基于顆粒流微波誘發(fā)損傷不規(guī)則顆粒數(shù)值模擬研究方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于顆粒流微波誘發(fā)損傷不規(guī)則顆粒數(shù)值模擬研究方法，其基本算法是建立規(guī)定尺寸的熱力耦合數(shù)值模型，賦予平行粘接性能，利用編寫的FISH語(yǔ)言算法生成圓形顆粒，進(jìn)而形成基于骨料形狀的不規(guī)則clump塊體，采用“試湊法”建立宏觀熱力參數(shù)與細(xì)觀熱力參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為不同骨料賦予不同的熱力細(xì)觀參數(shù)，對(duì)不同間斷比尺下的微波誘發(fā)損傷進(jìn)行數(shù)值模擬研究。本專利所述的研究方法對(duì)于采用采用離散單元法對(duì)微波誘發(fā)損傷的不規(guī)則顆粒數(shù)值模擬提供了一種新的研究思路。
【專利說(shuō)明】
基于顆粒流微波誘發(fā)損傷不規(guī)則顆粒數(shù)值模擬研究方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于離散單元法的數(shù)值模擬方法，尤其是一種用于微波誘發(fā)損傷 不規(guī)則顆粒的數(shù)值模擬研究方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 離散單元法是基于離散元的理論發(fā)展起來(lái)的，通過(guò)顆粒組合宏觀的物質(zhì)并表現(xiàn)出 宏觀的力學(xué)行為，克服了傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型的宏觀連續(xù)性假設(shè)，適合于模擬巖體大變 形、開裂等非線性行為。其基本理論是基于牛頓第二定律與力-位移定律，通過(guò)運(yùn)動(dòng)定律更 新顆粒-顆粒與顆粒-邊界的位置;通過(guò)力-位移定律更新接觸部分的接觸力，達(dá)到最新的平 衡。
[0003] 在目前研究進(jìn)程中，采用離散單元法對(duì)非連續(xù)體材料的模擬多限于力學(xué)性能的模 擬研究，而針對(duì)熱力耦合所產(chǎn)生的損傷研究較少，對(duì)于微波誘發(fā)損傷的不規(guī)則顆粒數(shù)值模 擬研究更為少數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于離散單元法的微波誘發(fā)損傷數(shù)值模擬研究 方法。
[0005] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的一種基于顆粒流微波誘發(fā)損傷不規(guī)則顆粒數(shù)值模擬研究方法， 該方法包括以下步驟：
[0006]步驟S1、建立規(guī)定尺寸的墻體，確定數(shù)值模型，設(shè)定所模擬的顆粒數(shù)量，按照要求 的顆粒級(jí)配隨機(jī)分布球狀顆粒，隨機(jī)選中一個(gè)顆粒，按照方程式（l):X=Xbp+0.0003*k;Y = Ybp+0.0003*k生成其周圍的其它顆粒；
[0007] 步驟S2、在中心位置顆粒確定后，按照方程式(2):(X/a)2n+(Y/b)2n=l的算法生成 塊體；
[0008] 步驟S3、當(dāng)生成的顆粒在橢圓邊界內(nèi)部時(shí)，顆粒簇即被認(rèn)為是生成的clump，按照 模擬要求確定生成單個(gè)clump所需的顆粒數(shù)。在第一個(gè)橢圓生成后其根據(jù)方程式(3) :X = f cosQ-Y' SinQ5Y = X7 sinQ-Y' cos9;0=ji*k進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換；
[0009] 步驟S4、將方程式（3)代入方程式（2)中即得到算法所需的橢圓旋轉(zhuǎn)方程式(4): (X' cosQ-Y' sinQ)2/^2 + ^' sinQ-Y' cos9)2/b2 = 1，同時(shí)結(jié)合方程式（5):
可以得到第二個(gè)橢圓形，同時(shí)根據(jù)方程 式(5)中長(zhǎng)軸和短軸的比例來(lái)確定內(nèi)部顆粒的數(shù)量。
[0010] 步驟 S 5、根據(jù)方程式（6 ) : S ( n ) = S ( E i ) Π S ( E i - i )和方程式（7 ):
橢圓Ei(i 2 2)和橢圓Ei-Ki 2 2)之間的覆蓋 面積被定義為S(n)。如果在新的兩個(gè)橢圓E1Q 2 2)和E1-Ki 2 2)之間有新的顆粒產(chǎn)生，那么 顆粒數(shù)為N(p) ;當(dāng)S (η)關(guān)0則沒(méi)有相同的顆粒，且n(d )same=ο。
[0011] 步驟S6、根據(jù)以上的算法并結(jié)合方程式（8
構(gòu)成了新的c lump顆粒數(shù)CNnewl，按照這種算法依次循環(huán)直至滿足方程式（9):
'此時(shí)橢圓Ei+沖的顆粒完全包含在橢圓E i中。
[0012] 步驟S7、按照經(jīng)驗(yàn)賦予數(shù)值模型初始細(xì)觀參數(shù)，不同類型骨料賦予不同的細(xì)觀參 數(shù)，將模擬的數(shù)值結(jié)果與物理試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)照，使用"試湊法"反復(fù)調(diào)整參數(shù)，確定宏觀熱力參 數(shù)與細(xì)觀熱力參數(shù)的關(guān)系；
[0013] 步驟S8、將每個(gè)顆?？醋鲆粋€(gè)熱存儲(chǔ)器，顆粒之間通過(guò)熱流管來(lái)連接，編寫基于離 散元的熱力耦合數(shù)值模型代碼，依照熱傳導(dǎo)方程式(10):
[0014；
[0015] 可得到指定功率密度和照射時(shí)間的溫度數(shù)值。數(shù)值模型中的顆粒在微波輻射作用 下，其顆粒半徑和顆粒之間的平行粘接力會(huì)發(fā)生變化，此變化通過(guò)相應(yīng)的熱應(yīng)變和粘結(jié)力 來(lái)調(diào)整。
[0016] 步驟S9、開展數(shù)值模擬試驗(yàn)，運(yùn)行離散元數(shù)值程序，按照編寫的不規(guī)則顆粒算法進(jìn) 行步數(shù)迭代，調(diào)用熱力耦合方程，探究微波輻射下不同間斷比尺的微波損傷，并得出數(shù)值模 擬結(jié)果。
[0017] 所述的步驟1所述的方程式（1)中，X代表顆粒的中心點(diǎn)橫坐標(biāo)，Y代表顆粒的中心 點(diǎn)縱坐標(biāo)，Xbp代表任意顆粒的中心點(diǎn)橫坐標(biāo)，Ybp代表任意顆粒的中心點(diǎn)縱坐標(biāo)，k代表(0， 1)范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)。
[0018] 所述的步驟2所述的方程式(2)中，a代表橢圓形塊體的長(zhǎng)軸，b代表橢圓形塊體的 短軸。當(dāng)η為1的時(shí)候，趨向于形成橢圓形塊體；當(dāng)η大于或等于2的時(shí)候，隨著η值的增大所生 成的顆粒越為規(guī)則。
[0019] 所述的步驟3所述的方程式(3)中，Θ代表橢圓的旋轉(zhuǎn)角。
[0020] 所述的步驟4所述的方程式⑷中，Vvg代表顆粒半徑的最小值，VvRa、VvRb代表 顆粒半徑的最大值，k代表范圍(0，1)的隨機(jī)數(shù)。
[0021] 所述的步驟5所述的方程式(6)中，S(E1)代表橢圓E1(i 2 2)的面積，S(Eh)代表橢 圓Ei-Ki 2 2)的面積。
[0022] 所述的步驟8所述的方程式（10)中，Kij代表熱傳導(dǎo)率張量，P代表密度，〇>代表定體 積比熱容，T代表溫度，f代表微波輻射的頻率，ε〇代表真空中的介電常數(shù)，ε，代表介質(zhì)的耗 損因子，Eo代表電場(chǎng)強(qiáng)度。
[0023] 本專利可以對(duì)微波誘發(fā)作用下非連續(xù)體材料在不同間斷比尺照射作用下的微波 誘發(fā)的損傷進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)裂紋的萌生、擴(kuò)展、延伸、貫穿等過(guò)程進(jìn)行微觀研究，進(jìn)而對(duì)于 采用采用離散單元法對(duì)微波誘發(fā)損傷的不規(guī)則顆粒數(shù)值模擬提供了一種新的研究思路。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為本發(fā)明的顆粒單元圖 [0025]圖2為本發(fā)明的圓的中心范圍圖
[0026] 圖3為本發(fā)明的生成第一個(gè)橢圓的示意圖
[0027] 圖4為本發(fā)明的生成第一個(gè)clump的示意圖
[0028] 圖5為本發(fā)明的生成第二個(gè)clump的示意圖
[0029] 圖6為本發(fā)明的生成最后一個(gè)clump的示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0030] 如圖1至圖6所示，本發(fā)明的一種基于顆粒流微波誘發(fā)損傷不規(guī)則顆粒數(shù)值模擬研 究方法，該方法包括以下步驟：
[0031]步驟S1、建立規(guī)定尺寸的墻體，確定數(shù)值模型，設(shè)定所模擬的顆粒數(shù)量，按照要求 的顆粒級(jí)配隨機(jī)分布球狀顆粒，隨機(jī)選中一個(gè)顆粒，按照方程式（I):X=XbP+〇.〇〇〇3*k;Y = Ybp+0.0003*k生成其周圍的其它顆粒；
[0032]步驟S2、在中心位置顆粒確定后，按照方程式(2):(X/a)2n+(Y/b)2n=l的算法生成 塊體；
[0033]步驟S3、當(dāng)生成的顆粒在橢圓邊界內(nèi)部時(shí)，顆粒簇即被認(rèn)為是生成的clump，按照 模擬要求確定生成單個(gè)clump所需的顆粒數(shù)。在第一個(gè)橢圓生成后其根據(jù)方程式(3) :X = f cosQ-Y' SinQ5Y = X7 sinQ-Y' cos9;0=ji*k進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換；
[0034] 步驟S4、將方程式（3)代入方程式（2)中即得到算法所需的橢圓旋轉(zhuǎn)方程式(4): (X' cosQ-Y' sinQ)2/^2 + ^' sinQ-Y' cos9)2/b2 = 1，同時(shí)結(jié)合方程式（5):
玎以得到第二個(gè)橢圓形，同時(shí)根據(jù)方程 瓦0)甲長(zhǎng)細(xì)和妞細(xì)的比例米佛疋円部顆權(quán)的數(shù)重。
[0035] 步驟 S 5、根據(jù)方程式（6 ) : S ( n ) = S ( E i ) Π S ( E i - !)和方程式（7 ):
橢圓Ei(i 2 2)和橢圓Ei-Ki 2 2)之間的覆蓋 ， 面積被定義為S(n)。如果在新的兩個(gè)橢圓E1Q 2 2)和E1-Ki 2 2)之間有新的顆粒產(chǎn)生，那么 顆粒數(shù)為N(p) ;當(dāng)S (Π)關(guān)0則沒(méi)有相同的顆粒，且N(p)same = 0。
[0036] 步驟S6、根據(jù)以上的算法并結(jié)合方程式(8):
' 核!成了新的。Inmn顆鈴翁dgwl，按照這種算法依次循環(huán)直至滿足方程式（9):
此時(shí)橢圓Ei+沖的顆粒完全包含在橢圓E i中。
[0037] 步驟S7、按照經(jīng)驗(yàn)賦予數(shù)值模型初始細(xì)觀參數(shù)，不同類型骨料賦予不同的細(xì)觀參 數(shù)，將模擬的數(shù)值結(jié)果與物理試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)照，使用"試湊法"反復(fù)調(diào)整參數(shù)，確定宏觀熱力參 數(shù)與細(xì)觀熱力參數(shù)的關(guān)系；
[0038] 步驟S8、將每個(gè)顆?？醋鲆粋€(gè)熱存儲(chǔ)器，顆粒之間通過(guò)熱流管來(lái)連接，編寫基于離 散元的熱力耦合數(shù)值模型代碼，依照熱傳導(dǎo)方程式(10):
[0039]
[0040] 可得到指定功率密度和照射時(shí)間的溫度數(shù)值。數(shù)值模型中的顆粒在微波輻射作用 下，其顆粒半徑和顆粒之間的平行粘接力會(huì)發(fā)生變化，此變化通過(guò)相應(yīng)的熱應(yīng)變和粘結(jié)力 來(lái)調(diào)整。
[0041 ]步驟S9、開展數(shù)值模擬試驗(yàn)，運(yùn)行離散元數(shù)值程序，按照編寫的不規(guī)則顆粒算法進(jìn) 行步數(shù)迭代，調(diào)用熱力耦合方程，探究微波輻射下不同間斷比尺的微波損傷，并得出數(shù)值模 擬結(jié)果。
[0042] 所述的步驟1所述的方程式（1)中，X代表顆粒的中心點(diǎn)橫坐標(biāo)，Y代表顆粒的中心 點(diǎn)縱坐標(biāo)，Xbp代表任意顆粒的中心點(diǎn)橫坐標(biāo)，Ybp代表任意顆粒的中心點(diǎn)縱坐標(biāo)，k代表(0， 1)范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)。
[0043] 所述的步驟2所述的方程式(2)中，a代表橢圓形塊體的長(zhǎng)軸，b代表橢圓形塊體的 短軸。當(dāng)η為1的時(shí)候，趨向于形成橢圓形塊體；當(dāng)η大于或等于2的時(shí)候，隨著η值的增大所生 成的顆粒越為規(guī)則。
[0044] 所述的步驟3所述的方程式(3)中，Θ代表橢圓的旋轉(zhuǎn)角。
[0045] 所述的步驟4所述的方程式(4)中，VVRfflin代表顆粒半徑的最小值，N/V Ra、VvRb代表 顆粒半徑的最大值，k代表范圍(0，1)的隨機(jī)數(shù)。
[0046] 所述的步驟5所述的方程式(6)中，S(E1)代表橢圓E1(i 2 2)的面積，S(Eh)代表橢 圓Ei-Ki 2 2)的面積。
[0047] 所述的步驟8所述的方程式（10)中，Kjj代表熱傳導(dǎo)率張量，P代表密度，〇>代表定體 積比熱容，T代表溫度，f代表微波輻射的頻率，ε〇代表真空中的介電常數(shù)，ε，代表介質(zhì)的耗 損因子，Eo代表電場(chǎng)強(qiáng)度。
[0048]上面所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范 圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神前提下，本領(lǐng)域普通工程技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明技術(shù)方 案做出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明的權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于顆粒流微波誘發(fā)損傷不規(guī)則顆粒數(shù)值模擬研究方法，其特征在于，該方法包括 W下步驟： 步驟S1、建立規(guī)定尺寸的墻體，確定數(shù)值模型，設(shè)定所模擬的顆粒數(shù)量，按照要求的顆 粒級(jí)配隨機(jī)分布球狀顆粒，隨機(jī)選中一個(gè)顆粒，按照方程式（1):X = Xbp+0.0003*k; Υ =化P+ ο. 0003*k生成其周圍的其它顆粒； 步驟S2、在中屯、位置顆粒確定后，按照方程式(2):(X/a)2n+(Y/b)2n=i的算法生成塊體. 步驟S3、當(dāng)生成的顆粒在楠圓邊界內(nèi)部時(shí)，顆粒簇即被認(rèn)為是生成的clump,按照模擬 要求確定生成單個(gè)clump所需的顆粒數(shù)。在第一個(gè)楠圓生成后其根據(jù)方程式(3) :Χ = χ/ cos Θ-Υ' sin目；Υ = Χ' sin目-Υ' cos目；目=31沖進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換； 步驟S4、將方程式(3)代入方程式(2)中即得到算法所需的楠圓旋轉(zhuǎn)方程式(4): (χ/cos 白-Υ' sin白）2/a2+(x' sin白-Υ' cos 白）2/b2 = 1，同時(shí)結(jié)合方程式（5):可W得到第二個(gè)楠圓形，同時(shí)根據(jù)方程 式(5)中長(zhǎng)軸和短軸的比例來(lái)確定內(nèi)部顆粒的數(shù)量。 步驟S 5、根據(jù)方程式（6 ) : S ( η ) = S ( E 1 ) η S ( E 1 - 1 )和方程式（7 ):楠圓Ei(i > 2)和楠圓Ei-i(i > 2)之間的覆蓋 面積被定義為S(n)。如果在新的兩個(gè)楠圓Ei(i含2)和Ei-i(i含2)之間有新的顆粒產(chǎn)生，那么 顆粒數(shù)為N( P ) same ;當(dāng)S (η) =5^0則沒(méi)有相同的顆粒，且N( P ) same = 0。 步驟S6、根據(jù)W上的算法并結(jié)合方程式(8)， 構(gòu)成了新的clump顆粒數(shù)CNnewi，按照運(yùn)種算法依次循環(huán)直至滿足方程式（9):，此時(shí)楠圓Ei+沖的顆粒完全包含在楠圓Ei中。 步驟S7、按照經(jīng)驗(yàn)賦予數(shù)值模型初始細(xì)觀參數(shù)，不同類型骨料賦予不同的細(xì)觀參數(shù)，將 模擬的數(shù)值結(jié)果與物理試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)照，使用"試湊法"反復(fù)調(diào)整參數(shù)，確定宏觀熱力參數(shù)與 細(xì)觀熱力參數(shù)的關(guān)系； 步驟S8、將每個(gè)顆粒看做一個(gè)熱存儲(chǔ)器，顆粒之間通過(guò)熱流管來(lái)連接，編寫基于離散元 的熱力禪合數(shù)值模型代碼，依照熱傳導(dǎo)方程式（10)可得到指定功率密度和照射時(shí)間的溫度數(shù)值。數(shù)值模型中的顆粒在微波福射作用下，其顆 粒半徑和顆粒之間的平行粘結(jié)力會(huì)發(fā)生變化，此變化通過(guò)相應(yīng)的熱應(yīng)變和粘結(jié)力來(lái)調(diào)整。 步驟S9、開展數(shù)值模擬試驗(yàn)，運(yùn)行離散元數(shù)值程序，按照編寫的不規(guī)則顆粒算法進(jìn)行步 數(shù)迭代，調(diào)用熱力禪合方程，探究微波福射下不同間斷比尺的微波損傷，并得出數(shù)值模擬結(jié) 果。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于顆粒流微波誘發(fā)損傷不規(guī)則顆粒數(shù)值模擬研究方法，其 特征在于:所述的步驟1所述的方程式（1)中，X代表顆粒的中屯、點(diǎn)橫坐標(biāo)，Y代表顆粒的中屯、 點(diǎn)縱坐標(biāo)，Xbp代表任意顆粒的中屯、點(diǎn)橫坐標(biāo)，Ybp代表任意顆粒的中屯、點(diǎn)縱坐標(biāo)，k代表(ο， 1)范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于顆粒流微波誘發(fā)損傷不規(guī)則顆粒數(shù)值模擬研究方法，其 特征在于:所述的步驟2所述的方程式(2)中，a代表楠圓形塊體的長(zhǎng)軸，b代表楠圓形塊體的 短軸。當(dāng)η為1的時(shí)候，趨向于形成楠圓形塊體；當(dāng)η大于或等于2的時(shí)候，隨著η值的增大所生 成的顆粒越為規(guī)則。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于顆粒流微波誘發(fā)損傷不規(guī)則顆粒數(shù)值模擬研究方法，其 特征在于:所述的步驟3所述的方程式(3)中，Θ代表楠圓的旋轉(zhuǎn)角。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于顆粒流微波誘發(fā)損傷不規(guī)則顆粒數(shù)值模擬研究方法，其 特征在于:所述的步驟4所述的方程式(4)中，Vvi^in代表顆粒半徑的最小值，Vvk。、VvKb代 表顆粒半徑的最大值，k代表范圍(0，1)的隨機(jī)數(shù)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于顆粒流微波誘發(fā)損傷不規(guī)則顆粒數(shù)值模擬研究方法，其 特征在于:所述的步驟5所述的方程式(6)中，S(Ei)代表楠圓Ei(i> 2)的面積，S化-1)代表楠 圓Ei-i(i>2)的面積。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于顆粒流微波誘發(fā)損傷不規(guī)則顆粒數(shù)值模擬研究方法，其 特征在于:所述的步驟8所述的方程式（10)中，Κυ代表熱傳導(dǎo)率張量，P代表密度，Cp代表定 體積比熱容，T代表溫度，f代表微波福射的頻率，ε〇代表真空中的介電常數(shù)，ε/代表介質(zhì)的 耗損因子，Εο代表電場(chǎng)強(qiáng)度。
【文檔編號(hào)】G06F17/11GK105844032SQ201610188405
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月30日
【發(fā)明人】李新衛(wèi), 唐陽(yáng), 李輝
【申請(qǐng)人】李新衛(wèi)