[发明专利]可用于施工过程模拟的有限元离散元多尺度耦合计算方法

权利要求书

1.可用于施工过程模拟的有限元离散元多尺度耦合计算方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)建立宏观有限元网格模型与对应的离散元子模型序列S_dem；

(2)根据工程边界条件和材料重度，进行自重平衡计算初始状态；

(3)施工过程模拟。

2.根据权利要求1所述的可用于施工过程模拟的有限元离散元多尺度耦合计算方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，具体步骤为：根据工程实际建立宏观有限元网格模型M_fem和表征材料力学行为的离散元子模型M_dem，给定子模型离散元的材料参数。

3.根据权利要求2所述的可用于施工过程模拟的有限元离散元多尺度耦合计算方法，其特征在于：针对宏观有限元模型的单元类型，确定每个单元高斯积分点的数量，将每个高斯点对应一个所述的离散元子模型M_dem，将多个离散元子模型M_dem组成1个序列S_dem，该序列根据宏观网格的变化进行更改。

4.根据权利要求1所述的可用于施工过程模拟的有限元离散元多尺度耦合计算方法，其特征在于：所述的步骤(2)包括如下步骤：

1)如果初始应力状态已知，将每一个高斯点处的应力作为边界施加给离散元子模型M_dem，通过伺服加载实现；

2)如果初始应力状态未知，通过如下公式(I)计算自重，转换为宏观模型上的节点力F；

F=γ∫∫[N]^Tdxdydz (I)；

其中γ为材料重度，N为形函数，T为转置运算符；

3)根据离散元子模型M_dem的初始状态，采用均匀化公式(II)得到材料的刚度，采用传统有限元按照弹性计算得到初始应力状态，然后采用步骤1)的方式把初始应力施加到离散元子模型M_dem上；

其中k_n为法向刚度，k_s为切向刚度，n_c为法向接触力的法线方向，t^c切向接触力的切线方向，D为切线刚度矩阵。

5.根据权利要求1所述的可用于施工过程模拟的有限元离散元多尺度耦合计算方法，其特征在于：所述的步骤(3)包括如下步骤：

1)随着施工过程的开展，宏观有限元网格会减少或者增加，确定对应减少或者增加网格对应的离散元子结构模拟，在原有的离散元子结构序列中增加或者删除离散元子结构模拟；

2)根据高斯点上的应变增量转换为离散元子结构的周期性边界条件，采用并行计算的方式对序列S_dem开展计算，根据公式(III)把离散元子模型计算结果得到积分点的应力；

其中V是离散元子模型的体积DEM，N_c是接触数量，d^c是接触颗粒中心向量，f^c是接触力的向量；

3)通过公式(IV)计算得到的节点反力与外力差值判断是否收敛，如果收敛输出宏观有限元的应力、应变、位移等信息和细观离散元的接触力、粘结断裂数，否则进行下一个循环，实现施工过程的模拟；

R＝∫_ΩB^TσdΩ-F (IV)；

其中B为有限元单元的B矩阵，σ为均匀画应力，R为残余节点荷载。