一种基于离散元的混凝土结构破坏过程数值模拟方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114970229A(43)申请公布日2022.08.30(21)申请号202111549195.1(22)申请日2021.12.17(71)申请人北华大学地址132013吉林省吉林市丰满区滨江东路(72)发明人简振鹏杨旭姣王健李梓铭王显利齐春玲赵欢(74)专利代理机构北京东方盛凡知识产权代理事务所(普通合伙)11562专利代理师李娜(51)Int.Cl.G06F30/23(2020.01)G06F30/17(2020.01)G06F111/06(2020.01)G06F119/14(2020.01)权利要求书3页说明书8页附图2页(54)发明名称一种基于离散元的混凝土结构破坏过程数值模拟方法(57)摘要本发明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。CN114970229ACN114970229A权利要求书1/3页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，dij表示两颗粒中心间距，ri表示第i个颗粒的半径，rj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，2CN114970229A权利要求书2/3页所述切向单位向量用表示：其中，Δpc，rel＝Δpcj‑Δpci，Δpcj表示第i个颗粒的接触点的位移增量，Δpci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，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；所述弯矩的计算公式为其中Kr表示旋转刚度矩阵，表示旋转角度增量，ri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。7.根据权利要求6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：所述法向力为：所述切向力为：其中，其中当颗粒间相对位移为正时，βn表示拉伸折减系数；当颗粒间相对位移为