本發(fā)明屬于地質(zhì)災(zāi)害模擬，具體涉及一種基于粘塑性sph模型的慢速滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、當(dāng)前，以光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)、物質(zhì)點(diǎn)法等為代表的一系列無(wú)網(wǎng)格數(shù)值計(jì)算方法，在地質(zhì)災(zāi)害等大變形動(dòng)力過(guò)程的分析中得到了廣泛的應(yīng)用。然而受到數(shù)值求解的cfl條件限制，現(xiàn)有方案的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)大多限制在0.1秒甚至更小。對(duì)于變形滑動(dòng)過(guò)程可以長(zhǎng)達(dá)數(shù)月，甚至數(shù)年的慢速滑坡而言，這樣的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)將會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量過(guò)大，在實(shí)際工程的分析中不具有可行性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，本發(fā)明通過(guò)引入滑坡為淺層、滑坡變形運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)因素由粘塑性模型表征、加速度近似為0，提出了一種基于粘塑性sph模型的慢速滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬方案。該方案可以有效放寬cfl條件限制下的時(shí)間步長(zhǎng)，相較于傳統(tǒng)方案，在特定條件下可以將0.1s左右的時(shí)間步長(zhǎng)擴(kuò)展到0.4小時(shí)左右。由此，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變形持續(xù)數(shù)月乃至數(shù)年的慢速滑坡的有效模擬，為了解此類(lèi)災(zāi)害災(zāi)變機(jī)制和制定科學(xué)有效的減災(zāi)措施奠定重要基礎(chǔ)。

2、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是目前顯示求解的數(shù)值模擬方法，對(duì)于慢速滑坡這類(lèi)持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)的災(zāi)害過(guò)程，由于計(jì)算步長(zhǎng)受限（很?。?，導(dǎo)致整體計(jì)算量過(guò)大而無(wú)法實(shí)際應(yīng)用的問(wèn)題。提出了一種基于粘塑性sph模型的慢速滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬方法及系統(tǒng)。

3、本發(fā)明通過(guò)構(gòu)建基于粘塑性sph模型的慢速滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程算法，特別在動(dòng)量方程中引入了加速度近似為0的假定，并通過(guò)粘塑性流變模型構(gòu)建了滑坡運(yùn)動(dòng)速度拋物型控制方程，解決了傳統(tǒng)顯示求解方法由于時(shí)間步長(zhǎng)的限制，無(wú)法對(duì)長(zhǎng)期變形的慢速滑坡進(jìn)行有效模擬的問(wèn)題，對(duì)理解此類(lèi)滑坡的作用機(jī)制和采取有效的控制措施具有重要的價(jià)值。

4、本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題具體采用的技術(shù)方案是：

5、一種基于粘塑性sph模型的慢速滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬方法：

6、根據(jù)滑坡源信息，生成包含固液兩相的sph粒子，并根據(jù)地勘資料賦予不同區(qū)域sph粒子的流變參數(shù)信息；

7、然后進(jìn)行以下迭代計(jì)算：

8、計(jì)算當(dāng)前時(shí)間步n下各sph粒子非粘性變形剪切力；

9、計(jì)算當(dāng)前時(shí)間步n下各sph粒子的粘性變形剪切力；

10、根據(jù)顯示計(jì)算穩(wěn)定條件，更新時(shí)間步迭代步長(zhǎng)；

11、更新n+1時(shí)間步的粒子速度，并得到變形后的粒子位置；

12、當(dāng)計(jì)算滿(mǎn)足收斂條件時(shí)則結(jié)束計(jì)算。

13、進(jìn)一步地，所述sph粒子的基礎(chǔ)屬性包括：流動(dòng)系數(shù)f_gama，土層深度h，大氣壓力p_atm，流變模型參數(shù)f_n和剪切強(qiáng)度s_b；所述流變參數(shù)信息根據(jù)粒子的空間坐標(biāo)矩陣x_coor(:,2)和地勘采樣點(diǎn)的位置關(guān)系，通過(guò)徑向基函數(shù)插值得到。

14、進(jìn)一步地，基于一般粘塑性流變模型計(jì)算當(dāng)前時(shí)間步n下各sph粒子非粘性變形剪切力s_nv(:,2)：

15、首先計(jì)算當(dāng)前所有粒子運(yùn)動(dòng)的方向矢量nv(:,2)：歷遍所有粒子的速度矩陣v(:,2)，根據(jù)以下公式歷遍所有粒子，得到粒子運(yùn)動(dòng)的方向矢量nv(:,2)：

16、

17、其中，mod()函數(shù)為用于計(jì)速度向量的模；

18、然后根據(jù)土體剪切強(qiáng)度s_b，計(jì)算非粘性變形剪切力s_nv(:,2)：

19、

20、其中， ρ(:)為各粒子的密度列表， h(:)為各粒子的土體深度列表， b(:)為重力加速度列表，一般情況取定值。

21、進(jìn)一步地，基于一般粘塑性流變模型采用以下形式其中之一計(jì)算當(dāng)前時(shí)間步n下各sph粒子粘性變形剪切力s_v(:,2)：

22、形式1：

23、

24、形式2：

25、

26、其中，系數(shù)m為流變模型參數(shù)f_n的倒數(shù)，系數(shù)b(:)根據(jù)流動(dòng)系數(shù)f_gama和土層深度根據(jù)以下公式計(jì)算得到：

27、。

28、進(jìn)一步地，所述根據(jù)顯示計(jì)算穩(wěn)定條件，更新時(shí)間步迭代步長(zhǎng)具體包括：

29、計(jì)算每個(gè)sph粒子的模型擴(kuò)散系數(shù)d(:)：

30、

31、歷遍所有粒子，計(jì)算每個(gè)粒子作用對(duì)的距離，對(duì)于粒子i、j有：

32、

33、歷遍所有粒子，得到最大的迭代時(shí)間步長(zhǎng)：

34、。

35、進(jìn)一步地，所述更新n+1時(shí)間步的粒子速度，并得到變形后的粒子位置具體為：

36、更新得到n+1時(shí)間步的粒子運(yùn)動(dòng)速度，具體為以下形式其中之一：

37、或

38、

39、其中， p(:)為動(dòng)量方程壓力項(xiàng)， grad()為梯度算子；

40、根據(jù)前后時(shí)間步的平均速度，得到n+1時(shí)間步的粒子坐標(biāo)：

41、。

42、進(jìn)一步地，所述收斂條件由最大時(shí)間和最小位移變化量決定，當(dāng)計(jì)算時(shí)間步超過(guò)最大計(jì)算時(shí)間，或前后時(shí)間步位移變化量小于限定值時(shí)，收斂條件觸發(fā)。

43、以及，一種基于粘塑性sph模型的慢速滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬系統(tǒng)，包括：

44、生成模塊，用于根據(jù)滑坡源信息，生成包含固液兩相的sph粒子，并根據(jù)地勘資料賦予不同區(qū)域sph粒子的流變參數(shù)信息；

45、以及迭代計(jì)算模塊，用于進(jìn)行以下迭代計(jì)算：

46、計(jì)算當(dāng)前時(shí)間步n下各sph粒子非粘性變形剪切力；

47、計(jì)算當(dāng)前時(shí)間步n下各sph粒子的粘性變形剪切力；

48、根據(jù)顯示計(jì)算穩(wěn)定條件，更新時(shí)間步迭代步長(zhǎng)；

49、更新n+1時(shí)間步的粒子速度，并得到變形后的粒子位置；

50、當(dāng)計(jì)算滿(mǎn)足收斂條件時(shí)則結(jié)束計(jì)算。

51、一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時(shí)實(shí)現(xiàn)如上所述的一種基于粘塑性sph模型的慢速滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬方法的步驟。

52、一種非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如上所述的一種基于粘塑性sph模型的慢速滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬方法的步驟。

53、考慮目前光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)、物質(zhì)點(diǎn)法等數(shù)值模擬方法，在慢速滑坡這類(lèi)持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)的災(zāi)害過(guò)程求解過(guò)程中，由于計(jì)算步長(zhǎng)受限（很?。?，導(dǎo)致整體計(jì)算量過(guò)大而無(wú)法實(shí)際應(yīng)用的問(wèn)題。本發(fā)明及其優(yōu)選方案通過(guò)假定滑坡為淺層、滑坡變形運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)因素可由粘塑性模型描述、加速度近似為0，解決了傳統(tǒng)方法由于cfl條件限制下的時(shí)間步長(zhǎng)過(guò)小問(wèn)題。可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變形持續(xù)數(shù)月乃至數(shù)年的慢速滑坡的有效模擬，為了解此類(lèi)災(zāi)害災(zāi)變機(jī)制和制定科學(xué)有效的減災(zāi)措施奠定重要基礎(chǔ)。

技術(shù)特征：

1.一種基于粘塑性sph模型的慢速滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬方法，其特征在于：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于粘塑性sph模型的慢速滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬方法，其特征在于：所述sph粒子的基礎(chǔ)屬性包括：流動(dòng)系數(shù)f_gama，土層深度h，大氣壓力p_atm，流變模型參數(shù)f_n和剪切強(qiáng)度s_b；所述流變參數(shù)信息根據(jù)粒子的空間坐標(biāo)矩陣x_coor(:,2)和地勘采樣點(diǎn)的位置關(guān)系，通過(guò)徑向基函數(shù)插值得到。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于粘塑性sph模型的慢速滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬方法，其特征在于：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于粘塑性sph模型的慢速滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬方法，其特征在于：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于粘塑性sph模型的慢速滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬方法，其特征在于：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于粘塑性sph模型的慢速滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬方法，其特征在于：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于粘塑性sph模型的慢速滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬方法，其特征在于：所述收斂條件由最大時(shí)間和最小位移變化量決定，當(dāng)計(jì)算時(shí)間步超過(guò)最大計(jì)算時(shí)間，或前后時(shí)間步位移變化量小于限定值時(shí)，收斂條件觸發(fā)。

8.一種基于粘塑性sph模型的慢速滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬系統(tǒng)，其特征在于，包括：

9.一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述處理器執(zhí)行所述程序時(shí)實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的一種基于粘塑性sph模型的慢速滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬方法的步驟。

10.一種非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，該計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的一種基于粘塑性sph模型的慢速滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬方法的步驟。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種基于粘塑性SPH模型的慢速滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬方法及系統(tǒng)，根據(jù)滑坡源信息，生成包含固液兩相的SPH粒子，并根據(jù)地勘資料賦予不同區(qū)域SPH粒子的流變參數(shù)信息；然后進(jìn)行以下迭代計(jì)算：計(jì)算當(dāng)前時(shí)間步n下各SPH粒子非粘性變形剪切力；計(jì)算當(dāng)前時(shí)間步n下各SPH粒子的粘性變形剪切力；根據(jù)顯示計(jì)算穩(wěn)定條件，更新時(shí)間步迭代步長(zhǎng)；更新n+1時(shí)間步的粒子速度，并得到變形后的粒子位置；當(dāng)計(jì)算滿(mǎn)足收斂條件時(shí)則結(jié)束計(jì)算。

技術(shù)研發(fā)人員：林川,杜哲鎵,林彥喆,蘇燕,賴(lài)曉鶴,潘依琳
受保護(hù)的技術(shù)使用者：福州大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2