基于有限元的螺旋锚抗拔性能分析方法及系统与流程

本发明涉及数据处理，具体涉及基于有限元的螺旋锚抗拔性能分析方法及系统。

背景技术：

1、螺旋锚作为锚固输电线路杆塔基础的重要构件，其抗拔性能分析主要依赖有限元数值仿真。常规做法仅模拟螺旋锚的拉拔过程，在土体模型中施加向上的位移或载荷，通过计算极限拉拔力来评估抗拔性能。然而，螺旋锚的实际安装过程包含旋入阶段（也即螺旋锚以旋转方式钻入土体），该阶段对周围土体产生挤压和扰动，改变了土体的初始应力状态和密实度，进而显著影响后续拉拔阶段的承载表现。因此，部分改进方法开始同时模拟旋入过程和拉拔过程，形成级联仿真，也即先模拟螺旋锚旋入土体的过程，再在该基础上模拟拉拔过程，计算抗拔承载力。

2、虽然级联仿真在理论上比单一拉拔仿真更接近物理实际，但面临的问题在于，有限元仿真所使用的土体本构模型（如硬化土模型）包含多个参数（如参考割线模量、切线模量、黏聚力、内摩擦角等），这些参数直接决定了土体在旋入过程中的力学响应。硬化土模型参数若设置不当，旋入阶段的仿真结果就会偏离真实情况，而该误差会通过级联关系传递至拉拔阶段，导致抗拔性能分析结果不可靠。

技术实现思路

1、为解决抗拔性能分析过程中硬化土模型参数设置不当的问题，本发明提供基于有限元的螺旋锚抗拔性能分析方法及系统。

2、本发明的基于有限元的螺旋锚抗拔性能分析方法及系统采用如下技术方案：

3、本发明一个实施例提供了基于有限元的螺旋锚抗拔性能分析方法，该方法包括以下步骤：

4、通过物理旋入试验，测试螺旋锚旋入土体时的旋入扭矩随转角的变化曲线，记为实测扭矩曲线；

5、初始化硬化土模型参数，对螺旋锚旋入硬化土模型的过程进行有限元仿真并得到仿真结果，所述仿真结果包含硬化土模型中每个单元的内能增量以及仿真扭矩曲线，仿真扭矩曲线与实测扭矩曲线之间的趋势分量的差异记为第一差异；利用实测扭矩曲线的波动分量中频谱分布评估硬化土模型在不同深度下的土质差异，利用不同深度下的土质差异修正每个单元的内能增量，所有单元的修正后的内能增量之和记为综合内能增量；基于实测扭矩曲线所确定的旋入总功与综合内能增量的差异以及所述第一差异确定硬化土模型参数的误差，基于误差修正硬化土模型参数；

6、利用修正后的硬化土模型参数对螺旋锚抗拔过程进行有限元分析。

7、优选的，实测扭矩曲线的所述趋势分量以及所述波动分量的具体获取步骤如下：

8、从实测扭矩曲线上采样出若干采样点；所有采样点所构成的采样曲线记为初始曲线，对初始曲线进行傅里叶变换得到第一频谱；利用预设的截止频率对该第一频谱进行低通滤波，将低通滤波的第一频谱进行傅里叶逆变换，得到实测扭矩曲线的趋势分量；

9、初始曲线与趋势分量的差值曲线记为实测扭矩曲线的波动分量。

10、优选的，所述仿真扭矩曲线与实测扭矩曲线之间的趋势分量的差异记为第一差异，包括的具体步骤如下：

11、将实测扭矩曲线的趋势分量划分为若干个第一片段，将仿真扭矩曲线的趋势分量划分为若干个第二片段；编号相同的第一片段和第二片段作为每对片段，每对片段的余弦相似度记为每对片段的相似性，所有对片段的相似性的均值记为仿真扭矩曲线与实测扭矩曲线之间的趋势分量的综合相似性；所述第一差异与所述综合相似性呈负相关。

12、优选的，所述利用实测扭矩曲线的波动分量中频谱分布评估硬化土模型在不同深度下的土质差异，包括的具体步骤如下：

13、将波动分量划分为若干个第三片段；获取每个第三片段的第二频谱；获取每个第三片段的横坐标均值所对应的旋入深度；对于所有第三片段的旋入深度及其第二频谱，计算任意一对旋入深度所对应的两个第二频谱的频谱差异；每对旋入深度对应的频谱差异作为硬化土模型在任意两个土层深度下的土质差异。

14、优选的，所述利用不同深度下的土质差异修正每个单元的内能增量，包括的具体步骤如下：

15、所有旋入深度构成深度序列；从深度序列中每隔k个元素采样一个采样深度，k表示土层深度尺度；以相邻采样深度的均值为土层分割线对硬化土模型分层，得到每个采样深度所代表的土层；

16、对于任意相邻的采样深度分别代表的两个土层，两个土层内的所有单元的内能增量的差异记为相邻的采样深度的能量差异；所有相邻的采样深度对应的能量差异，与所有相邻的采样深度对应的频谱差异求差异得到土层深度尺度k下的土层特性误差；

17、对于土层深度尺度k的若干取值，所有取值下分别获得的土层特性误差的均值记为土层特性多尺度误差；优化硬化土模型中每个单元的内能增量，当土层特性多尺度误差达到最小值时，得到每个单元的修正后的内能增量。

18、优选的，所述基于实测扭矩曲线所确定的旋入总功与综合内能增量的差异以及所述第一差异确定硬化土模型参数的误差，基于误差修正硬化土模型参数，包括的具体步骤如下：

19、旋入总功与综合内能增量的差值与旋入总功的比值记为第二差异，将第二差异的平方与第一差异的平方的和记为硬化土模型参数的误差；

20、利用最优化算法对硬化土模型参数优化，当硬化土模型参数的误差最小时所优化得到的硬化土模型参数记为修正后的硬化土模型参数。

21、优选的，所述利用修正后的硬化土模型参数对螺旋锚抗拔过程进行有限元分析，包括的具体步骤如下：

22、利用修正后的硬化土模型参数进行螺旋锚旋入过程和拉拔过程的有限元仿真，得到拉拔过程的载荷-位移曲线；将载荷-位移曲线的最大值记为极限抗拔承载力，将极限抗拔承载力以及载荷-位移曲线作为螺旋锚抗拔性能分析结果。

23、优选的，所述计算任意一对旋入深度所对应的两个第二频谱的频谱差异，包括的具体步骤如下：

24、将每个第二频谱中的大于等于截止频率的所有频率成分划分为若干个子区间，每个子区间内所有频率成分的幅值的均值记为每个子区间的平均幅值；所述两个第二频谱中相同子区间的两个平均幅值的差值绝对值记为每个子区间的局部差异；所有子区间的局部差异的均值作为所述频谱差异。

25、优选的，所述得到土层深度尺度k下的土层特性误差，包括的具体步骤如下：

26、硬化土模型中每个土层内的所有单元的内能增量求和，记为每个采样深度的第一能量指标；相邻的采样深度的第一能量指标的差值绝对值记为相邻的采样深度的能量差异；所有相邻的采样深度对应的能量差异构成能量差异序列；对于相邻的采样深度的频谱差异，所有相邻的采样深度对应的频谱差异构成频谱差异序列；

27、将能量差异序列归一化，将频谱差异序列也归一化；将归一化后的能量差异序列与归一化后的频谱差异序列的差异记为土层深度尺度k下的土层特性误差。

28、本发明另一个实施例提供基于有限元的螺旋锚抗拔性能分析系统，该系统包括物理测试模块；物理测试模块利用液压动力头驱动螺旋锚旋入土层；物理测试模块中还包括用于采集实测扭矩曲线的扭矩传感器和旋转编码器；该系统还包括有限元仿真模块，有限元仿真模块包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序时先读取物理测试模块所获得的实测扭矩曲线，然后实现上述基于有限元的螺旋锚抗拔性能分析方法的所有步骤。

29、本发明的技术方案的有益效果是：

30、本发明通过结合物理旋入试验的实测扭矩曲线与有限元仿真，实现了对硬化土模型参数的校准，有效避免了因参数设置不当导致的抗拔性能结果不可靠的问题。本发明整体上通过将实测扭矩曲线的全局趋势信息与局部波动频谱信息，分别用于修正仿真模型的宏观趋势和微观能量分布，并综合能量守恒原理进行参数优化，使得修正后的硬化土模型能够更真实地模拟实际土体对螺旋锚的作用，显著提升了后续抗拔过程有限元分析的准确性和可靠性。

31、具体而言，本发明通过计算仿真扭矩曲线与实测扭矩曲线趋势分量的第一差异，有效约束了模型参数的全局优化方向。同时，利用实测扭矩曲线波动分量的频谱分布评估不同深度下的土质差异，并据此修正每个有限元单元的内能增量，将土体局部非均匀性信息引入仿真模型，增强了模型对实际土层变化的表征能力。进一步地，基于实测旋入总功与仿真综合内能增量的差异（第二差异）与第一差异共同构建参数误差函数，从宏观趋势和能量守恒两个维度对模型参数进行联合优化，确保了修正后的硬化土模型参数尽可能接近真实土体，最终为获得准确的螺旋锚极限抗拔承载力和载荷-位移曲线奠定了基础。