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基于離散元的光纖土體耦合性能模擬方法

文檔序號(hào):40654186發(fā)布日期:2025-01-10 19:03閱讀:1來(lái)源:國(guó)知局
基于離散元的光纖土體耦合性能模擬方法

本發(fā)明屬于光纖拉拔試驗(yàn)數(shù)值模擬方法,具體涉及基于離散元的光纖土體耦合性能模擬方法。


背景技術(shù):

1、分布式光纖感測(cè)技術(shù)由于具有連續(xù)分布式、長(zhǎng)距離、耐久性好、性價(jià)比高等特點(diǎn),常常用于監(jiān)測(cè)土體變形。土體與傳感光纜之間的耦合性能是影響監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。在進(jìn)行室內(nèi)拉拔試驗(yàn)時(shí),易受到圍壓較小、回填材料不密實(shí)、參數(shù)測(cè)試?yán)щy和考慮工況單一等因素的影響。數(shù)值模擬方法可以很好的避免上述限制并為更好地理解纖-土力學(xué)耦合提供途徑。在眾多的數(shù)值模擬方法中,離散元法具有顯著優(yōu)勢(shì)。主要體現(xiàn)在離散元法能夠在顆粒級(jí)別模擬土體的行為,從而深入分析材料的微觀特性和相互作用。離散元法特別適合處理非連續(xù)材料,如土壤、碎石和巖石等,在這些材料中,顆粒之間的相互作用和相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)整體行為有顯著影響,而傳統(tǒng)的基于連續(xù)介質(zhì)模型的方法(如有限元法)難以有效捕捉這些特性。離散元法的另一個(gè)非常重要的優(yōu)點(diǎn)是它可以記錄光纖在拉拔過(guò)程中的應(yīng)力-應(yīng)變,也可以更為直觀的展示纖-土界面破壞規(guī)律以及土體變形信息。這為記錄和分析土體變形和漸進(jìn)破壞的全過(guò)程提供了可靠的依據(jù)。因此離散元法是評(píng)估分布式光纖監(jiān)測(cè)土體變形可靠性的有效工具。


技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供基于離散元的光纖土體耦合性能模擬方法,解決了現(xiàn)有連續(xù)介質(zhì)分析方法對(duì)非連續(xù)介質(zhì)不適用性的問題。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:基于離散元的光纖土體耦合性能模擬方法,包括以下步驟:

3、步驟1、確定試驗(yàn)箱尺寸參數(shù)、光纖直徑、土顆粒最小和最大半徑、試驗(yàn)土體的宏觀力學(xué)參數(shù),其中,試驗(yàn)箱尺寸參數(shù)包括長(zhǎng)度、寬度和高度,試驗(yàn)土體的宏觀力學(xué)參數(shù)包括密度、黏聚力和摩擦角;

4、步驟2、通過(guò)二維顆粒流直剪試驗(yàn)?zāi)M,得到試驗(yàn)土體的材料細(xì)觀參數(shù);

5、步驟3、生成三維拉拔離散元模型;

6、步驟4、拉動(dòng)光纖,觀察光纖在拉拔過(guò)程中光纖的力-位移、試樣土體的變形信息和試驗(yàn)土體的膠結(jié)破壞狀態(tài)。

7、本發(fā)明的特點(diǎn)還在于,

8、步驟2具體為:設(shè)置與步驟1中土顆粒最小和最大半徑對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)土體材料細(xì)觀參數(shù),對(duì)試驗(yàn)土體通過(guò)成樣、預(yù)壓、加膠結(jié)、施加法向應(yīng)力和剪切監(jiān)測(cè)的方式,分別得到四個(gè)水平法向應(yīng)力下的剪應(yīng)力-剪切變形曲線,記錄剪應(yīng)力-剪切變形曲線的峰值和法向應(yīng)力,以抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo)、法向應(yīng)力為橫坐標(biāo),繪制抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力關(guān)系曲線,抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力關(guān)系曲線的傾角和截距即為模擬得到的試驗(yàn)土體的內(nèi)摩擦角和黏聚力,再將模擬得到的試驗(yàn)土體的內(nèi)摩擦角和黏聚力與步驟1中試驗(yàn)土體的宏觀力學(xué)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比,若誤差在設(shè)定10%誤差范圍之內(nèi),則得到與試驗(yàn)土體宏觀力學(xué)參數(shù)對(duì)應(yīng)的材料細(xì)觀參數(shù);反之則調(diào)整試驗(yàn)土體的材料細(xì)觀參數(shù)設(shè)置值,使得模擬得到的試驗(yàn)土體的內(nèi)摩擦角和黏聚力與步驟1中試驗(yàn)土體的宏觀力學(xué)參數(shù)在設(shè)定誤差范圍之內(nèi)。

9、四個(gè)水平法向應(yīng)力中相鄰兩水平法向應(yīng)力差值相等,差值范圍為50kpa~100kpa。

10、加膠結(jié)為選擇線性接觸粘結(jié)模型作為試驗(yàn)土體接觸模型。

11、設(shè)置的試驗(yàn)土體的材料細(xì)觀參數(shù)包括密度、孔隙率、顆粒最小半徑、顆粒最大半徑、有效模量、法向-切向剛度比、顆粒摩擦系數(shù)、黏結(jié)抗拉強(qiáng)度、黏結(jié)抗剪強(qiáng)度、膠結(jié)間距、及局部阻尼因子,其中顆粒最小半徑設(shè)置為步驟1中的土顆粒最小半徑,顆粒最大半徑設(shè)置為步驟1中的土顆粒最大半徑。

12、步驟3具體包括以下步驟:

13、步驟3.1、按照步驟1中的試驗(yàn)箱尺寸生成六面邊界墻,并按下式估算初始顆粒半徑:

14、r/d<0.005

15、式中,r初始顆粒半徑,d為試驗(yàn)箱尺寸中的最小值;

16、步驟3.2、在步驟3.1的邊界墻內(nèi),按初始顆粒半徑r生成n個(gè)試驗(yàn)土體顆粒,n個(gè)試驗(yàn)土體顆粒默認(rèn)接觸模型為線性接觸模型,同時(shí)設(shè)置初始密度、局部阻尼系數(shù)、有效模量和法向-切向剛度比,運(yùn)行2000個(gè)時(shí)間步,每50步清除動(dòng)能,得到拉拔離散元模型a;

17、步驟3.3、在步驟3.2所得拉拔離散元模型a中心處生成半徑為3cm,長(zhǎng)度為試驗(yàn)箱長(zhǎng)度的圓柱形幾何體ⅰ,刪除圓柱形幾何體ⅰ內(nèi)的試驗(yàn)土體顆粒,并在圓柱形幾何體內(nèi)生成n'個(gè)顆粒,n'個(gè)顆粒的半徑范圍為步驟1中的土顆粒最小半徑和土顆粒最大半徑之間均勻分布;n'個(gè)試驗(yàn)土體顆粒默認(rèn)接觸模型為線性接觸模型,同時(shí)設(shè)置初始密度、局部阻尼系數(shù)、有效模量和法向-切向剛度比;按平均不平衡力與平均接觸力之和的比值小于1×10-5的標(biāo)準(zhǔn)平衡顆粒,得到拉拔離散元模型b;

18、步驟3.4、在步驟3.3所得拉拔離散元模型b的中心處生成直徑為步驟1中的光纖直徑,長(zhǎng)度為試驗(yàn)箱長(zhǎng)度的圓柱形幾何體ⅱ,刪除圓柱形幾何體ⅱ內(nèi)的試驗(yàn)土體顆粒,利用顆粒流程序pfc中的“zone?create”命令在圓柱形幾何體ⅱ內(nèi)生成光纖模型,光纖長(zhǎng)度為試驗(yàn)箱長(zhǎng)度的1.2倍,光纖直徑為步驟1中的光纖直徑;為代表光纖的zone單元的表面生成皮膚層,然后在皮膚層上創(chuàng)建一個(gè)命名為“wall”的墻體,zone單元本構(gòu)模型采用線彈性模型,同時(shí)根據(jù)光纖規(guī)格,設(shè)置zone單元的初始化密度、彈性模型和泊松比,得到拉拔離散元模型c;

19、步驟3.5、在確定步驟3.3中的試驗(yàn)土體的宏觀力學(xué)參數(shù)對(duì)應(yīng)的細(xì)觀參數(shù)和步驟3.4所得拉拔離散元模型c之后,對(duì)試驗(yàn)土體—光纖之間的耦合接觸細(xì)觀參數(shù)選用線性接觸本構(gòu),對(duì)比無(wú)圍壓時(shí)數(shù)值拉拔試驗(yàn)和室內(nèi)拉拔試驗(yàn)得到的拉拔力與拉拔位移關(guān)系曲線,當(dāng)誤差在10%之內(nèi),則認(rèn)為所選耦合接觸模型參數(shù)可反映光纖—試驗(yàn)土體耦合力學(xué)特性,標(biāo)定結(jié)果為試驗(yàn)土體—光纖之間的耦合接觸細(xì)觀參數(shù);

20、步驟3.6、清除步驟3.4拉拔離散元模型c中試驗(yàn)土體顆粒的速度、位移、接觸力和接觸力矩,試驗(yàn)土體顆粒賦予步驟2中試驗(yàn)土體的宏觀力學(xué)參數(shù)對(duì)應(yīng)的細(xì)觀參數(shù)和步驟3.5得到的試驗(yàn)土體—光纖之間的耦合接觸細(xì)觀參數(shù),運(yùn)行5000個(gè)時(shí)間步,得到拉拔離散元模型d;

21、步驟3.7、設(shè)置x、y、z方向目標(biāo)應(yīng)力值分別為txx、tyy和tzz,在步驟3.6得到的拉拔離散元模型d中,通過(guò)fish函數(shù)伺服控制步驟3.1中六面邊界墻的速度,使邊界墻上的應(yīng)力達(dá)到目標(biāo)應(yīng)力值,再按平均不平衡力與平均接觸力之和的比值小于1×10-5的標(biāo)準(zhǔn)平衡顆粒,光纖與試驗(yàn)土體緊密結(jié)合,得到拉拔離散元模型e。

22、步驟4具體包括以下步驟:

23、步驟4.1、指定加載節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)單元,將光纖端部5%的光纖長(zhǎng)度范圍設(shè)置為拉伸段,拉伸段后設(shè)置光纖長(zhǎng)度2.5%范圍內(nèi)設(shè)置為監(jiān)測(cè)段;

24、步驟4.2、初始化一個(gè)數(shù)組"jiance"用于儲(chǔ)存步驟4.1中監(jiān)測(cè)段區(qū)域的索引,遍歷所有zone單元,如果某個(gè)單元屬于監(jiān)測(cè)段,就將屬于監(jiān)測(cè)段的單元的索引存入"jiance"數(shù)組,統(tǒng)計(jì)并記錄"jiance"數(shù)組索引的個(gè)數(shù)為n";在每個(gè)時(shí)間步中,獲取當(dāng)前時(shí)間"time",并根據(jù)拉伸段速度計(jì)算位移;初始化變量force’,在數(shù)組"jiance"中循環(huán)遍歷前n"個(gè)區(qū)域,獲取每個(gè)區(qū)域的應(yīng)力,將該應(yīng)力值累加到force’中,再根據(jù)光纖的橫截面面積計(jì)算拉拔力:

25、

26、式中,f為拉拔力,force'為累計(jì)應(yīng)力值,d為光纖直徑,n"為"jiance"數(shù)組索引數(shù);

27、步驟4.3、設(shè)置拉伸段加載速度v、最終拉拔位移s和試驗(yàn)終止時(shí)間t',根據(jù)位移和加載速度計(jì)算總時(shí)間,即最終位移除以加載速度,得到加載過(guò)程所需的時(shí)間;使用"zonegridpoint"命令清除步驟3.7所得拉拔離散元模型e的節(jié)點(diǎn)位移,將模型的機(jī)械時(shí)間初始化為0重置時(shí)間計(jì)數(shù);給步驟4.1拉伸段中的節(jié)點(diǎn)施加速度v,求解模型,運(yùn)行到設(shè)定的試驗(yàn)終止時(shí)間t',將拉拔離散元模型e修改為拉拔離散元模型f,實(shí)現(xiàn)光纖拉拔過(guò)程的模擬。

28、本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的基于離散元的光纖土體耦合性能模擬方法,通過(guò)生成三維離散元拉拔模型,可以考慮實(shí)際室內(nèi)試驗(yàn)不同圍壓、不同回填料材料性質(zhì)、不同錨固方式和不同光纖種類等工況,室內(nèi)拉拔試驗(yàn)往往在成本效益和時(shí)間上花費(fèi)較大,采用離散元模擬可以不受實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的限制,具有靈活性和可拓展性,離散元模擬可以補(bǔ)充部分試驗(yàn),且基于離散元的光纖土體耦合性能模擬方法可以得到現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)不容易測(cè)得的數(shù)據(jù)(應(yīng)力、位移等),通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析,可以更加深入得理解光纖與土體之間的相互作用機(jī)制,也可以研究在拉拔過(guò)程中光纖界面的破壞規(guī)律和土體變形信息??赏茝V至土工格柵、錨桿等其他土工材料的拉拔試驗(yàn)。

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