顆粒流與有限差分法耦合計(jì)算方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于顆粒物質(zhì)力學(xué)和有限差分法的耦合計(jì)算方法，屬于計(jì)算巖土力學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】。針對現(xiàn)有離散介質(zhì)與連續(xù)介質(zhì)計(jì)算模擬方法的局限性，采用顆粒流/有限差分網(wǎng)格表面任意位置耦合方法實(shí)現(xiàn)兩種不同介質(zhì)邊界相互作用力的傳遞，并以牛頓第二定律為基礎(chǔ)，分別對顆粒流和有限差分網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，建立了考慮離散介質(zhì)-連續(xù)介質(zhì)完全耦合的巖土材料計(jì)算模型。本發(fā)明能夠有效地實(shí)現(xiàn)離散介質(zhì)和連續(xù)介質(zhì)邊界耦合計(jì)算，可以多尺度分析巖土體的受力特性，同時有力推動了顆粒流和有限差分法在巖土工程【技術(shù)領(lǐng)域】的應(yīng)用。
【專利說明】顆粒流與有限差分法耦合計(jì)算方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種離散介質(zhì)與連續(xù)介質(zhì)計(jì)算模擬方法，具體涉及一種顆粒流與有限 差分法耦合計(jì)算方法，屬于計(jì)算巖土力學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】。 技術(shù)背景
[0002] 目前，在巖土力學(xué)數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域，常用的方法有有限元法、有限差分法、顆粒流等 方法，有限元法和有限差分法將巖土體視為連續(xù)介質(zhì)對其進(jìn)行計(jì)算，只能對巖土體進(jìn)行宏 觀分析，不能對土體顆粒的細(xì)觀特性進(jìn)行分析；顆粒流法將巖土體視為離散體，針對巖土體 的細(xì)觀特性進(jìn)行分析，但考慮到空間尺度問題，顆粒半徑與工程模型中最小結(jié)構(gòu)的尺寸應(yīng) 該保持一定的比例（內(nèi)尺度一般取0. 01?0. 1)，這就造成顆粒流模型需要上百萬的三維顆 粒，致使進(jìn)行顆粒流法計(jì)算對計(jì)算機(jī)硬件要求很高，計(jì)算成本很大。因此，迫切需要一種切 實(shí)的計(jì)算方法使有限差分法和顆粒流法能夠耦合計(jì)算，實(shí)現(xiàn)巖土體數(shù)值模擬計(jì)算過程中局 部采用顆粒流分析其細(xì)觀特性，其余部分采用有限差分法進(jìn)行分析，分析其整體的宏觀特 性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是針對當(dāng)前巖土體數(shù)值模擬方法主要采用有限元、有限差分法、顆 粒流等單一方法進(jìn)行模擬現(xiàn)狀，以及有限元、有限差分法不能分析巖土體細(xì)觀特性和顆粒 流法計(jì)算成本大的局限性，提出了一種顆粒流和有限差分法耦合算法，實(shí)現(xiàn)兩種不同介質(zhì) 邊界相互作用力的傳遞，并以牛頓第二定律為基礎(chǔ)，分別對顆粒流和有限差分網(wǎng)格進(jìn)行計(jì) 算，建立了考慮離散介質(zhì)-連續(xù)介質(zhì)完全耦合的巖土材料計(jì)算模型。
[0004] 技術(shù)方案：本發(fā)明提出的顆粒流與有限差分法耦合計(jì)算方法，包括以下步驟：
[0005] (1)，模型信息輸入及邊界節(jié)點(diǎn)信息的傳輸
[0006] 首先確定問題域，并將問題域劃分為離散介質(zhì)區(qū)域和連續(xù)介質(zhì)區(qū)域，對于離散介 質(zhì)區(qū)域采用顆粒流法建立計(jì)算模型，對于連續(xù)介質(zhì)區(qū)域采用有限差分法建立計(jì)算模型，輸 入計(jì)算問題域的標(biāo)識、模型參數(shù)以及外力信息，并確定離散介質(zhì)與連續(xù)介質(zhì)的接觸邊界，將 處于接觸邊界上的有限差分網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)、速度初始化并傳輸?shù)筋w粒流計(jì)算模塊，以此 進(jìn)行接觸邊界網(wǎng)格劃分；
[0007] (2)，接觸邊界網(wǎng)格函數(shù)形式
[0008] 采用自然坐標(biāo)映射法，運(yùn)用形函數(shù)和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)作為參數(shù)表示邊界網(wǎng)格，邊界網(wǎng)格 的空間
[0009] 形態(tài)為多參數(shù)曲面：

【權(quán)利要求】
1.顆粒流與有限差分法耦合計(jì)算方法，其特征在于具體步驟如下： (1) ，模型信息輸入及邊界節(jié)點(diǎn)信息的傳輸 首先確定問題域，并將問題域劃分為離散介質(zhì)區(qū)域和連續(xù)介質(zhì)區(qū)域，對于離散介質(zhì)區(qū) 域采用顆粒流法建立計(jì)算模型，對于連續(xù)介質(zhì)區(qū)域采用有限差分法建立計(jì)算模型，輸入計(jì) 算問題域的標(biāo)識、模型參數(shù)以及外力信息，并確定離散介質(zhì)與連續(xù)介質(zhì)的接觸邊界，將處于 接觸邊界上的有限差分網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)、速度初始化并傳輸?shù)筋w粒流計(jì)算模塊，以此進(jìn)行 接觸邊界網(wǎng)格劃分； (2) ，接觸邊界網(wǎng)格函數(shù)形式 采用自然坐標(biāo)映射法，運(yùn)用形函數(shù)和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)作為參數(shù)表示邊界網(wǎng)格，邊界網(wǎng)格的空 間形態(tài)為名參數(shù)曲面：
其中，X嚴(yán)為邊界網(wǎng)格上任意一點(diǎn)坐標(biāo)，x/為接觸界面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，Nj為接觸界面形 函數(shù)，j = 1?4, ξ、η為映射自然坐標(biāo)； (3) ，接觸邊界鄰近顆粒全域搜索 采用改進(jìn)空間網(wǎng)格法進(jìn)行全域搜索，搜索在可能與接觸邊界接觸的所有鄰近顆粒；首 先對顆粒流模型空間區(qū)域進(jìn)行空間網(wǎng)格劃分，經(jīng)驗(yàn)最佳空間網(wǎng)格尺寸為每個空間網(wǎng)格包羅 顆粒數(shù)目為4?20個，然后根據(jù)空間網(wǎng)網(wǎng)格的空間順序，依次確定各個空間網(wǎng)格所包羅的 顆粒，并確定包羅各個有限差分單元接觸面的空間網(wǎng)格集合，從而得到每個接觸邊界網(wǎng)格 所有可能與其接觸的鄰近顆粒； (4) ，接觸邊界鄰近顆粒的區(qū)域搜索 首先對全域搜索過程得到的潛在接觸顆粒與邊界網(wǎng)格進(jìn)行空間幾何運(yùn)算，剔除不符合 空間接觸條件的顆粒，然后采用牛頓迭代法計(jì)算顆粒中心到邊界網(wǎng)格的投影點(diǎn)自然坐標(biāo)， 從而得到顆粒中心到邊界網(wǎng)格的最小距離，并將其與顆粒半徑進(jìn)行比較，若其最小距離小 于顆粒半徑，則判定顆粒與邊界網(wǎng)格接觸；

【文檔編號】G06F17/50GK104091009SQ201410310306
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月1日
【發(fā)明者】趙學(xué)亮 申請人:東南大學(xué)