[发明专利]基于MIDAS-PFC3D的离散元复杂模型识别方法

说明书

本发明公开了基于MIDAS‑PFC3D的离散元复杂模型识别方法，包括如下步骤：S1、将二维平面草图初步扩展成三维概略模型；S2、对三维概略模型进行合并切割处理，生成实体模型；S3、将实体模型划分为自由网格和映射网格，并实现不同部分间网格节点的耦合，生成的网格模型；S4、对于不同部分的网格区域，设置不同的属性；S5、导出网格数据信息；S6、通过转换接口将网格数据信息转换成PFC3D能识别的网格数据信息；S7、将转换后的网格信息导入进PFC3D，设定相关条件进行求解。

技术领域

本发明涉及岩土工程与地下工程的数值模拟研究领域，具体涉及基于MIDAS-PFC3D的离散元复杂模型识别方法。

背景技术

我国持续发展的基础建设使得工程条件越来越复杂，尤其岩土工程领域内许多研究对象，如堆积体边坡、堆石坝，碎石垫层、砂垫层、抛石路基等，本质上是由散体介质胶结或者架空而成，通过颗粒介质材料承受并传递上部荷载。多数工程涉及的材料种类多样，几何形态多样，力学环境复杂，使得工程上应用材料力学、结构力学、弹性力学、土力学、岩石力学等传统方法难以在数学上获得解析解，而对于大多数问题，由于材料和几何图形的非线性，无法对工程做出系统、全面的理解。

在这种背景下，数值分析方法已经成为大型土木工程求解科学问题不可或缺的分析手段。随着电子计算机的广泛使用，解决工程地质问题的数值模拟理论和方法迅速发展，使得研究工程地质数值方法更加成熟，解决工程地质问题更加准确，研究的课题更加深入。一方面，随着我国经济的迅速发展，层出不穷的工程建设不断地提出新的难题，用现成的数学、力学理论及目前规范对其无法做出精确的描述，数值模拟方法为解决这类问题提供了更经济有效的手段。另一方面，新的数值方法的不断成功应用，加深了人们对许多工程地质现象的理解，并极大地推动了工程地质科学的定量化进程。由于岩土工程的复杂性，常规的数值模拟方法如有限单元法、有限差分法、边界元法等在分析含节理、裂隙、断层等不连续岩土破坏问题时均带有局限性，这点在对于岩体的微观力学分析中体现的尤为明显，使得近年来颗粒离散元方法(又称颗粒流方法)在各类工程中获得了大量的尝试与应用。研究者期望利用该方法解决传统的岩土力学理论无法解释的典型力学现象，揭示复杂条件下微、细观介质的累积损伤与破坏机理，形成了当前该方法被高度重视与关注的局面。

MIDAS和PFC3D是两款岩土工程设计和研究领域应用较为普遍的软件。MIDAS是一款韩国优秀的专门针对岩土工程开发的有限元计算软件。MIDAS软件操作界面简洁友好，具有强大的模型前处理功能，具有建模速度快、地层分界准确、有限元精度易于控制等优点。可以灵活设置节点、建立几何构造、进行布尔运算等操作，不仅如此，还可通过接口导入CAD模型文件、.dxf文件和.fpn文件进行进一步编辑。软件中嵌入强大的网格拓扑计算功能，具有映射网格和自由网格等高级网格划分功能，方便快速的隧道建模助手,大模型的快速显示和最优的图形处理功能，适用于Windows操作环境的最新的用户界面系统,使用最新图形技术表现分析结果及计算输出功能。但MIDAS也有其自身缺陷，它常常只能解决连续岩土介质问题，对于离散介质无法进行计算模拟，且其内核算法计算并不稳定，常常出现未知的计算错误。除此之外，由于其软件本身采用刚度矩阵迭代计算的隐式有限元算法，在处理复杂非线性模型方面显现出了能力不足，较易出现方程迭代失败而终止计算，专利CN106227930A发明了一种从MIDAS到FLAC3D的接口，对MIDAS的计算能力有一定扩展，但其存在两个问题有待深入研究：一是仅仅使用了matlab进行编程，而matlab是一种脚本语言，在程序循环的方面效率非常低下，导致转换速度极慢；二是，即使转换到FLAC3D也只能进行连续问题的计算，FLAC3D并不能模拟大节理和大断层。PFC3D软件是一款美国ITASCA公司出品的商用DEM软件，适用于研究颗粒集合体的破裂和破裂发展问题，以及大位移的颗粒流问题，是一款用于模拟复杂固体力学问题和颗粒流问题的有效工具。这款软件不受变形量限制，可方便地处理非连续介质力学问题，体现多相介质的不同物理关系，可有效地模拟介质的开裂、分离等非连续现象，可以反映机理、过程、结果。