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申请/专利权人：武汉大学

摘要：本发明提出了一种滑坡涌浪冲击浮船灾害链估测方法及系统。结合随机变量生成方法生成指定块石含量的土石混合体实体模型，采用粒子填充算法分别构建真实物理世界坐标系的多个粒子模型以及缆线单元模型；结合真实物理世界坐标系的多个粒子模型构建对应的控制方程；重复迭代执行真实物理世界坐标系下不同粒子模型的初始化以及控制方程求解，直至达到预设的最大计算步数；结合对应的控制方程进行计算，得到不同粒子的运动信息，用于指导库区涌浪风险区浮船安全范围规划以及涌浪冲击作用下水工建筑物损伤分析和预测。本发明建立了考虑“土石混合体滑坡‑涌浪‑浮船‑系泊‑水工建筑物”间耦合作用的滑坡涌浪灾害链全过程高保真精细化模拟方法。

主权项：1.一种滑坡涌浪冲击浮船灾害链估测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：采用手持式三维激光扫描仪对多个块石进行扫描，得到M个块石的三维点云，通过随机变量生成方法得到每个块石的块石序号、块石体积变换系数、块石旋转变换系数，生成指定块石含量的土石混合体实体模型，采用粒子填充算法分别构建真实物理世界坐标系的三维滑坡土体粒子模型、真实物理世界坐标系的三维地形粒子模型、真实物理世界坐标系的三维块石粒子模型、真实物理世界坐标系的三维水流粒子模型、真实物理世界坐标系的三维浮船粒子模型、真实物理世界坐标系的三维水工建筑物粒子模型，并建立真实物理世界坐标系的三维缆线单元模型，进一步进行模型校核；获取真实物理世界坐标系的不同类型的粒子模型的参数信息；步骤2：结合真实物理世界坐标系的三维滑坡土体粒子模型构建滑坡入水时滑坡土体粒子控制方程，结合真实物理世界坐标系的三维块石粒子模型构建块石粒子控制方程，结合真实物理世界坐标系的三维浮船粒子模型构建浮船粒子控制方程，结合建立的真实物理世界坐标系的三维缆线单元模型进行缆线单元集中力和扭矩计算，结合真实物理世界坐标系的三维水工建筑物粒子模型构建水工建筑物粒子控制方程；步骤3：重复迭代执行真实物理世界坐标系下不同粒子模型的初始化以及控制方程求解，直至达到预设的最大计算步数；步骤4：结合滑坡入水时滑坡土体粒子控制方程、块石粒子控制方程、浮船粒子控制方程、水工建筑物粒子控制方程分别进行计算，得到滑坡土体粒子、地形粒子、块石粒子、水流粒子、浮船粒子、水工建筑物粒子的应力、加速度、速度、位移、位置信息，进一步将水流粒子位置信息、浮船位置信息、水工建筑物冲击力信息进行可视化展示，用于指导库区涌浪风险区浮船安全范围规划以及涌浪冲击作用下水工建筑物损伤分析和预测；步骤2所述结合真实物理世界坐标系的三维浮船粒子模型构建浮船粒子控制方程，具体如下：以浮船粒子k为中心，浮船采用光滑粒子流体动力学动力边界模拟，浮船运动过程中与水流粒子接触、与地形粒子及水工建筑物粒子碰撞接触、与其他浮船粒子碰撞接触、与缆线单元接触，控制方程如下： 其中，ρk为粒子k的密度；t为计算时间；mj为粒子j的质量；vi和vj为粒子i和j的速度，vkj＝vk-vj为速度差；xk是粒子k的位置坐标；Wkj是光滑粒子流体动力学方法中的核函数,α与β表示应力的向量方向，应力为三阶张量； 其中，浮船Z具有质量MZ、速度VZ、惯性张量IZ、角速度ΩZ和重心RZ，Wkj是光滑粒子流体动力学方法中的核函数，α与β表示应力的向量方向，应力为三阶张量；对于给定的粒子k，其半径为R，存在一个影响域范围为nR，n≥2，W为影响域范围内的水流粒子区域，B为影响域范围内的地形边界粒子区域，Z为影响域范围内的浮船粒子区域；为粒子k的平均应力，为粒子k的剪应力；Fship→k为其余浮船对浮船Z上的k粒子的作用力；Ften和Tten分别是作用在浮船上的缆索提供的集中力和扭矩；结合步骤2所述结合建立的真实物理世界坐标系的三维缆线单元模型进行缆线单元集中力和扭矩计算，具体如下：以缆线单元为研究对象，系缆采用可拉伸多节点线性单元构成，可保持松弛和拉伸两种状态，缆线单元主要受重力、浮力及拉力作用；当缆线力超过缆线最大张力值时，则缆线单元在后续计算中失效，不参与计算，缆线所受拉力为0N；步骤2所述结合真实物理世界坐标系的三维水工建筑物粒子模型，构建水工建筑物粒子控制方程，具体如下：以水工建筑物粒子i为中心，水工建筑物与水流粒子接触、与浮船粒子接触，以水工建筑物粒子i为中心，其控制方程为： 其中，ρi为粒子i的密度；t为计算时间；mj为粒子j的质量；vi为粒子i和j的速度；xi是粒子i的位置坐标；Wij是光滑粒子流体动力学方法中的核函数，g为重力加速度，α与β表示应力的向量方向，应力为三阶张量；对于给定的粒子i，其半径为R，存在一个影响域范围为nR，n≥2，W为影响域范围内的水流粒子区域，Z为影响域范围内的浮船粒子区域和为粒子i和j的平均应力，为粒子i的剪应力；水工建筑物所受冲击力合力F表示为： 其中，N是指组成水工建筑物的总粒子数，mi是指组成水工建筑物的粒子i的质量，vi是指组成水工建筑物的粒子i的速度，t为计算时间；对于每个计算步，计算水工建筑物所受冲击力，最终实现涌浪循环冲击水工建筑物的冲击力时程计算；同时得到浮船的加速度、速度信息，其位置信息也会更新；实现涌浪冲击下浮船姿态实时预测，相关计算结果指导后续库区浮船危险性预测与评估；步骤3中，所述真实物理世界坐标系的不同粒子模型中多个粒子的初始化具体如下：将建立的滑坡土体粒子模型、地形粒子模型、块石粒子模型、水流粒子模型、浮船粒子模型、水工建筑物粒子模型初始速度设置为零，初始应力设置为零，赋予不同粒子类型属性便于后续接触判断和计算；所述真实物理世界坐标系的不同粒子模型的求解具体如下：对于真实物理世界坐标系的三维滑坡土体粒子模型中每个滑坡土体粒子，通过本构方程计算滑坡土体粒子应力，进而依次求解滑坡土体粒子加速度、速度、位移以及所受合力，实时更新滑坡土体粒子位置信息；对于真实物理世界坐标系的三维地形粒子模型中每个地形粒子，设置地形粒子位置保持不变，通过对地形粒子周围影响域内的粒子的压力进行插值，计算地形粒子压力信息；对于真实物理世界坐标系的三维块石粒子模型中每个块石粒子，通过对块石粒子周围影响域内的粒子的压力进行插值，计算块石粒子所受合力、加速度、速度以及位移，实时更新块石粒子位置信息；对于真实物理世界坐标系的三维水流粒子模型中每个水流粒子，通过状态方程计算水流粒子所受的影响域内来自同类型的水流粒子的压力，通过对水流粒子周围影响域内的异类型的粒子的压力进行插值，求解异类型粒子作用于水流粒子的压力；随后计算水流粒子加速度、速度、位移，实时更新水流粒子位置信息；对于真实物理世界坐标系的三维浮船粒子模型中每个浮船粒子，通过对浮船粒子周围影响域内的粒子的压力进行插值，并通过判断缆线受力状态计算缆线对浮船的拉力，计算浮船粒子所受合力、加速度、速度以及位移，实时更新浮船粒子位置信息；对于真实物理世界坐标系的三维水工建筑物粒子模型中每个水工建筑物粒子，通过对水工建筑物粒子周围影响域内的粒子的压力进行插值，计算水工建筑物粒子所受合力、加速度、速度以及位移，实时更新水工建筑物粒子位置信息。

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