【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及岩土工程数值计算领域，特别是涉及一种基于fdem方法的边坡动态滑动面的自动检索方法、装置、介质及设备。
技术介绍
1、在岩土工程数值分析领域，边坡滑动面的确定作为边坡稳定性分析的关键问题，一直没有很好的确定方法。传统的极限平衡法通过大量假设滑面，计算安全系数，从而找到最小安全系数对应的假设滑动面，并以此作为边坡的实际滑动面，然而，这种方法得到的滑动面形状取决于假设的边坡滑动面形状，与实际滑动面形状有较大出入。基于有限元方法的强度折减法虽然不需要假设滑动面形状，但只能根据网格变形图、塑性区和剪切应变率等可视化技术间接描绘滑动面，一方面容易受到主观判断的影响，另一方面费时费力，不利于批量提取滑动面。为提高获取边坡滑动面的精度和效率，从而采取针对性的加固和防护措施，一种基于fdem方法的边坡动态滑动面的自动检索算法提供了有效解决方法。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术提供了一种基于fdem方法的边坡动态滑动面的自动检索算法。该算法能够同时适用于二维和三维边坡滑动面的检索，其通过对fdem方法计算得到的节点位移等数据进行提取和处理，可以实现实时自动检索边坡在变形全过程中的动态滑动面，不仅可以保证检索的精度，即检索得到的滑动面更加贴近自然界中的真实边坡的实际滑动面，还可以大大减少边坡滑动面检索的工作量，提高边坡滑动面检索的效率，使批量检索成为可能，从而更加适用于实用。
2、为了达到上述第一个目的，本专利技术提供的基于fdem方法的边坡动态滑动面的自动检索方法的
3、本专利技术提供的基于fdem方法的边坡动态滑动面的自动检索方法包括以下步骤：
4、使用网格划分程序将被研究边坡划分为一定密度的三角形网格，设置一定的边界条件，并导出几何信息；
5、使用fdem程序读取边坡的单元和节点的几何信息，在三角形单元边界上插入无厚度四节点节理单元；
6、给定三角形有限单元的物理力学参数以及四边形节理单元的物理力学参；
7、基于已有的几何信息、定义的三角形有限单元和四边形节理单元的物理力学参数，进行各节点上等效节点力的求解；
8、给定一定的时间步长，通过对时间显式积分的向前差分法完成节点位置的更新；
9、重复前述步骤，直至完成给定的时间步数；
10、把fdem计算模块得到的边坡各节点位移数据导入滑面检索模块；
11、当边坡达到破坏或处于临界状态时，滑坡体上的节点位移将远远大于滑床上的节点位移，根据二者之间的显著差异，基于k-means聚类算法，将全部节点分为两组，即滑坡体上的节点和划床上的节点；
12、基于alpha shapes算法提取滑床和滑坡体的边界点；
13、对点集进行布尔运算，得到分离面附近的散点；
14、对于二维边坡和三维边坡，分别采用三次样条插值和薄板样条插值拟合出平滑的滑动面。
15、本专利技术提供的基于fdem方法的边坡动态滑动面的自动检索方法还可采用以下技术措施进一步实现。
16、作为优选，所述三角形有限单元的物理力学参数具体为弹性模量、泊松比、密度、内聚力、内摩擦角、抗拉强度，所述四边形节理单元的物理力学参数具体为粘聚力、静摩擦角、滑动摩擦角、残余摩擦角、抗拉强度、i型断裂能释放率，ii型断裂能释放率，裂隙罚函数，法向接触罚函数。
17、作为优选，所述基于已有的几何信息、定义的三角形有限单元和四边形节理单元的物理力学参数，进行各节点上等效节点力的求解具体包括以下步骤：
18、三角形有限单元计算：根据三角形单元的初始位置和当前位置，得到其变形梯度张量和速度梯度张量。基于变形梯度张量，得到左柯西-格林应变张量；基于速度梯度张量，得到变形速率张量。从而得到格林-圣维南应变张量，然后根据根据均质各向同性材料的广义胡克定律求解单元柯西应力。最终计算每个节点的等效节点力向量。
19、四边形节理单元计算：基于节理单元四个节点的当前坐标，计算节理单元两侧开度及滑移距离，根据给定的法向接触罚函数和切向接触罚函数，引入最大拉应力准则和摩尔库伦强度准则，判断节理单元是否发生屈服或破坏，如果是，则对节理单元的正应力和切应力进行修正，并分配至四个节点。
20、离散块体计算：在块体接触力计算之前，先采用munjiza教授提出的非二叉树接触判断方法(no binary search，nbs)对块体之间的接触关系进行检索，判断是否接触。当两个离散块体判定接触之后，通过势函数的方法来计算块体之间的接触力。每个三角形得到接触力之后，分散到三个节点。
21、作为优选，所述通过对时间显式积分的向前差分法完成节点位置的更新具体包括以下步骤：
22、
23、其中，m是集中质量对角矩阵，c是粘滞阻尼对角矩阵，x、分别为位移、速度和加速度；fint(x)是内部作用力，包括弹性变形力、节理单元的粘结力；fext(x)是施加的外力；fc(x)是接触力。
24、在第t个时间步，对每一个节点来说，首先获取它的合力f，根据节点质量m可以得到该节点的加速度a，结合该节点当前时步的速度可以得到t+δt时刻的速度即：
25、
26、然后结合该节点当前时刻的位移xt，得到t+δt时刻的速度xt+δt，即：
27、
28、在完成一个时间步后，每个节点的加速度、速度、位移和坐标都得到了更新。
29、作为优选，所述k-means聚类算法具体为：
30、聚类作为非监督学习的一种，是在事先并不知道任何样本标签的情况下，通过数据之间的内在关系把样本划分为若干类别，使得同类别样本之间的相似度高，不同类别之间的样本相似度低。
31、k-means聚类算法作为最基础常用的聚类算法，其基本思想是通过迭代寻找k个簇的一种划分方案，使得聚类结果对应的损失函数最小。其中，损失函数可以定义为各个样本距离所属簇中心点的误差平方和：
32、
33、其中xi代表第i个样本，ci是xi所属的簇，代表簇对应的中心点，m是样本总数。
34、作为优选，所述alpha shapes算法具体为：
35、对于任意形状的平面点云，若一个半径为a的圆绕其进行滚动，若滚动圆半径a足够小时，则点云中每个点均为边界点；若增大到一定程度，其只在边界上进行滚动，其滚动的轨迹就是点云边界。可以通过调整滚动圆半径a的大小来调界点云边界的精细程度。
36、alpha shapes算法作为一种简单有效的快速提取平面点云边界点算法，其基本思路如下：
37、给定一个合适的滚动圆半径r(滚动圆半径决定边界的精细程度，在一定范围内，r越小，边界越精细)。
38、假定平面点云中有n个无序点，对任意两点而言，如果它们之间的距离小于2r，则过这两点绘制半径为r的圆，满足要求的圆有两个，如果任意一个圆内没有无序点，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种边坡动态滑动面的自动检索方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的边坡动态滑动面的自动检索方法，其特征在于，所述三角形有限单元的物理力学参数具体为弹性模量、泊松比、密度、内聚力、内摩擦角、抗拉强度，所述四边形节理单元的物理力学参数具体为粘聚力、静摩擦角、滑动摩擦角、残余摩擦角、抗拉强度、I型断裂能释放率，II型断裂能释放率，裂隙罚函数，法向接触罚函数。
3.根据权利要求1所述的边坡动态滑动面的自动检索方法，其特征在于，所述基于已有的几何信息、定义的三角形有限单元和四边形节理单元的物理力学参数，进行各节点上等效节点力的求解具体包括以下步骤：
4.根据权利要求1所述的边坡动态滑动面的自动检索方法，其特征在于，所述通过对时间显式积分的向前差分法完成节点位置的更新具体包括以下步骤：
5.根据权利要求1所述的边坡动态滑动面的自动检索方法，其特征在于，所述k-means聚类算法具体为：
6.根据权利要求1所述的边坡动态滑动面的自动检索方法，其特征在于，所述AlphaShapes算法具体为：
7.根
8.一种边坡动态滑动面的自动检索装置，其特征在于，包括：
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有边坡动态滑动面的自动检索程序，所述边坡动态滑动面的自动检索程序在被处理器执行时，实现权利要求1-8中任一所述的边坡动态滑动面的自动检索方法的步骤。
10.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有边坡动态滑动面的自动检索程序，所述边坡动态滑动面的自动检索程序在被所述处理器执行时，实现权利要求1-8中任一所述的边坡动态滑动面的自动检索方法的步骤。
...【技术特征摘要】
1.一种边坡动态滑动面的自动检索方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的边坡动态滑动面的自动检索方法，其特征在于，所述三角形有限单元的物理力学参数具体为弹性模量、泊松比、密度、内聚力、内摩擦角、抗拉强度，所述四边形节理单元的物理力学参数具体为粘聚力、静摩擦角、滑动摩擦角、残余摩擦角、抗拉强度、i型断裂能释放率，ii型断裂能释放率，裂隙罚函数，法向接触罚函数。
3.根据权利要求1所述的边坡动态滑动面的自动检索方法，其特征在于，所述基于已有的几何信息、定义的三角形有限单元和四边形节理单元的物理力学参数，进行各节点上等效节点力的求解具体包括以下步骤：
4.根据权利要求1所述的边坡动态滑动面的自动检索方法，其特征在于，所述通过对时间显式积分的向前差分法完成节点位置的更新具体包括以下步骤：
5.根据权利要求1所述的边坡动态滑动面的自动检索方法，其特征在于，所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨永涛，罗迅，夏阳，李俊峰，孙冠华，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：
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