【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于仿真，尤其涉及一种基于直接力浸没边界法的盾构隧道管片上浮仿真方法。
技术介绍
1、盾构掘进施工中因盾壳的存在，会在拼装完成脱出盾尾的管片与地层之间形成一圈间隙，即盾尾间隙，如果不及时填充会造成地层失稳、管片错位等问题，盾尾同步注浆通过向间隙内注入水泥浆液，从而填充盾尾间隙，盾尾注浆后，在浆液固化前，管片被周围一圈液体浆液包围，由于管片内部空心且厚度相对外径较小，管片重力小于浮力，会造成管片产生上浮。盾构隧道由同步注浆管片上浮引起的管片错台、接缝处漏水、轴线偏移等问题日益显著，这些问题若不引起重视，会严重危害施工安全。
2、目前，管片上浮仿真方法主要采用等代层来模拟盾尾间隙填充浆液，通过改变等代层模量来模拟盾尾同步注浆过程，这种方法本质是通过降低固体单元的模量来模拟流体，不能较好的模拟出管片上浮过程，同时也无法研究浆液在管片上浮过程中的压力分布，不能更加真实的揭示管片上浮机理；另一种方式是采用cfd软件研究管片上浮机理，但因为管片上浮仿真过程中固体产生运动，需要使用动网格技术，在模拟过程中需要不断重新划分网格，且因为盾尾间隙相对较小，网格尺寸需要划分的非常细密，大大的增加了模拟成本，也易出现不收敛情况。公告号为cn109684716b的专利中公开一种金属液滴多层沉积过程的周期间隔优化方法，其也无法实现对盾构隧道管片上浮进行仿真，存在与现有技术相同的弊端。
3、因此，如何提供一种模拟盾构隧道管片上浮仿真方法，准确且快速对盾构隧道管片上浮进行模拟仿真并输出结果，是本
人员亟待解决的问题。p>
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种基于直接力浸没边界法的盾构隧道管片上浮仿真方法，以解决现有技术中盾构隧道管片上浮仿真方法准确性低、成本较大的问题。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术采用了如下的技术方案：
3、本专利技术提供了一种基于直接力浸没边界法的盾构隧道管片上浮仿真方法，包括以下步骤：
4、s10、根据预定尺寸的正交控制体对流场区域进行网格划分，生成控制体编号和中心坐标，并设定流场边界条件；s20、离散浆液和管片接触边界，获取边界离散点信息，初始化流场参数和计算参数；s30、更新当前时间步流场控制体的面速度；s40、根据前一时间步流场单元受到的力，使用同位网格有限体积法对流场控制方程进行离散，迭代求解流场速度和压力；s50、根据前一时间步边界离散点受到的力，利用管片运动控制方程更新边界离散点速度和位置坐标；s60、利用插值函数得到边界离散点速度，利用直接力法计算边界离散点受到的力；s70、利用插值函数将边界离散点产生的力离散至整个流域；s80、将当前时间步计算得到的边界离散点速度、流场各单元受到的力、边界离散点受到的力和更新后的浆液粘度传递给下一时间步，直至外部迭代至指定时间。
5、进一步的，所述步骤s10具体是根据盾构隧道管片外径和盾尾间隙厚度设置流场求解域尺寸，即预定尺寸，以预定尺寸对流场区域进行网格划分，形成正方形网格，对控制体进行编号，生成控制体中心坐标并进行存储，将流场边界设置为壁面边界。
6、进一步的，所述步骤s20中，所述流场参数包括流体初始速度、流体初始压力、流体密度、流体粘度、时间步长和计算时长，所述计算参数包括管片厚度、管片内径、管片外径、管片密度、边界离散点个数和边界离散点坐标。
7、进一步的，所述步骤s30中，具体公式如下：
8、
9、其中，i和j分别表示沿x和y方向的控制体索引，uf表示x方向控制体壁面速度，vf表示y方向控制体壁面速度，u表示控制体x方向速度，v表示控制体y方向速度，当控制体壁面为边界时，控制体壁面速度为0。
10、进一步的，所述步骤s40中，控制方程为：
11、
12、其中，un+1为n+1时间步流场速度，un为n时间步流场速度，δt为时间步长，pn+1为n+1时间步流场压力，ρ为流场密度，μ为流场的动力粘度，fn为n时间步流场中x位置的控制体受到的力。
13、进一步的，所述步骤s50中，管片运动控制方程为：。
14、
15、其中，uc为管片质心运动速度矢量，fk为第k个边界离散点所受到的力，δx和δy分别为x和y方向的控制体尺寸，n为边界离散点的总数量，q为管片浮力，qr为管片抗浮力，ic为管片转动惯量，ωc为管片角速度，xk为第k个边界离散点的位置矢量，xc为管片中心的位置矢量。
16、进一步的，所述步骤s50中，边界离散点速度和位置坐标通过如下公式计算：
17、
18、其中，为n+1时间步管片中心的位置矢量，为n时间步管片中心的位置矢量，为n+1时间步管片质心运动速度矢量，为n+1时间步管片角速度，θn为n时间步管片旋转角度，θn+1为n+1时间步管片旋转角度，xn+1为n+1时间步边界离散点位置矢量，xn+1为n+1时间步边界离散点x方向位置，yn+1为n+1时间步边界离散点y方向位置，un+1(x)为n+1时间步x位置的边界离散点的速度矢量。
19、进一步的，所述步骤s60中，边界离散点速度通过如下公式计算：
20、
21、其中，为x位置边界离散点中间速度矢量，u(x)为x位置控制体速度矢量，x为控制体位置矢量，xn为n时间步边界离散点位置矢量，(x-xn)为狄拉克函数。
22、进一步的，所述步骤s60中，利用直接力法计算边界离散点受到的力通过如下公式计算：
23、
24、其中，f(x，t)为t时刻x位置边界离散点受到的力，u(x，t)为t时刻x位置边界离散点速度矢量，通过管片运动控制方程得到，为t时刻x位置边界离散点中间速度矢量，通过控制体速度插值得到。
25、进一步的，所述步骤s70中，计算公式如下：
26、
27、其中，fn+1(x)表示n+1时间步x位置控制体受到的力。
28、本专利技术提供的基于直接力浸没边界法的盾构隧道管片上浮仿真方法与现有技术相比，至少具有如下有益效果：
29、现有技术中管片上浮仿真方法不能较好的模拟出管片上浮过程，同时也无法研究浆液在管片上浮过程中的压力分布，不能更加真实的揭示管片上浮机理，另外也大大的增加了模拟成本，也易出现不收敛情况。本专利技术流程简单，操作便捷，成本也较低，通过同位网格有限体积法对流场控制方程进行离散，迭代求解流场速度和压力，并利用管片运动控制方程更新边界离散点速度和位置坐标，利用插值函数得到边界离散点速度，利用直接力法计算边界离散点产生的力，利用插值函数将边界点产生的力离散至整个流域，最后将当前时间步计算得到的边界离散点速度，流场各单元受到的力，边界离散点受到的力和更新后的浆液粘度传递给下一时间步，直至外部迭代至指定时间，实现了快速准确地对盾构隧道管片上浮进行模拟仿真并输出结果。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种基于直接力浸没边界法的盾构隧道管片上浮仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于直接力浸没边界法的盾构隧道管片上浮仿真方法，其特征在于，所述步骤S10具体是根据盾构隧道管片外径和盾尾间隙厚度设置流场求解域尺寸，即预定尺寸，以预定尺寸对流场区域进行网格划分，形成正方形网格，对控制体进行编号，生成控制体中心坐标并进行存储，将流场边界设置为壁面边界。
3.根据权利要求1所述的一种基于直接力浸没边界法的盾构隧道管片上浮仿真方法，其特征在于，所述步骤S20中，所述流场参数包括流体初始速度、流体初始压力、流体密度、流体粘度、时间步长和计算时长，所述计算参数包括管片厚度、管片内径、管片外径、管片密度、边界离散点个数和边界离散点坐标。
4.根据权利要求1所述的一种基于直接力浸没边界法的盾构隧道管片上浮仿真方法，其特征在于，所述步骤S30中，具体公式如下：
5.根据权利要求1所述的一种基于直接力浸没边界法的盾构隧道管片上浮仿真方法，其特征在于，所述步骤S40中，控制方程为：
6.根据权利要求1所述的一种
7.根据权利要求6所述的一种基于直接力浸没边界法的盾构隧道管片上浮仿真方法，其特征在于，所述步骤S50中，边界离散点速度和位置坐标通过如下公式计算：
8.根据权利要求1所述的一种基于直接力浸没边界法的盾构隧道管片上浮仿真方法，其特征在于，所述步骤S60中，边界离散点速度通过如下公式计算：
9.根据权利要求8所述的一种基于直接力浸没边界法的盾构隧道管片上浮仿真方法，其特征在于，所述步骤S60中，利用直接力法计算边界离散点受到的力通过如下公式计算：
10.根据权利要求1所述的一种基于直接力浸没边界法的盾构隧道管片上浮仿真方法，其特征在于，所述步骤S70中，计算公式如下：
...【技术特征摘要】
1.一种基于直接力浸没边界法的盾构隧道管片上浮仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于直接力浸没边界法的盾构隧道管片上浮仿真方法，其特征在于，所述步骤s10具体是根据盾构隧道管片外径和盾尾间隙厚度设置流场求解域尺寸，即预定尺寸，以预定尺寸对流场区域进行网格划分，形成正方形网格，对控制体进行编号，生成控制体中心坐标并进行存储，将流场边界设置为壁面边界。
3.根据权利要求1所述的一种基于直接力浸没边界法的盾构隧道管片上浮仿真方法，其特征在于，所述步骤s20中，所述流场参数包括流体初始速度、流体初始压力、流体密度、流体粘度、时间步长和计算时长，所述计算参数包括管片厚度、管片内径、管片外径、管片密度、边界离散点个数和边界离散点坐标。
4.根据权利要求1所述的一种基于直接力浸没边界法的盾构隧道管片上浮仿真方法，其特征在于，所述步骤s30中，具体公式如下：
5.根据权利要求1所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：李晓龙，栗鹏超，钟燕辉，张蓓，郭明，臧全胜，刘小锋，陈超亚，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。