[发明专利]一种探测颗粒材料小应变刚度的数值模拟方法

权利要求书

1.一种探测颗粒材料小应变刚度的数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、选取颗粒材料的级配分布特征，制备由若干个球形颗粒组成的具有选定级配分布特征的数值试样；

步骤2、选定合适的颗粒材料参数，采用离散单元法，进行三轴试验数值模拟；

步骤3、将步骤1所制备的数值试样加载至目标剪应变值，选择惯性常数阈值I作为颗粒体系加载过程中的准静态判断条件，加载过程中保证数值试样剪切过程的准静态；

步骤4、对步骤3加载完成后的数值试样进行静置，直至数值试样不同区域的颗粒表现出受力均匀化，达到可用于小应变刚度观测的平衡状态；

步骤5、对步骤4所得到的可用于小应变刚度观测的平衡状态的颗粒体系的小应变刚度进行观测并记录，得到数值试样加载至目标剪应变幅度值后的轴向应力，记录剪应变值及应力值；

步骤6、更新三轴试验数值模拟的目标剪应变幅度值，重复步骤3至步骤5，直至观测到颗粒体系的剪切模量有明显降低并最终收敛；

步骤7、完成一组参数范围内颗粒体系的小应变刚度数值模拟，绘制刚度退化曲线。

2.根据权利要求1所述的探测颗粒材料小应变刚度的数值模拟方法，其特征在于：

所述步骤1中，颗粒材料的级配分布特征包括：钟形分布、均一粒径分布、二元分布、均匀分布以及参数不同的分形分布。

3.根据权利要求1所述的探测颗粒材料小应变刚度的数值模拟方法，其特征在于：

所述步骤2中，颗粒材料参数包括：颗粒材料杨氏模量、摩擦系数、固结阶段摩擦系数比、初始体积分数和围压。

4.根据权利要求1所述的探测颗粒材料小应变刚度的数值模拟方法，其特征在于：

所述步骤2中，边界条件为周期性边界。

5.根据权利要求1所述的探测颗粒材料小应变刚度的数值模拟方法，其特征在于：

所述步骤3具体包括：

步骤3.1、预设三轴试验数值模拟的目标剪应变幅度值；

步骤3.2、选择一定的惯性常数阈值I作为颗粒体系加载过程中的准静态判断条件，针对步骤1所制备数值试样，选择合适的应变速率使剪切过程中该颗粒体系的惯性常数小于或等于惯性常数阈值I；

步骤3.3、以步骤3.2选定的应变速率缩小轴向尺寸以压缩数值试样，同时保持恒定围压，直至将数值试样加载到步骤3.1预设的目标剪应变幅度值。

6.根据权利要求1所述的探测颗粒材料小应变刚度的数值模拟方法，其特征在于：

在加载过程中为了保持数值试样的围压不变，需要变化数值试样除轴向外的其余方向尺寸。

7.根据权利要求1所述的探测颗粒材料小应变刚度的数值模拟方法，其特征在于：

所述步骤3中，剪应变定义为：

其中，Δε_z表示颗粒体系轴向应变，Δε_x和Δε_y表示水平向应变。

8.根据权利要求1所述的探测颗粒材料小应变刚度的数值模拟方法，其特征在于：

采用正交实验法对不同参数组合下颗粒体系进行试验，综合考虑小应变刚度的观测误差和计算效率确定惯性常数阈值。

9.根据权利要求1所述的探测颗粒材料小应变刚度的数值模拟方法，其特征在于：

所述步骤4具体包括：

步骤4.1、选择颗粒体系的动能阈值KE作为固结完成后颗粒体系平衡状态的判断条件；

步骤4.2、对步骤3加载完成后的数值试样进行静置，计算静置后颗粒体系动能，当颗粒体系的动能小于动能阈值KE时，即可认为其固结完成，达到可用于小应变刚度观测的平衡状态。

10.根据权利要求1所述的探测颗粒材料小应变刚度的数值模拟方法，其特征在于：

所述步骤5中，小应变刚度定义为：

其中，Δσ_z表示颗粒体系轴向应力增量，Δσ_x和Δσ_y表示水平向应力增量。