[发明专利]一种基于自适应步长的非饱和土动力数值计算方法

说明书

本发明公开了一种基于自适应步长的非饱和土动力数值计算方法，它解决了现有技术中计算精度和效率不能很好的统一、时间步长不能自动调整的问题，具有能够精确的评估计算误差并提高计算的效率，节省计算时间，能够准确的描述非饱和土的变形特征的效果，其技术方案为：包括固相位移误差、孔隙水压误差和孔隙气压误差的评估，通过实时计算数值分析中的固相位移误差、孔隙水压误差和孔隙气压误差，以混合误差作为固相位移误差、孔隙水压误差和孔隙气压误差的函数，并将混合误差作为时间步长调整的依据，精确的评估计算非饱和土动力数值误差，实时调整计算时间步长。

技术领域

本发明涉及非饱和土力学研究技术领域，尤其涉及一种基于自适应步长的非饱和土动力数值计算方法。

背景技术

非饱和土力学的研究开始于上个世纪30年代，非饱和土的特征为由固相、液相和气相三相组成，并同时在液气交界面上存在基质吸力，在计算土中应力时需要分别计算固相有效应力，孔隙水压力和孔隙气压力。

在实际工程中，非饱和土占多数，如在基坑工程、路基路面工程、边坡工程中都涉及非饱和土。关于非饱和土的研究方法有理论分析、试验研究和数值分析。而数值分析作为第三种科学研究方法，受到广大研究者的青睐。

数值分析又分为静力计算和动力计算，在有限元动力数值计算中，需要同时对控制方程进行空间域和时间域的离散，其中的离散误差不可忽视。时间域的离散误差与时间离散的方法和计算时间步长的选取有关，如采用隐式求解方法，可以获得较高精度，但需要不停的迭代计算，会有不收敛和效率低的缺点；采用显式求解方法，效率高，但是计算时间步长的选取对计算结果的精度影响较明显。

总而言之，仍存在以下问题：

(1)显式计算中，计算的精度和效率不能很好的统一，时间步长越小则精度越高，同时计算时间也越长；时间步长较大时，计算时间短，但精度却不能保证；

(2)在非饱和土动力数值计算中仍缺少一种能自动调整时间步长的计算方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于自适应步长的非饱和土动力数值计算方法，其具有能够精确的评估计算误差并提高计算的效率，节省计算时间，能够准确的描述非饱和土的变形特征的效果。

本发明采用下述技术方案：

一种基于自适应步长的非饱和土动力数值计算方法，包括固相位移误差、孔隙水压误差和孔隙气压误差的评估，通过实时计算数值分析中的固相位移误差、孔隙水压误差和孔隙气压误差，以混合误差作为固相位移误差、孔隙水压误差和孔隙气压误差的函数，并将混合误差作为时间步长调整的依据，精确的评估计算非饱和土动力数值计算的误差。

进一步的，包括以下步骤：

步骤(1)设置控制参数，分别为：初始时间步长Δt0，混合误差允许值固相位移误差调整系数λu，孔隙水压误差调整系数λw，孔隙气压误差调整系数λa，步长调整系数的最小值fmin和步长调整系数的最大值fmax；

步骤(2)进行有限元数值计算当前步；

步骤(3)进行固相位移误差评估、孔隙水压误差评估和孔隙气压误差评估；

步骤(4)计算混合误差、时间步长调整系数；

步骤(5)计算新的时间步长和荷载项；