(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111406422.5 (22)申请日 2021.11.24 (71)申请人 天津大学 地址 300350 天津市津南区海河教育园雅 观路135号天津大 学北洋园校区 (72)发明人 赵高峰　李家乐　李一鸣　 (74)专利代理 机构 天津市北洋 有限责任专利代 理事务所 12 201 代理人 刘子文 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种物理-数值混合的离心数值仿真方法 (57)摘要 本发明公开一种物理 ‑数值混合的离心数值 仿真方法， 立足于微型离心机及其数字孪生体。 针对大型物理离心试验的经济性和试样准备费 时费力问题， 拟通过数值仿真方法对 大型力学试 验进行计算机仿真来节省相关试验的人力和材 料费用。 通过采用不同类型的微型试样在微型离 心机物理装置上进行试验， 获得对应的离心数据 和变形数据。 然后建立对应的微型离心机数字孪 生体， 采用优化算法来获取各个试样 对应的力学 参数。 针对数字孪生体， 通过引入空间离心场的 方法来模拟不同尺度的离心模型仿真。 基于最优 化方法获得对应数值模型的各个力学参数， 针对 工程尺度问题的离心模拟则通过建立大尺寸的 离心机数字 孪生体进行 数值仿真 分析。 权利要求书1页 说明书6页 附图5页 CN 114169153 A 2022.03.11 CN 114169153 A 1.一种物理 ‑数值混合的离心数值仿真方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： (1)将测试试样置于离心腔室的离心夹具中， 调整数码相机处于合适的角度与位置， 固 定各个腔室的腔盖， 将转子钢板盖与离心机转子连接， 调节相机腔室的LED灯光强度， 以达 到能够捕获清晰的、 完整的试样表面； (2)启动电源， 向微型离心机中输入 “时间‑角速度”加载曲线， 同时启动数码相机与离 心机转动按 钮， 试样发生破坏后， 关闭离心机以及数码相机； (3)根据数码相机采集的试样表面图像及生成图像的时间序列， 使用数字图像相关法 将采取的变形图像与 原始的、 未变形的参考图像进 行比较， 获得试样表面的变形场， 分析试 样表面变形场云图， 获得 试样破坏时的断裂位置； (4)基于选定的与参考图像进行 比较的变形图像， 获取该变形图像生成的时间， 依据 “时间‑角速度”曲线确定生 成该图像时的离心角速度， 也即试样断裂破坏时的离心角速度， 最终获取试样的变形 数据以及力学参数； (5)建立微型离心机的数字 孪生体， 采用优化 算法获取 各个试样对应的力学参数。 2.一种应用于物理 ‑数值混合的离心数值仿真方法的微型离心机， 包括与转动电机相 连的离心轴， 其特征在于， 还包括离心机转子以及离心机转子盖； 离心轴的输出端 上连接有 离心机转子； 离心机转子由转子外壁、 配重腔室、 数码相机腔室、 离心腔室、 离心夹具组成； 配重腔室用于实现离心机转子动平衡， 防止离心机转子在高速旋转过程中产生偏移； 数码 相机腔室中装配有微型相机以及LED灯源， 离心腔室中放置有离心夹具； 离心夹具包括固定 夹具和自由夹具， 其中固定夹具固定于离心腔室的凹槽中， 起到固定试样的作用； 自由夹具 连接试样的另一端并且与离心腔室的内壁之间存在距离， 确保在离心过程中起到拉伸试样 的作用； 离心腔室的侧壁采用透明的有机玻璃， 数码相机腔室的侧壁设有通孔， 使 得微型相 机能够在离心测试过程中采集试样表面的图像； 数码相机腔室和离心腔室上分别通过螺钉 连接有相机腔盖和离心腔盖 。 3.根据权利要求2所述一种微型离心机， 其特征在于， 在离心机转子外侧顶部装有一可 拆卸的转子钢板 盖， 防止实验过程中产生 意外伤害。 4.根据权利要求2所述一种微型离心机， 其特征在于， 所述离心夹具包括拉伸夹具、 三 点弯曲夹具和压缩夹具。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114169153 A 2一种物理 ‑数值混合的离心数值仿真方 法 技术领域 [0001]本发明属于工程数值仿真领域， 特别涉及 一种用于微型离心测试及仿真过渡到大 型离心数值仿真的无参数化的方法。 背景技术 [0002]在岩土工程中， 对于一些岩土结构物， 其受力状态和变形大多取决于本身所受到 的重力。 基于离心场和重力场等价的原理， 土工离心机通过提供一个离心场， 不仅能够再现 土工建筑物的真实受力状态， 而且为数值模拟计算及理论分析提供了可靠的试验数据， 因 而土工离心机在岩土 工程中得到 了广泛的应用。 [0003]一般而言， 为了能够使试验模型更加接近原型的真实应力应变状态， 需要离心机 能够提供足够大 的离心场。 离心加速度与离心机的转速和离心半径这两个条件有关， 在离 心机的转速达到上限时， 就需要增加旋转臂的长度来增加离心加速度。 试验模型与研究原 样在尺寸， 外形等方面越接近， 我们得到的结果的精度和可靠度就越高。 而大型土工离心机 则能够同时满足上面两个方面， 能够真实地反映天然 结构物在自重状态下应力应变状态以 及破坏机理等相关方面的信息， 使得大型土工离心机受到广大岩土工程研究人员的青睐。 例如浙江大学建设的国家重大科技基础设施 ‑超重力力 学模拟与试验装置(CHIEF)。 然而， 大型土工离心机的建造需要足够大 的占地面积， 并且大型土工离心机的研制， 使用以及后 期的维护需要源源不断的研究人员参与以及资金投入； 实验模型 的制作周期长， 并且是一 次性使用， 这 也造成了极大的资源浪费。 [0004]目前一些研究人员通过建立离心机的仿真离心场来研究岩石试样的应力应变状 态以及破坏机理， 岩土工程的数值计算方法通常可分为非连续方法以及连续方法两大类。 连续方法立足于宏观视角， 采用的大多是有限元素法及其衍生方法， 将岩体介质等效为裂 隙孔隙材料。 但连续介质的数值理论在进行求解动力学问题时会遇到较大 的困难， 连续性 的假设的成立需要具有一定的代表性单元， 并且在多相动力学的控制方程方面的研究进展 比较缓慢， 因此多相动力学 的控制方程的适用性也是一个难点， 而仿真离心机中的试样离 心测试也属于动力学 的范畴。 相比连续数值方法而言， 非连续数值方法方法以岩石的细观 几何构造为基本出发点， 通过采用简单的接触判断准则和接触本构模型来表征岩石复杂的 接触行为， 并且能够很好的求解岩石动力学问题以及能够在宏观上再现岩石力学实验中试 样的体积压缩， 剪涨， 裂纹扩展， 破碎过程等复杂的非连续现象。 因而在求解岩石动力学问 题时， 非连续数值理论受到了广大研究人员的青睐。 然而在采用非连续数值方法时， 由于模 型参数定义在细观尺度， 因而需要多个微观参数来进行标定， 而人为的微观参数标定极大 地增加了仿真结果的不确定性， 这是一个令 很多研究者 不满意的地方。 [0005]因此， 如何提供一种有效的方式规避大型离心模拟测试时人为调参对仿真结果的 影响， 还能对工程尺度的试样进行 稳定性分析与预测， 是目前需要解决的问题。说　明　书 1/6 页 3 CN 114169153 A 3