结构安全的影响。因此，如何模拟工程中真实裂隙形态并进行数值计算是当前亟待解决的问题。

另外，材料强度在空间中的不均匀性是裂隙产生的主要原因之一，但当前常用的随机裂隙模拟方法往往无法考虑材料强度参数的空间变异性，这使得现有方法无法准确模拟真实的裂隙状态。随机场是一种具有相关结构的随机过程，它广泛应用于模拟实际工程中材料强度的空间变异性。因此，人为假定的裂隙或不考虑材料强度分布状态的随机裂隙与真实裂隙相差较大。

而解决这些问题的基础和关键是寻找一种基于材料强度参数的随机裂隙生成方法。另外，生成的裂隙模型应当可以应用于复杂的数值计算中，从而具有一定的工程实用价值。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于强度空间变异性的随机裂隙网络生成方法，能够充分考虑材料强度空间变异性，反映真实裂隙形态，并具有较高的计算效率。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

如图1所示，本发明提供一种基于强度空间变异性的随机裂隙网络生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.根据模拟对象的实际情况，确定模拟区域的长L_a和宽W_a；

步骤2.根据模拟对象的实际情况，确定裂隙宽度w_c，利用正三角形网格划分整个模拟区域，设置模拟区域长边上网格数量n_gb，并将网格的节点坐标储存进矩阵中；

步骤3.在模拟区域上生成材料抗拉强度的随机场以定量表征抗拉强度存在的空间变异性；包括以下子步骤：

步骤3-1.考虑到土体参数的非负性，随机场的边缘分布采用对数正态分布，并根据模拟对象的实际情况，选择对数正态分布的均值μ、变异系数c_v以及X、 Y方向的相关长度SOF_x、SOF_y；

步骤3-2.根据选择的参数，使用谱分解法在模拟区域生成随机场，并赋值在网格节点上；

步骤4.根据实际场地的情况，确定作用于整个模拟区域的拉应力σ_t，如果缺乏相关数据，可以设置拉应力与随机场的均值相等，以获得较好的裂隙形态；

步骤5.根据模拟对象的实际情况，确定最大迭代步数n_t、以及裂隙条数f_b；