【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于智能化礦山與數值仿真領域，尤其涉及一種面向礦山的有限元法蠕變材料接觸計算方法。
技術介紹
1、近些年來，有限元方法得到了迅速發展，成為巖土工程、采礦工程和水利工程等領域力學分析的重要工具。利用有限元方法計算巷道開挖后的工作面蠕變下落屬于動態問題求解，然而目前的數值模擬常采用彈塑性力學靜態模擬，時間尺度長，不是與生產獲取的實時數據動態耦合，不滿足智能化礦山建設實時仿真模擬和預測預報的要求。
2、動力學求解是將工作面蠕變的時間采用離散的方式，將蠕變的時間分為若干個時間步長，通過對每個時間步長進行迭代求解，計算位移后來描述整個蠕變的過程。在計算蠕變的過程中，考慮接觸算法需要定義接觸面與接觸面的相互匹配關系，同時在計算每個時間步長內對接觸面進行接觸判斷，解除后根據計算的位移量對時間步長進行相應的調整。當兩個接觸面接觸后，通過對接觸面施加合適的接觸載荷保證接觸面不會發生穿透現象。
3、現有采用的動力學求解蠕變的過程中會遇到兩個問題，一個是在真實的時間尺度上，蠕變的時間通常比較長，采用動力學求解時對時間步長要求比較高，計算的迭代步的時間需設置的很小，否則無法收斂，這會導致整個計算過程需要非常多的時間步，使得計算量很大。另一個是蠕變過程中添加接觸后需要在每個時間步長內均進行搜索，采用動力學求解需要的時間步非常多，因此在計算上接觸面的搜索計算代價也很大，因此導致整個求解過程時間長、效率低。
技術實現思路
1、本專利技術旨在解決上述問題，提供一種基于有限元靜力學
2、第一方面，本專利技術提供一種面向礦山的有限元法蠕變材料接觸計算方法，包括以下步驟：
3、步驟1，獲取勘測數據；根據勘測數據形成求解文件；
4、步驟2，獲取實時監測數據；根據實時監測數據定義開挖工況和邊界信息，生成工況數據；
5、步驟3，在工況中定義一個偽物理狀態；偽物理狀態即處理在開挖瞬間頂板直接掉落的瞬間求解得到的不真實的物理狀態；
6、在偽物理狀態下，根據靜力學計算蠕變產生的位移并更新節點位移，包括對求解域節點及邊界節點的坐標進行更新；
7、在組裝剛度矩陣的邊界載荷矩陣中，指定兩個會發生接觸的接觸面，對指定所有邊界單元bcelements進行遍歷；指定的邊界單元包含接觸單元和非接觸單元；對一個邊界單元bcelement中的節點進行遍歷，對其中第一個節點p做對應的指定的接觸的邊界單元的距離判斷，找到距離最近的節點d，基于節點d進行搜索，包含節點d的邊界單元為nelements；
8、判斷節點p與其中一個邊界單元nelement是否會發生穿透現象；若沒有發生接觸面穿透現象，則繼續對bcelement中的節點進行遍歷；若發生接觸面穿透現象，含有法向n的邊界單元為當前的計算單元nelement；
9、計算點p在nelement的垂足f，判斷點f是否在nelement內部；如果點f在nelement外部，則繼續對另外一個nelement做穿透判斷；如果在nelement的內部，計算穿透量在接觸面法向上的投影 delta；
10、步驟4，在偽物理過程中，對穿透位移進行修正；
11、步驟5，修正完成后對整體的接觸載荷進行放縮，以防止接觸載荷過大，造成修正的載荷過大；修正載荷保證 delta計算收斂到預設范圍內，偽物理狀態結束；
12、步驟6，繼續基于靜力學求解蠕變，以此對接觸面上的載荷進行動態的修正，直至迭代結束；
13、步驟7，對整個求解域進行更新，計算結果即為開挖之后的結果。
14、進一步，本專利技術所述面向礦山的有限元法蠕變材料接觸計算方法，所述偽物理狀態下定義修正的迭代步范圍在15-30步。
15、進一步，本專利技術所述面向礦山的有限元法蠕變材料接觸計算方法，所述穿透量在接觸面法向上的投影 delta的計算依據以下公式， delta?=?，其中 v為向量pf， n為nelement單元的面法向的單位向量。
16、進一步，本專利技術所述面向礦山的有限元法蠕變材料接觸計算方法，步驟4所述對穿透位移進行修正時，修正載荷采用疊加的方式進行，迭代步疊加的接觸載荷為 b=b+b， b=，其中 e為兩個接觸面的接觸剛度，a1為與節點p相連的邊界單元的平均面積，a2為nelement中與點p穿透單元的平均面積。
17、進一步，本專利技術所述面向礦山的有限元法蠕變材料接觸計算方法，步驟5所述對整體的接觸載荷進行放縮時， b=ab；其中 a為放縮系數，放縮系數的取值范圍為0.5-0.99。
18、進一步，本專利技術所述面向礦山的有限元法蠕變材料接觸計算方法，所述勘測數據包括幾何模型數據和與幾何模型數據匹配的地層的材料數據。
19、進一步，本專利技術所述面向礦山的有限元法蠕變材料接觸計算方法，所述實時監測數據包括掘進開挖的時間數據、開挖范圍數據及開挖工作面的邊界信息。
20、第二方面，本專利技術提供一種面向礦山的有限元法蠕變材料接觸計算系統，包括獲取模塊、計算模塊和輸出模塊；
21、所述獲取模塊，用于獲取勘測數據；根據勘測數據形成求解文件；獲取實時監測數據；根據實時監測數據定義開挖工況和邊界信息，生成工況數據；
22、所述計算模塊，用于在工況中定義一個偽物理狀態；在偽物理狀態下，根據靜力學計算蠕變產生的位移并更新節點位移，包括對求解域節點及邊界節點的坐標進行更新；
23、在組裝剛度矩陣的邊界載荷矩陣中，指定兩個會發生接觸的接觸面，對指定所有邊界單元bcelements進行遍歷；指定的邊界單元包含接觸單元和非接觸單元；對一個邊界單元bcelement中的節點進行遍歷，對其中第一個節點p做對應的指定的接觸的邊界單元的距離判斷，找到距離最近的節點d，基于節點d進行搜索，包含節點d的邊界單元為nelements；
24、判斷節點p與其中一個邊界單元nelement是否會發生穿透現象；若沒有發生接觸面穿透現象，則繼續對bcelement中的節點進行遍歷；若發生接觸面穿透現象，含有法向n的邊界單元為當前的計算單元nelement；
25、計算點p在nelement的垂足f，判斷點f是否在nelement內部；如果點f是否在nelement外部，則繼續對另外一個nelement做穿透判斷；如果在nelement的內部，計算穿透本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種面向礦山的有限元法蠕變材料接觸計算方法，其特征在于包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述面向礦山的有限元法蠕變材料接觸計算方法，其特征在于：所述偽物理狀態下定義修正的迭代步范圍在15-30步。
3.根據權利要求2所述面向礦山的有限元法蠕變材料接觸計算方法，其特征在于：所述穿透量在接觸面法向上的投影Delta的計算依據以下公式，，其中V為向量PF，N為NELement單元的面法向的單位向量。
4.根據權利要求3所述面向礦山的有限元法蠕變材料接觸計算方法，其特征在于：步驟4所述對穿透位移進行修正時，修正載荷采用疊加的方式進行，迭代步疊加的接觸載荷為B=B+b，，其中E為兩個接觸面的接觸剛度，A1為與節點P相連的邊界單元的平均面積，A2為NELement中與點P穿透單元的平均面積。
5.根據權利要求4所述面向礦山的有限元法蠕變材料接觸計算方法，其特征在于：步驟5所述對整體的接觸載荷進行放縮時，B=aB；其中a為放縮系數，放縮系數的取值范圍為0.5-0.99。
6.根據權利要求5所述面向礦山的有限元法蠕變材料接觸計算方法
7.根據權利要求6所述面向礦山的有限元法蠕變材料接觸計算方法，其特征在于：所述實時監測數據包括掘進開挖的時間數據、開挖范圍數據及開挖工作面的邊界信息。
8.一種面向礦山的有限元法蠕變材料接觸計算系統，其特征在于：包括獲取模塊、計算模塊和輸出模塊；
9.一種面向礦山的有限元法蠕變材料接觸計算裝置，其特征在于：包括存儲器和處理器；所述存儲器，用于存儲計算機程序；所述處理器，用于當執行所述計算機程序時，實現如權利要求1-7任一項所述的面向礦山的有限元法蠕變材料接觸計算方法。
10.一種計算機可讀存儲介質，其特征在于：所述存儲介質上存儲有計算機程序，當所述計算機程序被處理器執行時，實現如權利要求1-7任一項所述的面向礦山的有限元法蠕變材料接觸計算方法。
...【技術特征摘要】
1.一種面向礦山的有限元法蠕變材料接觸計算方法，其特征在于包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述面向礦山的有限元法蠕變材料接觸計算方法，其特征在于：所述偽物理狀態下定義修正的迭代步范圍在15-30步。
3.根據權利要求2所述面向礦山的有限元法蠕變材料接觸計算方法，其特征在于：所述穿透量在接觸面法向上的投影delta的計算依據以下公式，，其中v為向量pf，n為nelement單元的面法向的單位向量。
4.根據權利要求3所述面向礦山的有限元法蠕變材料接觸計算方法，其特征在于：步驟4所述對穿透位移進行修正時，修正載荷采用疊加的方式進行，迭代步疊加的接觸載荷為b=b+b，，其中e為兩個接觸面的接觸剛度，a1為與節點p相連的邊界單元的平均面積，a2為nelement中與點p穿透單元的平均面積。
5.根據權利要求4所述面向礦山的有限元法蠕變材料接觸計算方法，其特征在于：步驟5所述對整體的接觸載荷進行放縮時，b=ab；其中a為放縮系數，放縮系...
【專利技術屬性】
技術研發人員：劉謀斌，沈文豪，傅詩禹，劉杰，成名，景超，毛善君，
申請(專利權)人：北京大學南昌創新研究院，
類型：發明
國別省市：
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