一种土工膜三维应力变形分析方法与流程

本发明涉及计算机辅助设计，具体涉及一种土工膜三维应力变形分析方法。

背景技术：

1、土工膜是一种用于土木工程和环境工程中的功能性薄膜材料，具有优异的抗拉强度、耐化学腐蚀性、耐老化性和良好的防渗透性能，由于土工膜通常用于确保工程结构的安全性、可靠性和经济性，因此就要保证土工膜在使用过程中的受力符合工程需求，使得其在长期使用中能够保持稳定性和功能性。

2、但是在对土工膜进行三维应力变形分析时，由于土工膜在受到拉伸应力时，其所产生的形变包含塑性形变和弹性形变，即产生了非线性形变，而通常利用数字孪生技术构建其对应非线性的三维土工膜模型以对其进行三维应力变形分析时，由于非线性模型的复杂性，因此数字孪生技术所构建的三维土工膜模型的网格密度是影响模型的精度和计算效率的关键参数，当网格密度过大时，会导致精度降低而计算效率提高，当网格密度过小时，会导致精度提高而计算效率降低，故通过调节数字孪生模型的网格密度来提高模型精度时，需要在计算成本和模拟精度之间找到平衡。

技术实现思路

1、本发明提供一种土工膜三维应力变形分析方法，以解决现有的问题。

2、本发明的一种土工膜三维应力变形分析方法采用如下技术方案：

3、本发明一个实施例提供了一种土工膜三维应力变形分析方法，该方法包括以下步骤：

4、对若干土工膜试样在若干拉伸方向上进行拉伸测试，获取测试过程中的应力数据序列；

5、基于应变数据序列构建若干种不同排列方式下的方向应变矩阵，通过任意方向应变矩阵中元素的变化特征，获取每个方向应变矩阵中的若干划分时刻，根据不同排列方式数量下方向应变矩阵对应划分时刻的分布情况，获取在对应拉伸方向下土工膜的若干个非线性时刻，利用非线性时刻的分布情况，得到对应拉伸方向下的非线性参数；

6、对于任意拉伸方向，结合非线性时刻的变化趋势以及应力数据序列整体的变化趋势，获取对应拉伸方向下的线性参数；

7、利用线性参数、非线性参数以及不同时间段下应力数据序列的变化趋势，对预设的初始网格密度进行调节，获得每个拉伸方向下不同时间段内的最终网格密度；

8、结合最终网格密度构建土工膜三维模型，并利用仿真工具进行三维应力变形分析。

9、进一步地，所述方向应变矩阵的具体获取方法为：

10、获取任意应变数据序列的前向差分序列，记为应变差序列，构建方向应变矩阵，每个方向应变矩阵对应一个拉伸方向，将所有土工膜试样在任意拉伸方向下对应应变数据序列的应变差序列作为对应拉伸方向下方向应变矩阵的行，得到若干个拉伸方向下分别对应的方向应变矩阵。

11、进一步地，所述通过任意方向应变矩阵中元素的变化特征，获取每个方向应变矩阵中的若干划分时刻，包括的具体方法为：

12、利用canny算子对任意拉伸方向下的方向应变矩阵进行边缘检测，得到若干条边缘线，记为非线性分割线；

13、根据方向应变矩阵中元素的坐标，利用最小二乘法对方向应变矩阵中任意一个非线性分割线上的所有元素拟合出一个竖直直线，获取竖直直线在方向应变矩阵中的横坐标，记为划分时刻，每个方向应变矩阵中包含若干划分时刻。

14、进一步地，所述根据不同排列方式数量下方向应变矩阵对应划分时刻的分布情况，获取在对应拉伸方向下土工膜的若干个非线性时刻，包括的具体方法为：

15、对于任意一个拉伸方向下，获取任意一种排列方式下方向应变矩阵的所有划分时刻按照从小到大的顺序排列得到的序列，记为对应排列方式下的划分时刻序列；

16、当排列方式的数量为n时，根据在对应排列方式的数量下所有划分时刻序列之间的相似分布情况，获取当排列方式的数量为n时的非线性时刻稳定系数；

17、构建二维直角坐标系，将排列方式的数量作为横轴，将排列方式的数量下对应的非线性时刻稳定系数作为纵轴，构建由若干种排列方式的数量下对应的非线性时刻稳定系数形成的曲线，记为非线性相似曲线，通过手肘法获取非线性相似曲线的肘部所对应的排列方式的数量，记为目标排列数量；对于目标排列数量下所有排列方式，将所有划分时刻序列中相同序数的元素的平均值，记为非线性时刻。

18、进一步地，所述利用非线性时刻的分布情况，得到对应拉伸方向下的非线性参数，包括的具体方法为：

19、利用所有非线性时刻对应力数据序列所包含的所有时刻划分为若干个时间段；

20、利用最小二乘法分别对任意应力数据序列中每个时间段内的所有元素进行直线拟合，得到对应时间段的拟合直线，记为对应时间段下的变化直线，获取每个变化直线的斜率，记为对应时间段的变化系数；

21、将任意时间段对应的时间长度和变化系数的乘积记为时间段的非线性率，获取相同拉伸方向下的所有应力数据序列中相同序数的时间段的平均非线性率，记为对应拉伸方向下对应序数的时间段的方向非线性系数，根据时间段的数量和方向非线性系数，得到对应拉伸方向下的非线性参数。

22、进一步地，所述非线性参数的具体计算方法为：

23、计算任意拉伸方向下的非线性参数，具体计算方法为：

24、

25、其中，表示拉伸方向下的非线性参数，表示时间段的数量，表示拉伸方向下所有时间段的方向非线性系数形成的集合，表示获取标准差。

26、进一步地，所述对于任意拉伸方向，结合非线性时刻的变化趋势以及应力数据序列整体的变化趋势，获取对应拉伸方向下的线性参数，包括的具体方法为：

27、对于任意应力数据序列，获取在该应力数据序列中在对应所有非线性时刻下的元素值，即应力值，记为目标应力，利用最小二乘法对该应力数据序列的所有关键应力进行直线拟合，得到拟合直线，记为非线性应力直线，获取该非线性应力直线的斜率和截距；

28、获取任意应力数据序列的第一个元素和最后一个元素形成的直线，记为应力整体直线，获取应力整体直线的斜率和截距；

29、根据非线性应力直线的斜率和截距、应力整体直线的斜率和截距，获取在任意拉伸方向下的线性参数。

30、进一步地，所述线性参数的具体计算方法为：

31、

32、其中，表示在第个拉伸方向下的线性参数，表示在第个拉伸方向下应力数据序列的数量，表示在第个拉伸方向下第个应力数据序列的应力整体直线的斜率，表示在第个拉伸方向下第个应力数据序列的非线性应力直线的斜率，表示在第个拉伸方向下第个应力数据序列的应力整体直线的截距，表示在第个拉伸方向下第个应力数据序列的非线性应力直线的截距。

33、进一步地，所述利用线性参数、非线性参数以及不同时间段下应力数据序列的变化趋势，对预设的初始网格密度进行调节，获得每个拉伸方向下不同时间段内的最终网格密度，包括的具体方法为：

34、预设利用数字孪生技术构建土工膜模型的初始网格密度；

35、利用线性参数、非线性参数以及不同时间段的变化系数，对初始网格密度进行调节，获得每个拉伸方向下不同时间段内的最终网格密度。

36、进一步地，所述每个拉伸方向下不同时间段内的最终网格密度的具体计算方法为：

37、

38、其中，表示在第个拉伸方向下，处于第个时间段内时土工膜模型的最终网格密度；表示预设的初始网格密度，表示在第个拉伸方向下的线性参数，表示在第个拉伸方向下的非线性参数，表示在第个拉伸方向下，所有应力数据序列在第个时间段中对应变化系数的平均值，表示归一化函数，将函数计算结果归一化到范围内，其中为预设的超参数，表示自然常数。

39、本发明的技术方案的有益效果是：本发明实施例通过在不同方向下采集的应力数据序列，可以全面理解土工膜在多维空间内的应力响应，揭示土工膜在不同方向上的强度和变形特性，有助于定量评估其工程性能，另外，本发明实施例考虑到土工膜在不同应力状态下的线性和非线性响应，线性参数能够提供基本的弹性行为信息，而非线性参数则能捕捉到更复杂的变形行为，从而使得利用线性参数和非线性参数构建自适应能力更强的调节模型，提高对土工膜的网格密度的动态调节能力，使得土工膜模型能够更贴近实际应力变化情况，提高了模拟结果的准确性和可靠性，基于构建的土工膜模型，进行应力变形分析能够详细展示不同应力条件下土工膜的变形情况，实现在土工膜应力变形分析结果的准确性与分析过程中计算成本之间的平衡。