一种基于离散元的混凝土结构破坏过程数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种基于离散元的混凝土结构破坏过程数值模拟方法，包括以下步骤：基于目标混凝土结构件，采集目标混凝土结构件的边界墙尺寸，构建三维刚性边界墙，生成随机颗粒，压缩颗粒至高紧凑状态，根据颗粒中心间距与两颗粒的半径之和，获取处于接触状态的第二颗粒，并在第二颗粒的内部生成接触键；基于接触键的法向单位向量、切向单位向量，获取第二颗粒的合力向量及弯矩，以及第二颗粒在第一单位时间的加速度和角加速度，根据显示中心差分法，迭代更新第二颗粒在第二单位时间的位置、速度和角速度；根据迭代更新的结果，获取第二颗粒的接触作用力；本发明专利技术提供的方法可准确、快速预测混凝土从细观到宏观结构构件或结构的破坏过程。的破坏过程。的破坏过程。

【技术实现步骤摘要】
一种基于离散元的混凝土结构破坏过程数值模拟方法


[0001]本申请涉及土木工程仿真领域，具体而言，涉及一种基于离散元的混凝土结构破坏过程数值模拟方法。

技术介绍

[0002]随着现代化建设脚步的加快，混凝土作为主导材建筑料凭借取材便捷、造价低廉、抗压强度高等优势被广泛应用到各大土木工程中。研究混凝土结构力学性质及破坏过程，对工程设计施工、安全评估、质量保障等方面具有重要意义。混凝土是水泥、细骨料和粗骨料胶结而成的多相复合材料，具有明显的非均质属性。而混凝土结构的损伤往往萌生于材料局部截面，后逐渐扩展至整体。因此，有必要从细观角度出发，对混凝土结构破坏过程中的损伤机理及受力特性进行深入研究。
[0003]数值模拟研究材料的行为来减少试验开支，加速试验试错过程，是节约研究成本的有效方法。对于混凝土结构的数值模拟大多采用均质方法，以有限元法见常。但受到有限元方法本身限制，如相邻单元边界需要满足变形协调条件、裂缝出现时计算复杂(不连续)、增量法分析非线性问题时解的稳定差。同时，材料内部相互作用总会有新的受力表面产生，导致初始裂缝分布具有一定随机性。因此不宜采用均质方法对混凝土结构断裂行为进行系统分析.因此，急需一种基于离散元的混凝土结构损伤数值模拟方法,来解决现有技术中存在的技术问题。

技术实现思路

[0004]针对以上问题，本专利技术的目的是提出一种基于离散元方法的混凝土破坏过程数值模拟方法，以克服现有数值模拟方法局限性问题，且该方法可准确、快速预测混凝土从细观到宏观结构构件或结构的破坏过程。/>[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种基于离散元的混凝土结构破坏过程数值模拟方法，包括以下步骤：
[0006]基于目标混凝土结构件，采集目标混凝土结构件的边界墙尺寸，构建三维刚性边界墙，其中，三维刚性边界墙的墙体单元采用平面单元；
[0007]在三维刚性边界墙的墙体内部空间生成随机颗粒，压缩颗粒至高紧凑状态，根据颗粒中心间距与两颗粒的半径之和，获取处于接触状态的第二颗粒，并在第二颗粒的内部生成接触键；
[0008]基于接触键的法向单位向量、切向单位向量，获取第二颗粒的合力向量及弯矩，以及第二颗粒在第一单位时间的加速度和角加速度，根据显示中心差分法，迭代更新第二颗粒在第二单位时间的位置、速度和角速度；
[0009]根据迭代更新的结果，获取第二颗粒的接触作用力，其中，通过将接触作用力的法向力和剪切力，与目标混凝土结构件的抗拉强度、抗压强度、剪切强度进行对比，获取目标混凝土结构件的损伤情况。
[0010]优选地，在压缩颗粒至高紧凑状态的过程前，采用控制孔隙度方法生成颗粒的颗粒数量，包括：
[0011][0012]其中，n表示生成目标粒子数，V表示给定空间总体积，C表示孔隙度，R表示平均半径；体积分数在0.615
‑
0.735之间。
[0013]优选地，在压缩颗粒至高紧凑状态的过程中，通过弹性半无线空间压板压缩颗粒，压缩速度控制在0.0001m/s
‑
0.0012m/s之间；
[0014]压缩结束后，颗粒与压缩板之间的接触力小于0.1N；
[0015]高紧凑状态的判断依据为：检测颗粒间的配位数是否在4.01
‑
8.15之间，判断颗粒是否处于高紧凑状态，以及检查颗粒的重叠性。
[0016]优选地，在第二颗粒的内部生成接触键的过程中，令颗粒间的内聚力处于零应力状态，两个颗粒之间存在接触键需满足以下条件：
[0017][0018]其中，d
ij
表示两颗粒中心间距，r
i
表示第i个颗粒的半径，r
j
表示第j个颗粒的半径，α表示允许不完全接触的颗粒存在接触键。
[0019]优选地，在获取第二颗粒的合力向量及弯矩的过程中，法向单位向量用表示，
[0020]切向单位向量用表示：
[0021][0022]其中，Δp
c，rel
＝Δp
cj
‑
Δp
ci
，Δp
cj
表示第i个颗粒的接触点的位移增量，Δp
ci
表示第j个颗粒的接触点的位移增量，位移增量等于颗粒的位移增量与角度增量之和。
[0023]优选地，在获取第二颗粒的合力向量及弯矩的过程中，利用法向力和切向力的单位向量分别点乘相应力的标量，然后相加得到合力向量；
[0024]弯矩的计算公式为其中K
r
表示旋转刚度矩阵，表示旋转角度增量，r
i
表示第i个颗粒的半径，表示第i个颗粒的和第j个颗粒之间的作用力。
[0025]优选地，法向力为：
[0026]切向力为：其中，其中当颗粒间相对位移为正时，β
n
表示拉伸折减系数；当颗粒间相对位移为负时，β
n
表示压缩折减系数；βx表示剪切强度折减系数；
[0027]颗粒间的法向刚度为：其中，K
i
表示第i个颗粒的材料刚度；K
j
表示第j个颗粒的材料刚度；
[0028]颗粒间的切向刚度为K
s
＝μK
n
，其中，μ表示摩擦系数。
[0029]优选地，在获取加速度和角加速度的过程中，根据合力向量及弯矩，通过牛顿第二定律或达朗贝尔原理，获取第二颗粒在第一单位时间的加速度和角加速度。
[0030]优选地，在根据显示中心差分法进行迭代更新的过程中，包括以下步骤：
[0031]设置half_t＝dt*(0:N)+dt/2，t＝dt*(0:N)，其中，dt为时间增量，N为大于0的正整数；
[0032]第二颗粒在第一单位时间t的加速度为：
[0033][0034]第二颗粒在第一单位时间t的角加速度为：
[0035][0036]第二颗粒在第二单位时间t+1的加速度：
[0037][0038]第二颗粒在第二单位时间t+1的角速度：
[0039][0040]优选地，目标混凝土结构件的损伤情况包括，法向力判别公式和切向力判别公式；
[0041]法向力判别公式为：
[0042]F
n
≤α
f
F
r
[0043]‑
F
n
≤α
c
F
c
[0044]切向力判别公式为：
[0045]F
s
≤α
s
F
s
‑
μF
n
[0046]其中，α
t
、α
c
、α
s
分别为拉伸、压缩和剪切强度作用参数，F
n
表示颗粒间的法向力，F
s
表示颗粒间的切向力，F
t
表示颗粒材料的抗拉强度，F
c
表示材料的抗压强度。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于离散元的混凝土结构破坏过程数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：基于目标混凝土结构件，采集所述目标混凝土结构件的边界墙尺寸，构建三维刚性边界墙，其中，所述三维刚性边界墙的墙体单元采用平面单元；在所述三维刚性边界墙的墙体内部空间生成随机颗粒，压缩颗粒至高紧凑状态，根据颗粒中心间距与两颗粒的半径之和，获取处于接触状态的第二颗粒，并在所述第二颗粒的内部生成接触键；基于所述接触键的法向单位向量、切向单位向量，获取所述第二颗粒的合力向量及弯矩，以及所述第二颗粒在第一单位时间的加速度和角加速度，根据显示中心差分法，迭代更新所述第二颗粒在第二单位时间的位置、速度和角速度；根据迭代更新的结果，获取所述第二颗粒的接触作用力，其中，通过将所述接触作用力的法向力和剪切力，与所述目标混凝土结构件的抗拉强度、抗压强度、剪切强度进行对比，获取所述目标混凝土结构件的损伤情况。2.根据权利要求1所述一种基于离散元的混凝土结构破坏过程数值模拟方法，其特征在于：在压缩颗粒至高紧凑状态的过程前，采用控制孔隙度方法生成所述颗粒的颗粒数量，包括：其中，n表示生成目标粒子数，V表示给定空间总体积，C表示孔隙度，R表示平均半径；体积分数在0.615
‑
0.735之间。3.根据权利要求2所述一种基于离散元的混凝土结构破坏过程数值模拟方法，其特征在于：在压缩颗粒至高紧凑状态的过程中，通过弹性半无线空间压板压缩所述颗粒，压缩速度控制在0.0001m/s
‑
0.0012m/s之间；压缩结束后，所述颗粒与压缩板之间的接触力小于0.1N；所述高紧凑状态的判断依据为：检测颗粒间的配位数是否在4.01
‑
8.15之间，判断颗粒是否处于高紧凑状态，以及检查所述颗粒的重叠性。4.根据权利要求3所述一种基于离散元的混凝土结构破坏过程数值模拟方法，其特征在于：在所述第二颗粒的内部生成接触键的过程中，令颗粒间的内聚力处于零应力状态，两个颗粒之间存在所述接触键需满足以下条件：其中，d
ij
表示两颗粒中心间距，r
i
表示第i个颗粒的半径，r
j
表示第j个颗粒的半径，α表示允许不完全接触的颗粒存在接触键。5.根据权利要求4所述一种基于离散元的混凝土结构破坏过程数值模拟方法，其特征在于：在获取所述第二颗粒的合力向量及弯矩的过程中，所述法向单位向量用表示，
所述切向单位向量用表示：其中，Δp
c，rel
＝Δp
cj
‑
Δp
ci
，Δp
cj
表示第i个颗粒的接触点的位移增量，Δp
ci
表示第j个颗粒的接触点的位移增量，所述位移增量等于所述颗粒的位移增量与角度增量之和。6.根据权利要求5所述一种基于离散元的混凝土结构破坏过程数值模拟...

【专利技术属性】
技术研发人员：简振鹏，杨旭姣，王健，李梓铭，王显利，齐春玲，赵欢，
申请(专利权)人：北华大学，
类型：发明
国别省市：