CN114722614B - 一种基于二维-三维协同的***动力响应模拟方法 - Google Patents

一种基于二维-三维协同的***动力响应模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于二维‑三维协同的***动力响应模拟方法，属于隧道或巷道钻孔***数值模拟领域。包括：根据现场钻孔***参数建立二维平面应变模型，设置边界条件和材料参数，计算出各段别炮孔壁上的***荷载压力时程曲线，并结合理论及经验公式进行验算，再将所得***荷载曲线继承施加至三维真实尺度模型的炮孔壁上，根据现场实测***振动数据，进一步调试***及岩体材料与模型参数，最后进行三维真实尺度模型***动力响应分析。本发明适用于水利、采矿、交通及市政等岩土***领域大型复杂模型的计算分析，相比传统数值模拟方法更高效稳定且结果更加真实可靠。

Description

一种基于二维-三维协同的***动力响应模拟方法
技术领域
本发明属于隧道或巷道钻孔***数值模拟领域，具体涉及一种基于二维-三维协同的***动力响应模拟方法。
背景技术
随着我国基础设施的逐渐发展，如近接隧道，大型地下洞室等复杂工程不断涌现。
由于数值模拟技术计算精度和可靠性高，其计算结果已经成为各类工程问题分析的依据。在隧道或巷道***动力响应模拟中，关于***荷载的模拟方法主要有2类：一类是直接建立***单元，定义***参数和状态方程，并通过流固耦合算法实现***-岩石的荷载传递；另一类是将爆源荷载简化为函数，再将其施加于模型炮孔壁、等效边界或炮孔联心线上。其中，第一类方法可以较真实地模拟***的爆轰过程，但其对***及周围介质的网格划分有严格的要求，若网格尺寸划分质量较差，计算结果易失真，而若网格划分过于精细，则单元数量显著增加，需消耗大量计算时间，严重时会使计算停滞；第二类方法将***荷载进行简化，省去了***爆轰过程的模拟，虽提高了计算效率，但其计算精度及可靠性无法保证。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于二维-三维协同的***动力响应模拟方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于二维-三维协同的***动力响应模拟方法，包括：
基于现场各段别炮孔***参数和装药结构，建立二维平面应变模型；
设置二维平面应变模型的边界条件；设置二维平面应变模型中***和空气参数及状态方程、围岩的本构模型和物理力学参数；
对二维平面应变模型进行求解，得到各段别炮孔的***压力荷载曲线；
基于圣维南原理利用实际工程形状、尺寸和研究区域围岩类别，建立三维真实尺度模型；
设置三维真实尺度模型的边界条件；设置三维真实尺度模型中围岩、初期支护和二次衬砌的本构模型和物理力学参数；
将各段别炮孔的***荷载压力曲线分别施加至对应的三维真实尺度模型各段别炮孔；
求解施加***荷载压力曲线的三维真实尺度模型得到三维真实尺度模型二次衬砌的振动波形，利用二次衬砌的振动波形验证三维真实尺度模型及选取参数的可靠性，根据三维真实尺度模型分析***动力响应。
优选的，还包括：
对二维平面应变模型进行求解时，直至各段别炮孔的***荷载压力曲线的荷载峰值符合理论和经验公式、且三维真实尺度模型二次衬砌的振动波形与现场监测振动数据吻合，得到各段别炮孔的***压力荷载曲线；否则重复设置二维平面应变模型中***和空气参数及状态方程、围岩的本构模型和物理力学参数，对二维平面应变模型进行求解。
优选的，当炮孔的***荷载压力曲线的荷载峰值与理论计算值的相对误差小于10％时，判定炮孔的***荷载压力曲线的荷载峰值符合理论和经验公式；
其中，耦合装药时，炮孔的***荷载压力理论计算公式为：
Figure BDA0003601818760000021
不耦合装药时，炮孔的***荷载压力理论计算公式为：
Figure BDA0003601818760000022
式中，P0为炮孔的***荷载压力，ρ为***密度；D为***爆轰速度；λ为不耦合系数；当孔内压力大于***临界压力时，γ＝3.0，当孔内压力小于***临界压力时，
Figure BDA0003601818760000031
优选的，所述将各段别炮孔的***荷载压力曲线分别施加至对应的三维真实尺度模型各段别炮孔的步骤包括：
根据现场******段别分别建立part，将不同段别的***荷载压力时程曲线按照起爆时间依次施加至对应的part。
优选的，还包括：
对三维真实尺度模型进行求解时，得到三维数值模型二次衬砌的振动波形，直至三维真实尺度模型二次衬砌的振动波形与现场监测振动数据吻合；否则重新设置三维真实尺度模型中围岩、初期支护和二次衬砌的本构模型和物理力学参数，将各段别炮孔的***荷载压力曲线分别施加至对应的三维真实尺度模型各段别炮孔，对三维真实尺度模型进行求解时。
优选的，
利用ANSYS/LS-DYNA、AUTODYNA和ABAQUS中任一个软件建立二维平面应变模型；
利用ANSYS/LS-DYNA、AUTODYNA或ABAQUS中任一个软件建立三维真实尺度模型。
优选的，所述二维平面应变模型为边长5m的正方形模型，对二维平面应变模型划分得到多个尺寸在10mm以内的网格。
优选的，
依据现场情况对二维平面应变模型施加非反射边界条件；
依据现场隧道实际埋深情况对三维真实尺度模型施加边界条件。
优选的，所述研究区域为包含隧道且大于等于隧道直径3倍的区域。
本发明提供的基于二维-三维协同的***动力响应模拟方法具有以下有益效果：1、本发明能求解得到较准确的孔壁***荷载压力时程曲线。2、本发明提供一种简单可行的大型复杂模型***动力响应模拟方法，能够模拟分析大型地下洞室或近接隧道***开挖过程中围岩或二衬的动力响应特性，符合现场工程情况，更具有研究价值和参考意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1的基于二维-三维协同的***动力响应模拟方法的流程图；
图2为本发明实施例1提供的二维平面应变模型图；
图3为本发明实施例1提供的***荷载压力时程曲线图；
图4为本发明实施例1提供的三维真实尺度模型；
图5为本发明实施例1提供的真实模型***荷载加载示意图；
图6为本发明实施例1提供的数值模拟与实测振动波形对比图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
参阅图1，一种基于二维-三维协同的***动力响应模拟方法，包括：
基于现场各段别炮孔***参数和装药结构，建立二维平面应变模型；设置二维平面应变模型的边界条件(依据现场情况对二维平面应变模型施加非反射边界条件)；设置二维平面应变模型中***和空气参数及状态方程、围岩的本构模型和物理力学参数，在本实施例中，围岩的本构模型选用弹塑性本构模型，初期支护和二次衬砌厚度分别为25cm和50cm，并选用RHT材料模型。参阅图2，图2为本发明建立的二维平面应变模型；对二维平面应变模型进行求解时，直至各段别炮孔的***荷载压力曲线的荷载峰值符合理论和经验公式且三维数值模型二次衬砌的振动波形与现场监测振动数据吻合，否则重复设置二维平面应变模型中***和空气参数及状态方程、围岩的本构模型和物理力学参数，对二维平面应变模型进行求解。
参阅图4，基于圣维南原理利用实际工程形状、尺寸和研究区域围岩类别，建立三维真实尺度模型；设置三维真实尺度模型的边界条件(依据现场隧道实际埋深情况对三维真实尺度模型施加边界条件，除已开挖处其余部分均设置为非反射边界)；设置三维真实尺度模型中围岩、初期支护和二次衬砌的本构模型和物理力学参数；参阅图5，将各段别炮孔的***压力荷载曲线分别施加至对应的三维数值模型各段别炮孔，某一炮孔中，考虑爆轰传播的时间效应，P(t)表示随时间变化的炮孔***荷载压力，t＝L/D表示距起爆点距离为L的***起爆滞后时间。对三维真实尺度模型进行求解时，将二维平面应变模型中提取出的***荷载时程曲线时间效应依次施加于炮孔孔壁上，求解施加***荷载压力曲线的三维真实尺度模型得到三维真实尺度模型二次衬砌的振动波形，直至三维真实尺度模型二次衬砌的振动波形与现场监测振动数据吻合，否则重新设置三维真实尺度模型中围岩、初期支护和二次衬砌的本构模型和物理力学参数，将各段别炮孔的***荷载压力曲线分别施加至对应的三维真实尺度模型各段别炮孔，求解施加***荷载压力曲线的三维真实尺度模型得到三维真实尺度模型二次衬砌的振动波形，利用二次衬砌的振动波形验证三维真实尺度模型及选取参数的可靠性，根据三维真实尺度模型分析***动力响应。
当炮孔的***荷载压力曲线的荷载峰值与理论计算值的相对误差小于10％，判定炮孔的***荷载压力曲线的荷载峰值符合理论和经验公式。其中，耦合装药时，炮孔的***荷载压力理论计算公式为：
Figure BDA0003601818760000051
不耦合装药时，炮孔的***荷载压力理论计算公式为：
Figure BDA0003601818760000052
式中，P0为炮孔的***荷载压力，ρ为***密度；D为***爆轰速度；λ为不耦合系数；当孔内压力大于***临界压力时，γ＝3.0，当孔内压力小于***临界压力时，
Figure BDA0003601818760000061
在本实施例中，现场炮孔孔径为50mm，药径42mm，为不耦合装药结构，计算得孔壁压力峰值为0.978GPa，二维平面应变计算结果参考图3，得孔壁压力峰值为0.96GPa，误差为1.84％，满足要求。
具体的，将各段别炮孔的***荷载压力曲线分别施加至对应的三维真实尺度模型各段别炮孔的步骤包括：根据现场******段别分别建立part，将不同段别的***荷载压力时程曲线按照起爆时间依次施加至对应的part。
在本实施例中，利用ANSYS/LS-DYNA、AUTODYNA和ABAQUS中任一个软件建立二维平面应变模型；利用ANSYS/LS-DYNA、AUTODYNA或ABAQUS中任一个软件建立三维真实尺度模型。同时，利用LS-DYNA软件求解器对模型进行求解。
同时，二维平面应变模型为边长5m的正方形模型，对二维平面应变模型精细划分得到多个尺寸在10mm以内的网格。研究区域为包含隧道且大于等于隧道直径3倍的区域，以选取掏槽段第一段炮孔壁设置为独立部分。
为保证模型建立与所选参数的可靠性，依据现场实测结果，对模型及参数进行了反演调试，图6为某测点处数值计算波形与实测振动波形的对比验证。如图6所示，数值模拟与现场实测波形的幅值、频率及持续时间基本吻合。
以上实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于二维-三维协同的***动力响应模拟方法，其特征在于，包括：
基于现场各段别炮孔***参数和装药结构，建立二维平面应变模型；
设置二维平面应变模型的边界条件；设置二维平面应变模型中***和空气参数及状态方程、围岩的本构模型和物理力学参数；
对二维平面应变模型进行求解，得到各段别炮孔的***压力荷载曲线；
基于圣维南原理利用实际工程形状、尺寸和研究区域围岩类别，建立三维真实尺度模型；
设置三维真实尺度模型的边界条件；设置三维真实尺度模型中围岩、初期支护和二次衬砌的本构模型和物理力学参数；
将各段别炮孔的***荷载压力曲线分别施加至对应的三维真实尺度模型各段别炮孔；
求解施加***荷载压力曲线的三维真实尺度模型得到三维真实尺度模型二次衬砌的振动波形，利用二次衬砌的振动波形验证三维真实尺度模型及选取参数的可靠性，根据三维真实尺度模型分析***动力响应；
当炮孔的***荷载压力曲线的荷载峰值与理论计算值的相对误差小于10％时，判定炮孔的***荷载压力曲线的荷载峰值符合理论和经验公式；
其中，耦合装药时，炮孔的***荷载压力理论计算公式为：
Figure FDA0003911759810000011
不耦合装药时，炮孔的***荷载压力理论计算公式为：
Figure FDA0003911759810000012
式中，P0为炮孔的***荷载压力；ρ为***密度；D为***爆轰速度；λ为不耦合系数；当孔内压力大于***临界压力时，γ＝3.0；当孔内压力小于***临界压力时，
Figure FDA0003911759810000013
2.根据权利要求1所述的基于二维-三维协同的***动力响应模拟方法，其特征在于，还包括：
对二维平面应变模型进行求解时，直至各段别炮孔的***荷载压力曲线的荷载峰值符合理论和经验公式、且三维真实尺度模型二次衬砌的振动波形与现场监测振动数据吻合，得到各段别炮孔的***压力荷载曲线；否则重复设置二维平面应变模型中***和空气参数及状态方程、围岩的本构模型和物理力学参数，对二维平面应变模型进行求解。
3.根据权利要求1所述的基于二维-三维协同的***动力响应模拟方法，其特征在于，所述将各段别炮孔的***荷载压力曲线分别施加至对应的三维真实尺度模型各段别炮孔的步骤包括：
根据现场******段别分别建立part，将不同段别的***荷载压力时程曲线按照起爆时间依次施加至对应的part。
4.根据权利要求1所述的基于二维-三维协同的***动力响应模拟方法，其特征在于，还包括：
对三维真实尺度模型进行求解时，得到三维数值模型二次衬砌的振动波形，直至三维真实尺度模型二次衬砌的振动波形与现场监测振动数据吻合；否则重新设置三维真实尺度模型中围岩、初期支护和二次衬砌的本构模型和物理力学参数，将各段别炮孔的***荷载压力曲线分别施加至对应的三维真实尺度模型各段别炮孔，对三维真实尺度模型进行求解。
5.根据权利要求1所述的基于二维-三维协同的***动力响应模拟方法，其特征在于，
利用ANSYS/LS-DYNA、AUTODYNA和ABAQUS中任一个软件建立二维平面应变模型；
利用ANSYS/LS-DYNA、AUTODYNA或ABAQUS中任一个软件建立三维真实尺度模型。
6.根据权利要求1所述的基于二维-三维协同的***动力响应模拟方法，其特征在于，所述二维平面应变模型为边长5m的正方形模型，对二维平面应变模型划分得到多个尺寸在10mm以内的网格。
7.根据权利要求1所述的基于二维-三维协同的***动力响应模拟方法，其特征在于，
依据现场情况对二维平面应变模型施加非反射边界条件；
依据现场隧道实际埋深情况对三维真实尺度模型施加边界条件。
8.根据权利要求1所述的基于二维-三维协同的***动力响应模拟方法，其特征在于，所述研究区域为包含隧道且大于等于隧道直径3倍的区域。
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