申请/专利权人：武汉科技大学

申请日：2017-11-30

公开（公告）日：2021-01-12

公开（公告）号：CN107944164B

主分类号：G06F30/23(20200101)

分类号：G06F30/23(20200101);G06F119/14(20200101)

优先权：

专利状态码：失效-未缴年费专利权终止

法律状态：2022.11.08#未缴年费专利权终止;2018.05.15#实质审查的生效;2018.04.20#公开

摘要：本发明涉及一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离方法及系统，包括：建立杆件模型对应的有限元模型。根据材料力学参数信息、第一边界条件和初始压力值，计算有限元模型的节点位移数据。根据材料力学参数信息、节点位移数据和第二边界条件，对有限元模型进行应力初始化。对处于应力初始化状态下的有限元模型分别进行爆破冲击卸载模拟计算得到第一动态应变数据以及进行瞬态卸荷卸载模拟计算得到第二动态应变数据。将第一动态应变数据减去第二动态应变数据，得到爆破冲击单独作用下的第三动态应变数据。本发明采用有限元分析软件作为基础平台，可以有效模拟爆破冲击与瞬态卸荷过程中岩体动态应变规律，并成功分离初始应力下爆破冲击与瞬态卸荷。

主权项：1.一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离方法，其特征在于，包括：步骤1、获取杆件模型的材料力学参数信息，并建立所述杆件模型对应的有限元模型；步骤2、根据所述材料力学参数信息、预施加给所述杆件模型的第一边界条件和初始压力值，计算所述有限元模型的节点位移数据；步骤3、根据所述材料力学参数信息、节点位移数据和预施加给所述杆件模型的第二边界条件，对所述有限元模型进行应力初始化；步骤4、对处于所述应力初始化状态下的所述有限元模型分别进行爆破冲击卸载模拟计算得到第一动态应变数据以及进行瞬态卸荷卸载模拟计算得到第二动态应变数据；步骤5、根据所述第一动态应变数据和所述第二动态应变数据，得到爆破冲击单独作用下的第三动态应变数据，完成荷载分离。

全文数据：一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离方法及系统技术领域[0001]本发明涉及体工程技术领域，特别涉及一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离方法及系统。背景技术[0002]西部地区地质、地形条件炅杂，而各类水利水电、铁路桥隨工程往往涉及到高地应力条件下大规模的坝基、高边坡和地下洞室群的岩体爆破开挖工作。根据以往小^溪洛渡、拉西瓦等大型水电项目的经验，这类工程往往面临严峻的大型岩体卸载松她及变形控制难题。同时，在矿山岩体开挖、核废料深部处置等工程中也极易由开挖扰动引起地^灾害。根据大量的观测资料，这类问题往往是爆破冲击荷载与瞬态卸荷荷载親合作用产生的。因此，分析爆破开挖荷载的组成，研究爆破冲击荷载与地应力瞬态卸荷荷载的分离与耦合模式等问题具有重要的理论意义和广阔的工程应用价值。发明内容[0003]本发明提供了一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离方法及系统，解决了以上所述的技术问题。[0004]本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离方法，包括：[0005]步骤1、获取杆件模型的材料力学参数信息，并建立所述杆件模型对应的有限元模型；[0006]步骤2、根据所述材料力学参数信息、预施加给所述杆件模型的第一边界条件和初始压力值，计算所述有限元模型的节点位移数据；[0007]步骤3、根据所述材料力学参数信息、节点位移数据和预施加给所述杆件模型的第二边界条件，对所述有限元模型进行应力初始化；[°008]步骤4、对处于所述应力初始化状态下的所述有限元模型分别进行爆破冲击卸载模拟计算得到第一动态应变数据以及进行瞬态卸荷卸载模拟计算得到第二动态应变数据；[0009]步骤5、根据所述第一动态应变数据和所述第二动态应变数据，得到爆破冲击单独作用下的第三动态应变数据，完成荷载分离。[0010]本发明的有益效果是:该方法采用有限元分析软件作为基础平台，可以有效模拟爆破冲击与瞬态卸荷过程中岩体动态应变规律，并成功分离初始应力下爆破冲击与瞬态卸荷，为深入研究岩体爆破开挖过程中荷载分离与耦合机制以及岩体松动机理提供理论基础D[0011]在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。[0012]进一步，所述材料力学参数信息包括:弹性模量，泊松比，密度，以及抗压强度。[0013]进一步，所述爆破冲击卸载模拟为炸药和岩石组合模型模拟，所述瞬态卸荷卸载为滑块上下飞出模型模拟。[0014]进一步，在所述步骤3之前，所述方法还包括：[0015]步骤6、将所述节点位移数据保存至动力松弛文件drelax中，删除所述第一边界条件，并获取预施加给所述杆件模型的第二边界条件，其中，所述第二边界条件为无反射边界条件。[0016]则所述步骤3还包括：[0017]从所述动力松弛文件drelax中获取所述节点位移数据。[0018]进一步，所述步骤2包括：[0019]根据所述材料力学参数信息、预施加给所述杆件模型的第一边界条件和初始压力值，通过隐式算法计算所述有限元模型的节点位移数据；[0020]则所述步骤3包括：[0021]根据所述材料力学参数信息、节点位移数据和预施加给所述杆件模型的第二边界条件，通过显式算法对所述有限元模型进行应力初始化。[0022]本发明的进一步有益效果：该方法以有限元分析软件为基础平台，综合运用隐式、显式分析方法，模拟初始应力直接瞬态卸荷过程和初始应力爆破卸荷过程，通过分析计算结果中模型的动态应力应变数据，以直接卸荷的计算结果为基础，从爆破卸荷的计算结果中分离出爆破冲击卸载单独作用下模型的应力应变规律。[0023]为了解决本发明的技术问题，还提供了一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载分离系统，包括；[0024]有限元模型建立模块，用于获取杆件模型的材料力学参数信息，并建立所述杆件模型对应的有限元模型；[0025]计算模块，用于根据所述有限元模型建立模块获取的所述材料力学参数信息、预施加给所述杆件模型的第一边界条件和初始压力值，计算所述有限元模型建立模块建立的所述有限元模型的节点位移数据；[0026]应力初始化模块，用于根据所述有限元模型建立模块获取的所述材料力学参数信息、所述计算模块计算的节点位移数据和预施加给所述杆件模型的第二边界条件，对所述有限元模型建立模块建立的所述有限元模型进行应力初始化；[0027]卸载模拟模块，用于对所述应力初始化模块进行应力初始化的所述有限元模型分别进行爆破冲击卸载模拟计算得到第一动态应变数据以及进行瞬态卸荷卸载模拟计算得到第二动态应变数据；[0028]数据处理模块，用于将所述第一动态应变数据减去所述第二动态应变数据，得到爆破冲击单独作用下的第三动态应变数据。[0029]进一步，所述材料力学参数信息包括:弹性模量，泊松比，密度，以及抗压强度。[0030]进一步，所述爆破冲击卸载模拟为炸药和岩石组合模型模拟，所述瞬态卸荷卸载为滑块上下飞出模型模拟。[0031]进一步，所述系统还包括：[0032]边界条件变更模块，用于将所述节点位移数据保存至动力松弛文件drelax中，删除所述第一边界条件，并获取预施加给所述杆件模型的第二边界条件，其中，所述第二边界条件为无反射边界条件；[0033]则应力初始化模块还用于:从所述动力松弛文件drelax中获取所述节占位移数据。"、、[0034]进一步，所述计算模块具体用于：[0035]根据所述材料力学参数信息、预施加给所述杆件模型的第一边界条件和初始压力值，通过隐式算法计算所述有限元模型的节点位移数据；’、[0036]则所述应力初始化模块具体用于：[0037]根据所述材料力学参数信息、节点位移数据和预施加给所述杆件模边界条件，通过显式算法对所述有限元模型进行应力初始化。一_]*发明附加的方翻优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下麵描述中变得明显，或通过本发明实践了麵。^•人卜囬日a抽附图说明性发明一个麵例提供的一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载雖分离方法性图本发明另一实翻提供的一种爆破冲击麵态卸荷的荷载数值分离方法性发明另一麵例提供的一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载雖分离方法rs性s?图本发明另一实施例提供的一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载雖分离方法[0043]图5为本发明另—实施例提働一种爆破冲击和瞬中初始应力下卸荷的示意性一维结构图；1何的荷载数值分离方法[00=]图6为本发明另—实施例提供的一种爆破冲击和瞬件模型瞬态卸载对应的应变时程曲线图；何的荷载分离方法中杆[0045]图7为本发明另一实施例提供的一种爆破冲击和瞬本件模型爆破冲击卸载对应的应变时程曲线图；u、荷的荷栽分离方法中杆[0046]图8为本发明另—实施例提供的一种爆破冲击和瞬石杆件爆破冲击卸载单独作用时的应变时程曲线图；心I何的荷载分离方法中岩[0047]图9为本发明—个实施例提的示意性结构图；瞬态卸荷的荷载数值分离系统iq为本发明另—个实施例提供的—种爆破冲击和瞵如___麵值分离系附图中，各标号所代表的元件列表如下：[0050]1、杆件模型。具体实施方式=限sssr发明的原理和特簡行描述，所举实例⑽实‘湖范围。」，、用于解释本发明，并LUUt,JJ一柙爆贩仲面和瞬态卸荷的荷载数值分离方法100,如图1所示，包括：[0054]步骤11、練杆件麵的簡力学参数信s，撤立杆件_对鋪有限元模型。[0055]步骤120、根据材料力学参数信息、预施加给杆件模型的第一边界条件始压力值，计算有限元模型的节点位移数据。[0056]步骤130、根据材料力学参数信息、节点位移数据和预施加给杆件模型的第二边界条件，对有限元模型进行应力初始化。[0057]步骤140、对处于应力初始化状态下的有限元模型分别进行爆破冲击卸载模拟计算得到第一动态应变数据以及进行瞬态卸荷卸载模拟计算得到第二动态应变数据。[0058]步骤150、根据第一动态应变数据和第二动态应变数据，得到爆破冲击单独作用下的第三动态应变数据，完成荷载分离。[0059]关于爆破冲击卸载和直接瞬态卸载，现有的研究资料绝大多数是基于工程实测数据的识别与分析或者理论推导，并且这些研宄资料都没有涉及到爆破冲击荷载与瞬态卸荷分离的问题，并且，目前也没有相应的比较成熟的方法来研究爆破冲击荷载与瞬态卸荷分离的问题。为了解决这个问题，以大型通用有限元软件ANSYSLS-DYNA为基础平台，模拟初始应力条件下岩体爆破开挖卸载过程，通过分析计算数据，分离爆破冲击荷载与初始应力瞬态卸荷荷载。[0060]采用有限元分析软件作为基础平台，可以有效模拟爆破冲击与瞬态卸荷过程中岩体动态应变规律，并成功分离初始应力下爆破冲击与瞬态卸荷，为深入研究岩体爆破开挖过程中荷载分离与耦合机制以及岩体松动机理提供理论基础。[0061]需要说明的是，步骤iso中，爆破冲击单独作用下的第三动态应变数据可以是通过第一动态应变数据减去第二动态应变数据得到。[0062]实施例二[0063]在实施例一的基础上，材料力学参数信息包括:弹性模量，泊松比，密度，以及抗压强度。[0064]实施例三[0065]在实施例一或实施例二的基础上，爆破冲击卸载模拟为炸药和岩石组合模型模拟，瞬态卸荷卸载为滑块上下飞出模型模拟。[0066]实施例四[0067]在实施例一至实施例三中任一实施例的基础上，如图2所示，在步骤130之前，方法100还包括：[0068]步骤160、将节点位移数据保存至动力松弛文件drelax中，删除第一边界条件，并获取预施加给杆件模型的第二边界条件，其中，第二边界条件为无反射边界条件。[0069]则步骤130还包括：[0070]从动力松弛文件drelax中获取节点位移数据。[0071]实施例五[0072]在实施例一至实施例四中任一实施例的基础上，如图3所示，步骤120包括：[0073]根据材料力学参数信息、预施加给杆件模型的第一边界条件和初始压力值，通过隐式算法计算有限元模型的节点位移数据。L〇〇74」则步骤130包括：[0075]根据材料力学参数信息、节点位移数据和预施加给杆件模型的第二边界条件，通过显式算法对有限元模型进行应力初始化。[0076]例如，如图4所示，一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离方法，包括：[0077]步骤一、根据实验测得所研究混凝土模型的弹性模量E=3GPa，密度p=2700Kg1113，泊松比¥=〇.2。[0078]步骤二、简化物理模型，如图5所示图中水平箭头代表初始压力），将初始应力条件下爆破开挖过程简化成一维杆件模型1，杆件一端固定一端自由，自由端受到初始压力作用，杆件长1_5111，直径〇.〇5111。在六吧¥31^-〇¥财前处理器中，构建一维杆件的有限元模型。[0079]步骤三、施加边界条件和初始条件，在杆件自由端施加初始压力，初始压力为P0=5MPa。在ANSYS中运用隐式求解器进行初始压力下的预载分析。[0080]步骤四:将隐式求解器计算得到的节点位移数据写入到动力松弛文件drelax中。[0081]步骤五、删除初始压力计算中的边界条件，在杆件固定端添加瞬态卸载模拟中所需的无反射边界条件。[0082]步骤六、进入LS-DYNA显式求解器，读入动力松弛文件drelax中的节点位移数据，对模型进行应力初始化。[0083]步骤七、进行瞬态卸载模拟计算。[0084]步^七中瞬态卸载模拟计算包括瞬态卸荷卸载模拟和爆破冲击卸载模拟过程。所述瞬态卸荷卸载模拟过程通过滑块飞出的方式模拟，在杆件自由端建立滑块，通过滑块对杆件施加初始压力，通过定义滑块速度曲线，令滑块在〇.〇〇5s时刻以1〇〇ms的速度向杆件上下两侧飞出，从而实现瞬态卸荷卸载过程的模拟。爆破冲击卸载模拟过程运用LS—DJNA材料模型库中的炸药和岩石组合模型模拟爆破过程，在杆件自由端建立岩石块模型，岩石块中装有賴材料，设辦药在〇•起爆，并炸碎岩石块，从酿麵㈣击卸载过程的数值模拟。[00^5]步骤八、输出步骤七计算得到的瞬态卸荷卸载模型的应力时程数据如图6所示，其中，〇代表应力Pa，t代表时间s和爆破卸荷模型的应力时程数据如图7所示，其中，，讯表时间（s，将数据导入纖紐理软件，如EXCEL中，以瞬态卸荷卸据为基础，从爆破冲击卸载娜计算的应力数据中减去瞬态卸荷卸算^力数据，从而分离爆破冲击卸载单独作用下岩石杆件上的应力时程曲线如图8所不，其中，〇代表应力Pa，峨表时间（s。软件为基础平台，综合运腦式、显式分析方法，模拟初始和初知应力爆破冲击卸载过程，通过分析计算结果中模型的动态独越础，騰破卸侧计㈣果中分离雜破冲击[0087]实施例六_8j击糊細荷的荷载分离系统肌如图9所示，包括.雖雄块，用于获贿俗麵隨料力学麵舗、，并敝杆件模型[0090]计算模块，用于根据有限元模型建立模块获取的材料力学参数信息、预施加给杆件模型的第一边界条件和初始压力值，计算有限元模型建立模块建立的有限元模型的节点位移数据。[0091]应力初始化模块，用于根据有限元模型建立模块获取的材料力学参数信息、计算模块计算的节点位移数据和预施加给杆件模型的第二边界条件，对有限元模型建立模块建立的有限元模型进行应力初始化。[0092]卸载模拟模块，用于对应力初始化模块进行应力初始化的有限元模型分别进行爆破冲击卸载模拟计算得到第一动态应变数据以及进行瞬态卸荷卸载模拟计算得到第二动态应变数据。[0093]数据处理模块，用于将第一动态应变数据减去第二动态应变数据，得到爆破冲击单独作用下的第三动态应变数据[0094]实施例七。[0095]在实施例六的基础上，材料力学参数信息包括:弹性模量，泊松比，密度，以及抗压强度。[0096]实施例八[0097]在实施例六或实施例七的基础上，爆破冲击卸载模拟为炸药和岩石组合模型模拟，瞬态卸荷卸载为滑块上下飞出模型模拟。[0098]实施例九[0099]在实施例六至实施例八中任一实施例的基础上，如图10所示，系统200还包括：[0100]边界条件变更模块，用于将节点位移数据保存至动力松弛文件drelax中，删除第一边界条件，并获取预施加给杆件模型的第二边界条件，其中，第二边界条件为无反射边界条件。[0101]则应力初始化模块还用于:从动力松弛文件drelax中获取节点位移数据。[0102]实施例十[0103]在实施例六至实施例八中任一实施例的基础上，计算模块具体用于：[0104]根据材料力学参数信息、预施加给杆件模型的第一边界条件和初始压力值，通过隐式算法计算有限元模型的节点位移数据。[0105]则应力初始化模块具体用于:根据材料力学参数信息、节点位移数据和预施加给杆件模型的第二边界条件，通过显式算法对有限元模型进行应力初始化。[0106]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离方法，其特征在于，包括.步骤1、获取杆件模型的材料力学参数信息，并建立所述杆件翻对应的有限元模型；步骤2、根据所述材料力学参数信息、预施加给所述杆件模型的第一边界条件和初始压力值，计算所述有限元模型的节点位移数据；'、'步骤3、根据所述材料力学参数信息、节点位移数据和预施加给所述杆件模型的第二边界条件，对所述有限元模型进行应力初始化；步骤4、对处于所述应力初始化状态下的所述有限元模型分别进行爆破冲击卸载模拟计算得到第一动态应变数据以及进行瞬态卸荷卸载模拟计算得到第二动态应变数据；步骤5、根据所述第一动态应变数据和所述第二动态应变数据，得到爆破冲击单独作用下的第三动态应变数据，完成荷载分离。2.根据权利要求1所述的一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离方法，其特征在于，所述材料力学参数信息包括:弹性模量，泊松比，密度，以及抗压强度。3.根据权利要求1所述的一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离方法，其特征在于，所述爆破冲击卸载模拟为炸药和岩石组合模型模拟，所述瞬态卸荷卸载为滑块上下飞出模型模拟。4.根据权利要求1所述的一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离方法，其特征在于在所述步骤3之前，所述方法还包括：…、’步骤6、将所述节点位移数据保存至动力松弛文件drelax中，删除所述第一边界条件，并获取预施加给所述杆件模型的第二边界条件，其中，所述第二边界条件为无反射边界条件。则所述步骤3还包括：从所述动力松弛文件drelax中获取所述节点位移数据。5.根据权利要求1至4任一项所述的一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离方法，其特征在于，所述步骤2包括：^根据所述材料力学参数信息、预施加给所述杆件模型的第一边界条件和初始压力值，通过隐式算法计算所述有限元模型的节点位移数据；则所述步骤3包括：根据所述材料力学参数信息、节点位移数据和预施加给所述杆件模型的第二边界条件，通过显式算法对所述有限元模型进行应力初始化。6.—种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离系统，其特征在于，包括：有限元模型建立模块，用于获取杆件模型的材料力学参数信息，并建立所述杆件模型对应的有限元模型；计算模块，用于根据所述有限元模型建立模块获取的所述材料力学参数信息、预施加给所述杆件模型的第一边界条件和初始压力值，计算所述有限元模型建立模块建立的所述有限元模型的节点位移数据；应力初始化模块，用于根据所述有限元模型建立模块获取的所述材料力学参数信息、所述计算模块计算的节点位移数据和预施加给所述杆件模型的第二边界条件，对所述有限元模型建立模块建立的所述有限元模型进行应力初始化；卸载模拟模块，用于对所述应力初始化模块进行应力初始化的所述有限元模型分别进行爆破冲击卸载模拟计算得到第一动态应变数据以及进行瞬态卸荷卸载模拟计算得到第二动态应变数据；数据处理模块，用于根据所述第一动态应变数据和所述第二动态应变数据，得到爆破冲击单独作用下的第三动态应变数据。7.根据权利要求6所述的一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离系统，其特征在于，所述材料力学参数信息包括:弹性模量，泊松比，密度，以及抗压强度。、’8.根据权利要求6所述的一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离系统，其特征在于，所述爆破冲击卸载模拟为炸药和岩石组合模型模拟，所述瞬态卸荷卸载为滑块上下飞出模型模拟。9.根据权利要求6所述的一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离系统，其特征在于，所述系统还包括：…、边界条件变更模块，用于将所述节点位移数据保存至动力松弛文件drelax中，删除所述第一边界条件，并获取预施加给所述杆件模型的第二边界条件，其中，所述第二边界条件为无反射边界条件；则应力初始化模块还用于:从所述动力松弛文件drelax中获取所述节点位移数据。10.根据权利要求6至9任一项所述的一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离系统，其特征在于，所述计算模块具体用于：根据所述材料力学参数信息、预施加给所述杆件模型的第一边界条件和初始压力值，通过隐式算法计算所述有限元模型的节点位移数据；则所述应力初始化模块具体用于：根据所述材料力学参数信息、节点位移数据和预施加给所述杆件模型的第二边界条件，通过显式算法对所述有限元模型进行应力初始化。

百度查询： 武汉科技大学 一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离方法及系统

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