[发明专利]一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法

权利要求书

1.一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤a：确定灾害参数；通过数字化扫描技术，重构坡面数字化空间信息模型，结合地质勘察建立数字化边坡灾害模型，确定后续防护系统设计参数，包括灾害源空间位置、空间轨迹、冲击动能及致灾范围；

步骤b：初选系统类型、构件规格；根据灾害模型参数、防护需求和相关行业规范要求初步确定系统类型，明确防护冲击动能E_k、最小防护高度[H]、容许缓冲距离[D]，匹配相应的构件类型规格及材料物理参数；

步骤c：建立包含坡面环境数字化信息的计算模型Ⅰ；基于步骤a的坡面数字化空间信息模型，建立集成了柔性防护系统几何信息的综合数字化模型，即计算模型Ⅰ，柔性防护系统包括柔性网片、钢丝绳、支撑柱、消能器和绳卡，钢丝绳包括支撑绳、过渡绳和拉锚绳；然后对计算模型Ⅰ进行有限元网格划分，并定义单元类型、截面尺寸、材料、边界、接触关系和求解参数；计算模型Ⅰ采用多种非线性单元集成，包括：离散接触态的柔性网片等效为非线性纤维梁单元、多维多向转动的支撑柱等效为纤维梁单元，考虑垂度变化的钢丝绳等效为索单元，消能器等效为非线性弹簧单元；

步骤d：建立包含系统安装形态及初始内力的计算模型Ⅱ；对计算模型Ⅰ进行初始化计算，包括形态初始化和内力初始化，更新模型的几何形态、单元内力，记为计算模型Ⅱ；

步骤e：建立包含致灾体数字化信息的计算模型Ⅲ；在计算模型Ⅱ中添加边坡致灾体，设置致灾体与防护系统的耦合传力，获得计算模型Ⅲ；

步骤f：进行致灾体与防护系统显式动力计算；计算时间终点设置在冲击力峰值出现之后，提取计算结果；

步骤g：结果验算；验算残余防护高度H和缓冲距离D，验算网片承载力、钢丝绳内力、消能器伸长量、支撑柱稳定性；若验算不通过，返回步骤b，循环直至通过验算。

2.根据权利要求1所述的一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法，其特征在于：步骤b中，根据防护场景，选择不同的防护体系，包括但不限于：边坡危岩清理施工防护和高陡边坡落石灾害防护均选择引导式防护系统；落石轨迹易预测且不易发生弹跳扩散的防护区域选择被动网防护系统。

3.根据权利要求1所述的一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法，其特征在于：步骤c中，柔性网片特点如下：1)纤维化截面：柔性网片由离散的圆形网环套接而成，圆形网环由钢丝盘结多圈而成，采用纤维化的多段一维梁单元等效圆型网环，模拟一维梁单元截面上的弹塑性分区演化；2)非线性本构：计算模型Ⅰ中，柔性网片的材料为多线性弹塑性本构，用以考虑每个网环的多阶段受力行为；3)非线性接触：每个网环划分的网格数量必须保证以直代曲后具有一定的拟合度，每个网环采用不低于16个直线纤维梁单元等效，每个网环间相对独立，成离散接触状态；

步骤c中，支撑柱特点如下：1)纤维化截面：同组成柔性网片的圆形网环，支撑柱采用纤维化的一维梁单元等效；2)非线性边界：支撑柱锚固端在防护网面法向可自由摆动，在防护网面平行方向为限幅摆动，摆幅区间大致为(-15°,15°)；因此，在支撑柱锚固端边界设置中释放三轴旋转约束，并设置非线性旋转弹簧约束水平向偏摆，该旋转弹簧的力-位移曲线为3个控制点的双折线，控制点分别为原点O_r(0,0)，限制点P_r1(θ_r1,M_r1)，极限点P_r2(θ_r2,M_r2)，其中，θ_r1为最大水平偏摆角；

步骤c中，消能器特点如下：1)非线性单元：消能器通过塑性变形消耗能量，在计算模型Ⅰ中采用非线性弹簧单元等效；2)非线性本构：消能器材料的力-位移曲线可由试验获得，该曲线为4个控制点的三折线，控制点分别为原点O(0,0)，启动点P₁(d₁,p₁)，强化点P₂(d₂,p₂)，极限点P₃(d₃,p₃)，OP₁为消能器弹性启动段，P₁P₂为拉伸消能段，P₂P₃为极限强化段。