[发明专利]一种河冰力学性能的代表性表征方法

说明书

本发明涉及一种河冰力学性能的代表性表征方法，具体包括：S1、确定河冰代表体的细观结构及细观机理，基于细观计算力学方法得到所述河冰代表体，构建河冰细观计算模型；S2、基于所述河冰细观计算模型下的河冰强度，确定河冰在不同工况下的强度性能，分析河冰代表体尺寸并得到最终结果；S3、对所述最终结果在不同工况下的强度变化进行统计分析，确定能反映整体样本强度的最小细观河冰体元。本发明采用细观计算力学方法，并基于构建的河冰细观计算模型模拟河冰强度，对单轴加载情况下河冰强度进行模拟计算，以此确定河冰计算强度代表体的尺寸。

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，特别是涉及一种河冰力学性能的代表性表征方法。

背景技术

目前，对材料代表体的研究，已有成果多侧重于对材料弹性性能代表体的研究，对强度代表体的定量研究较少。部分公开文献中分析了5mm×5mm～25mm×25mm尺寸的颗粒增强型随机非均质材料数值样本在单轴拉伸和剪切两种荷载下的代表体尺寸，结果表明：硬化阶段代表体尺寸远大于弹性阶段，但是文中并未对代表体的尺寸给出定量结果。采用数值极限分析方法，研究了周期性复合材料代表体尺寸的选取对强度均匀化的影响，结果表明：代表体尺寸为20倍加载粒径以上时，均匀化性能才不受边界的影响。

河冰是指河水因热量变化产生的结冰现象，可取出储存供生活用，也可利用其作为渡桥，方便交通。河冰具有微观、细观和宏观等多重尺度特征，对其力学机理的研究，需要在不同层次深入研究，并建立各个层次间的联系。因此，河冰代表体尺寸的准确确定是河冰细观机理研究和宏观性能预测的重要基础，对建立河冰各个层次上的联系具有重要科学意义。对河冰而言，强度是衡量其封冻阶段力学性能的重要参数，由于其细观结构的复杂性，目前，对基于强度统计特征的河冰代表体尺寸研究尚未见详细报道。为更深入认识河冰强度的细观机理，开展河冰强度代表体尺寸的深入研究具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是基于细观计算强度的河冰代表体的定义和确定方法，并基于构建的河冰细观计算模型模拟河冰强度，对单轴加载情况下河冰强度进行模拟计算，以此确定河冰计算强度代表体的尺寸。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种河冰力学性能的代表性表征方法，具体包括以下步骤：

S1、确定河冰代表体的细观结构及细观机理，基于细观计算力学方法得到所述河冰代表体，构建河冰细观计算模型；

S2、基于所述河冰细观计算模型下的河冰强度，确定河冰在不同工况下的强度性能，分析河冰代表体尺寸并得到最终结果；

S3、对所述最终结果在不同工况下的强度变化进行统计分析，确定能反映整体样本强度的最小细观河冰体元。

优选地，基于物理属性的统计特征，所述河冰代表体为非均质材料。

优选地，所述河冰代表体要满足：

数值模拟结果不受数值样本随机性的影响；

强度随尺寸的增加趋于稳定，波动范围不能超过允许误差。

优选地，所述构建河冰细观计算模型具体为：

提取所述河冰代表体的晶粒尺寸和分布，确定河冰晶界及初始缺陷，得到细观结构参数；

基于冰晶的力学性能确定河冰晶粒弹性模量以及河冰晶粒断裂强度，计算冰晶界的强度，得到细观材料参数；

基于所述细观结构参数和所述细观材料参数构建河冰细观计算模型。

优选地，所述工况包括单轴受拉、单轴受压两种工况。

优选地，所述S2中，模拟河冰强度的具体过程为：

S2.1、从所述河冰细观计算模型中随机截取不同位置、同一尺寸的样本作为子样本；