[发明专利]一种高效率岩土体离散元数值计算颗粒搜索和运行方法

摘要

一种高效率岩土体离散元数值计算颗粒搜索和运行方法，该方法包括基于划定空间网格和颗粒窗口搜索最优邻近颗粒，以及通过累积颗粒位移控制和减少搜索算法运行。对于岩土体等非流体数值模拟，使用位移矩阵控制窗口搜索算法，通常数万次迭代才需要运行一次搜索算法，显著提高了离散元数值方法的速度，可实现岩土体大规模颗粒系统的动态模拟。

主权项

一种高效率岩土体离散元数值计算颗粒搜索和运行方法，其步骤包括：（1）建立初步邻近颗粒数组；依据颗粒坐标，建立具有特定单元边长的空间立方单元网格，以覆盖所有颗粒，并建立相应的网格编号矩阵；计算颗粒在网格位置，将每个颗粒的邻近网格中的颗粒存储为初步邻近颗粒数组，每个颗粒相对于其邻近颗粒为中心颗粒；（2）采用窗口法计算最优邻近颗粒；以每个颗粒为中心即中心颗粒建立特定大小的窗口，搜索初步邻近颗粒位于窗口内的颗粒，并存储于最优邻近颗粒数组；而窗口外颗粒至少沿坐标轴方向移动dS距离才能与中心颗粒接触；利用位移累积矩阵控制搜索算法；在离散元迭代运算中，累积计算每个颗粒位移矩阵D[X,Y,Z]，当D某一位移分量超过dS/2时，意味着可能有新颗粒与中心颗粒接触，运行步骤（1）‑（2）重新计算最优邻近颗粒数组，并重置颗粒位移矩阵D为0；步骤（2）中应用窗口法计算最优邻近颗粒，得到最优邻近颗粒数组，并通过位移矩阵来控制窗口搜索算法的运行；步骤10构建初始的颗粒离散元堆积模型，颗粒总数为m，颗粒由1开始连续编号到m；步骤11通过空间网格划分计算得到初步邻近颗粒；网格单元的边长为Wg，所有颗粒均包含在网格中；步骤12通过建立半径为Rw颗粒窗口确定最优邻近颗粒；由此获得颗粒窗口内最优邻近颗粒数组，将颗粒位移矩阵D[X,Y,Z]全部数值设为零，重新开始累积颗粒位移；步骤13利用最优邻近颗粒数组完成离散元数值计算；在每次迭代中，仅需判断中心颗粒与最优邻近颗粒矩阵中的颗粒接触关系，并计算相互作用力；一次迭代计算完成后，得到中心颗粒的位移量d[X,Y,Z]；步骤14累积中心颗粒位移矩阵D[X,Y,Z]=D[X,Y,Z]+d[X,Y,Z]；通过累积每次迭代中的中心颗粒位移，位移矩阵D记录了从前一次最优邻近颗粒搜索后的颗粒位移；步骤15判断max|D[X,Y,Z]|是否大于dS/2；即判断颗粒位移在某一坐标轴方向上是否超过dS/2；如果其大于dS/2，返回步骤11重新计算最优邻近颗粒；反之，进入步骤16；步骤16根据迭代次数等限定，判断是否继续迭代；如果是，进入步骤13；反之进入步骤17；步骤15在颗粒位移达到一定量时才进入步骤13重算最优邻近颗粒矩阵，再进行迭代计算；而步骤16则可直接进入步骤13进行迭代计算，而无需运行搜索算法；由于岩土体数值模拟中颗粒相对静态，而dS取0.1~0.5R、R为颗粒半径;数万次以上迭代才需运行一次搜索算法；步骤17返回数值模拟结果。