一种模拟大型冰块融化及破碎多动力过程的数值方法与流程

本发明涉及岩土工程应用领域，特别是涉及一种用于模拟大型冰块融化及破碎多动力过程的数值仿真方法。

背景技术：

1、近年来，受全球气候变暖，高原高海拔地区的冰川并及多年积雪逐渐消融，伴随冰雪融水与风化岩体的相互作用，冰岩崩灾害在该地区频繁发生，巨大的冰岩混合滑体在高速运动过程中对下游河流房屋及大型水电站等工程设施造成了巨大的威胁，不仅对区域生态环境造成了巨大影响，并且极易极易造成重大人员伤亡和财产损失。

2、面对冰岩碎屑混合型巨型滑坡中冰块由冰转化为水的相态转变问题，当前已有的研究及多数技术方法均进行了过多的简化及不合理的替换，均难以确切生动的实现大型冰块的融化及破碎多动力过程的模拟及仿真，这使得在处理巨型冰岩崩灾害问题时，研究的精准度及模型的可靠度受到了极大的影响。因此，当下急需一种能够合理准确的用来描述冰块热融及动力破碎过程的数值计算模型。

技术实现思路

1、本发明公开了一种模拟大型冰块融化及破碎多动力过程的数值方法，该方法以光滑粒子流体动力学sph(smoothparitcle hydrodynamics)为基础，引入mohr-coulomb&bingham岩体本构模型，将大型冰块的融化前后的物理属性通过bingham模型表示，即冰块融化前的固体状态为bingham模型中材料未屈服前的阶段，冰块融化后的物理特性为bingham模型中屈服后的流动性液体状态，将冰块的物理熔点与bingham模型中的材料屈服点(屈服强度)间建立关联，即可实现大型冰块的热熔过程的模拟。同时，本发明考虑了冰块在受压及其他力学条件下的破碎变形过程，该过程采用mohr-coulomb岩体本构方程来控制，冰块的破坏失稳过程服从该准则，且该过程与冰块的热熔过程并行运算，同时进行。该发明突破了传统岩体过程计算应用工程中冰-水多相态间转换的难题，极大推动了岩土领域内冰岩相互作用的研究。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种模拟大型冰块融化及破碎多动力过程的方法，具体步骤如下：

3、第一步：在sph模型中构建对应的光滑粒子，选择相应的光滑函数及场模型，赋予光滑粒子相关的物理属性并设置边界条件，完成冰块模型在sph中的建立。

4、第二步：将用于模拟冰块的光滑粒子自身的流变模型进行更改，引入bingham模型，通过在冰块熔点及bingham模型中屈服点之间建立联立关系，实现冰块融化过程的数值语言编程。

5、第三步：引入mohr-coulomb岩体本构模型，并行bingham模型且同时施加于冰块流变模型之上，用于实现冰块在受力作用下的变形或破碎过程的数值描述，完成冰块动力破碎过程的模拟。

6、第四步：于sph模型中设置计算时步，调用计算机图形处理器gpu，完成冰块融化于动力破坏多动力工程的仿真模拟。

7、所述bingham岩体本构模型为：

8、宾汉流体指一种最早由尤金·宾汉提出的粘弹性非牛顿流体。其流动性为线性。当切应力超过某值才开始发生剪切变形，且切应力随剪切变形速率呈线性变化的液体，又译为宾厄姆流体。宾汉流体是非牛顿流体中的一种。牛顿流体(如水、空气)属于低分子量的流体，而宾汉流体则具有高分子量，其切应力不符合牛顿内摩擦定律。此流体只有在达到一个最小剪应力τ0的临界值才开始流动。低于此临界值τ0宾汉流体表现为普通的弹性体。在本发明中，巧妙的将bingham模型的这一特性与冰块融化的特殊过程结合了起来。

9、所述mohr-coulomb岩体本构模型为：

10、该模型是1776年法国科学家库伦(c.a.coulomb)通总结土的破坏现象和影响因素而提出的土的一种破坏准则。摩尔(mohr)继续库伦的早期研究工作，提出材料的破坏是剪切破坏的理论。当土体中任一平面上的某点剪应力等于土的抗剪强度时，该点即处于濒于破坏的临界状态，此临界状态即称为"极限平衡状态”。该状态下各种应力之间的关系称为"极限平衡条件”。本发明中将mohr-coulomb破坏准则应用于冰块的破碎判据，并与冰块的热融过程结合起来，是一种创新。

11、优选地，在sph中对冰块的模型建立具体过程如下：

12、在sph方法平台模型程序中选择合适的粒子排序方式及粒子间距dp，设置冰块位置信息及模型边界，选择光滑核函数方程并控制光滑长度，设置初始条件及模型计算时步信息，完成基于sph方法的大型冰块初始建模。

13、优选地，冰块熔点与bingham模型屈服点的藕联具体过程如下：

14、冰的熔点为273.15k开氏度，在sph模型中，首先设置冰块所处环境的初始温度，赋予冰块模型的初始温度，在该过程中逐渐人工提高环境温度，当冰块表面温度达到熔点273.15k时，冰块融化，此时控制冰块融化的函数方程为bingham模型主导的本构方程，将环境温度与bingham模型中的材料屈服点结合，建立并行转换关系，即在该模型中冰块表面温度时变量因子，而bingham模型中的屈服点(转换熔点)是判定条件，基于此来实现两者的藕联。

15、有益效果：本方法以光滑粒子流体动力学sph为基础，引入mohr-coulomb&bingham岩体本构模型，将大型冰块的融化前后的物理属性通过bingham模型表示，即冰块融化前的固体状态为bingham模型中材料未屈服前的阶段，冰块融化后的物理特性为bingham模型中屈服后的流动性液体状态，将冰块的物理熔点与bingham模型中的材料屈服点间建立关联，即可实现大型冰块的热融过程的模拟。同时，本发明考虑了冰块在受压及其他力学条件下的破碎变形过程，该过程采用mohr-coulomb岩体本构方程来控制，冰块的破坏失稳过程服从该准则，且该过程与冰块的热融过程并行运算，同时进行。该发明突破了传统岩体过程计算应用工程中冰-水多相态间转换的难题，极大推动了岩土领域内冰岩相互作用的研究。

技术特征：

1.一种模拟大型冰块融化及破碎多动力过程的数值方法，其特征在于，为以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种模拟大型冰块融化及破碎多动力过程的数值方法，其特征在于，bingham岩体本构模型为：

3.根据权利要求1所述的一种模拟大型冰块融化及破碎多动力过程的数值方法，其特征在于，所述mohr-coulomb岩体本构模型为：

4.根据权利要求1所述的一种模拟大型冰块融化及破碎多动力过程的数值方法，其特征在于，在sph中对冰块的模型建立具体过程如下：

5.根据权利要求1所述的一种模拟大型冰块融化及破碎多动力过程的数值方法，其特征在于，冰块熔点与bingham模型屈服点的藕联具体过程如下：

技术总结
本发明公开了一种模拟大型冰块融化及破碎多动力过程的数值方法，属于岩土工程应用领域。该方法以光滑粒子流体动力学SPH为基础，引入Mohr‑Coulomb&Bingham岩体本构模型，将大型冰块的融化前后的物理属性通过Bingham模型表示，将冰块的物理熔点与Bingham模型中的材料屈服点间建立关联，即可实现大型冰块的热融过程的模拟。同时，本发明考虑了冰块在受压及其他力学条件下的破碎变形过程，该过程采用Mohr‑Coulomb岩体本构方程来控制，冰块的破坏失稳过程服从该准则，且该过程与冰块的热融过程并行运算。该发明极大推动了岩土领域内冰岩相互作用的研究。

技术研发人员：张耀明,何顺江,刘孝仓,杨彪,常文斌,邢爱国
受保护的技术使用者：中能化发展建设集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15