块体模型细胞自动机分析方法研究及其程序开发

摘要

由于复杂节理及结构面的存在，导致节理岩质边坡稳定性分析和演化问题长期是设计的瓶颈和难题。针对此现状，如何将节理岩体正确模拟出来是节理岩质边坡稳定性分析成功与否的关键。在岩土领域，块体模型分析法是适合节理岩体分析的方法，比如离散单元法，不连续变形分析法及条分法等。由于块体模型分析法的发展及应用受到自身理论体系的制约，到目前都难以有效地发挥其应有的价值，这着实是遗憾。 本文拟将块体模型理论结合对复杂系统行为分析有显著优势的细胞自动机理论，提出了块体细胞自动机模型。自动机能模拟绝大多数繁杂系统且演化过程十分丰富，只需满足其基本特征即可，核心在于确定更新规则。文中将岩土试件离散为块体细胞自动机模型，模型中邻胞会相互影响，相隔单位则不会产生影响。求解过程中引入块体模型细胞自动机的求解机制，通过循环迭代实现系统更新，求模型中各细胞的表面力，更新是从平衡到被打破平衡到最后再平衡的往复过程，最终系统会趋于稳定。 文中对应理论开发了数值模拟分析软件BMCSA(Block Cellular Automata for rock and soil Specimen)，该分析软件主要将岩土试件离散为块体细胞自动机模型，求各细胞趋于稳定时表面力值。BMCSA分析软件操作方便，数据结果清晰可见。针对理论，在整个模型的循环迭代过程中，各细胞都假设往同一方向移动，实际上细胞并未发生位移，目的是便于计算。更新规则是由当前计算单元与其邻胞根据规定的规则实现演变，直到模型最终趋于平衡。块体模型细胞自动机分析法不需过多假设，只是简单地认为各细胞间的联系是由弹簧约束相互作用，最后通过验证得出该分法切实可行，所求结果更是合理的。本文所作地研究，对节理岩体的分析是一次新途径的尝试，这为后续深入研究节理岩质边坡的相关难题打下基础。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1前言

1．2块体模型分析法的研究现状

1．3细胞自动机的发展和研究现状

1．4本文的创新及特色

1．5本文的主要研究内容

第二章细胞自动机方法的原理

2．1细胞自动机的基本理论

2．2细胞自动机的主要特点和优势

2．3细胞自动机在土木工程中的应用

第三章块体模型力学求解机制

3．1块体的力学模型分析

3．2等效的块体弹簧力学模型

3．3块体细胞自动机模型求解机制

3．4计算思路和力学模型

第四章程序的开发

4．1程序的开发思路和框架

4．2程序的功能模块和数据结构

4．2．1功能模块

4．2．2数据结构

4．3分析软件BMCSA的总流程图

4．4模型的生成

4．4．1绘制试件外轮廓线

4．4．2离散块体模型细胞自动机

4．5参数输入对话框

4．5．1细胞属性设定

4．5．2计算方法的设定

4．5．3外荷载设定

4．6计算分析程序

4．6．1节点及行心坐标的获取

4．6．2细胞接触类型的判断

4．6．3截面切向力和法向力的计算

4．7数据可视化

4．8计算收敛条件

第五章案例分析

5．1试件模拟分析

5．2均布荷载模拟分析

5．3块体细胞自动机与格构细胞自动机的比较

第六章结论与展望

6．1结论

6．2展望

参考文献

致谢

附录