基于离散单元方法的岩石切削数值模拟分析

在岩石切削过程中,岩石的破坏形式对切削效率和切削参数的选择有重要的影响.本文为了研究岩石破坏形式的影响因素,利用颗粒流软件(PFC2D)建立了由颗粒簇组成岩石试样的数值仿真模型.通过大量的单轴压缩仿真实验和巴西仿真实验,确定了颗粒微观参数和岩石宏观参数之间的关系;研究了不同切削深度以及有无液柱压力情况下,岩石的破碎形式和过程.研究表明,当切削深度比较浅时,岩石主要为塑性破坏,表现为粉末状的颗粒在刀尖不断的堆积;当切削深度达到一定值后,岩石将会发生脆性破坏,表现为裂纹从刀尖开始沿着切削方向扩展,最终扩展至自由面而形成较大的切屑;颗粒簇法向强度比值影响着岩石切削过程中裂纹的扩展情况以及岩屑的形态;液柱压力对岩石的破坏形式也有很大的影响,随着液柱压力的增大,岩石破碎情况从平衡钻井时的切屑掉块变为过平衡钻井时的挤压破碎.     

界面端脆性开裂扩展的数值模拟

用有限元分析了简支梁下表面粘贴异质材料后粘贴材料性能及结合角对界面端附近应力分布的影响,在此基础上,分别应用最大切应力准则和最大周向拉应力准则对界面端开裂扩展进行了数值模拟.计算结果表明,粘贴材料的性能及结合角仅对界面端附近的应力数值有影响,而对其分布规律影响不大;界面端或者由最大切应力引起沿界面开裂扩展,或者由最大周向拉应力引起垂直于界面在梁内开裂扩展.     

岩石条形药包端部效应的若干算式推导

分析了条形药包端部岩石爆炸作用场的可能分布模式;对药包端部考虑由附加集中式增药包担负实测爆破漏斗的端部体积,其增药量大小可按应力相等原则确立;按角单元岩石抛掷速度相等假定,建立了条形药包爆破漏斗内岩石抛掷速度的近似模式,进而推得端都有效抛掷能计算公式;应用岩石应力波能量相等原理及药包比拟法,推算出条形药包（不计端部增药量）对端部邻近区产生有效作用的相当药量．     

岩石剪胀效应的数值模拟研究

应用FLAC 3D数值模拟软件,分别对不同剪胀角与围压作用下,岩样的剪切带分布及强度特征进行模拟研究.结果表明:随着剪胀角的增加,单轴压缩试验岩样由单一剪切破坏向共轭剪切破坏转变,同时韧性有所增强;围压的增加使得剪胀角为零的岩样由单一剪切破坏发展为双"X"形剪切破坏,剪胀角大于零的岩样由复合共轭剪切破坏过度到单一"X"形剪切破坏,剪切带宽度不断增大;岩样的剪切带倾角随着剪胀角的增大而增大,随围压的增加而减小;围压使得岩样峰值强度与残余强度增加,对岩样残余强度的提高显著;相同围压条件下,剪胀角越大岩样的强度越高但增加幅值不大;随着巷道围岩剪胀效应的增强,围岩的变形量增加显著,合理有效地控制巷道围岩的剪胀变形是支护的关键.     

基于薄层单元法的单桩挤土效应数值模拟

通常预制桩施工会产生挤土效应, 这会对周围环境产生不利影响. 根据某桩基工程施工的实际情况, 利用大型有限元分析软件Abaqus, 通过在桩土间增加薄层单元的方法对单桩施工的挤土效应进行了数值模拟. 薄层单元的厚度取0.08 m, 其力学性质参数介于桩和土之间. 模拟时, 薄层单元近土侧与土中节点进行位移耦合, 而近桩侧则采用摩尔-库伦(Mohr-Coulomb)定律来反映桩体和单元之间的接触关系. 通过数值模拟, 探讨了外部荷载作用下抗压桩的变化特点, 得到了桩顶的荷载与桩入土深度的关系曲线, 分析了打入桩施工的有效影响距离和有效影响深度, 对比研究了有限元数值模拟结果与圆孔扩张理论的解析计算结果. 数值模拟结果表明, 单桩施工的水平向有效影响范围大约为5 倍桩径, 竖直向约为2 倍桩长. 数值模拟结果和解析计算结果比较接近. 使用薄层单元法进行打桩挤土效应数值模拟, 符合桩基工程施工的实际情况, 反映了桩土接触面的变形机理与受力状态. 这对桩基工程设计和施工具有一定的参考价值.     

单轴压缩下岩石材料体积效应的数值模拟

为了探讨体积对岩石材料强度和变形及其破坏形式的影响规律,从岩石材料的非均质性出发,应用岩石破裂过程分析系统RFPA^2D对同长径比不同体积的岩石进行了单轴压缩下的数值模拟研究,模拟结果表明随着体积的增大,岩石的强度呈衰减趋势,但在体积增大某个值以后时,岩石强度便基本趋于稳定,模拟结果和实验结果相吻合。对一组不同均质度系数下岩石材料体积效应的数值模拟结果表明,岩石强度的体积效应根源于材料的非均质性。     

岩石裂纹演化过程中围压效应的数值模拟

应用岩石破裂过程分析程序分析了侧压对预制两个平行裂纹岩样中岩桥区裂纹的扩展、贯通和相互作用机制的影响,并对岩样。受载状态与其特征应力和峰值强度的关系进行了探讨,模拟结论与相关的实验结果相吻合。     

不同围压下岩石材料强度尺寸效应的数值模拟

应用岩石破裂过程分析系统,对不同围压下不同尺寸岩石材料进行了数值模拟试验．研究了围压与岩石材料强度尺寸效应之间的关系．结果表明,围压越大,岩石材料强度尺寸效应越不明显,即围压能够降低尺寸对岩石强度的敏感程度．岩石材料的非均质性不是一个静态变量,而是一个动态参数,与岩石材料内部裂纹的损伤演化密切相关．低围压时,岩石试件内材料并未趋于均匀化,非均质性显著,强度尺寸效应明显;而高围压时,岩石试件内材料由低到高逐渐屈服破坏,材料趋于均匀化,均质性较好,因而强度尺寸效应不明显．     

基于离散单元法的基坑涌水量数值模拟

依托某市拟建高层建筑物基坑工程,分析了场地的水文地质特征,建构了概化的场地水文地质结构模型.基于离散单元法对基坑进行了涌水量的数值模拟,并将计算结果与基坑涌水量实测结果进行了对比.研究结果表明,两者吻合较好.说明建立的岩体结构面二维网络模型能较真实地反映地质体特征,可用来进行裂隙水流的基坑涌水量计算.     

水轮发电机端部各向异性涡流场分析的数学模型

为合理设计大型水轮发电机端部结构，考虑到叠层结构定子铁芯的各向异性及非线性，建立了包括定子铁芯边段在内的水轮发电机端部涡流场分析的数学模型。提出了边界条件处理的新方法。在求解变量的选择上，采用了在不同的求解区域分别引入不同的求解变量——在涡流区用修正矢量磁位，在非涡流区用标量磁位，使计算量大大减少。与以前不包括定子铁芯的端部涡流场分析模型相比，该模型能更准确地计算铁芯边段附近的磁场，故该模型对于研究大型水轮发电机的端部损耗及局部过热具有重要意义。     

基于多图形处理单元加速的各向异性弹性波正演模拟

比较分析了在不同网格大小介质模型情况下,分别采用串行计算、CPU 16个线程并行计算和4块图形处理单元(GPU)并行计算进行各向异性弹性波动方程正演模拟的执行时间差异。发现在网格点为256~3的大模型上,用4块GPU的并行模拟计算相对16线程并行计算与串行计算的加速分别为30倍与156倍。表明多GPU并行算法可以显著缩短数值模拟时间,而且模型网格越大,加速效果越显著。因此,在单机环境下进行大尺度模型的各向异性弹性波正演模拟,采用多GPU并行计算方式是一个合适的加速选择。     

基于相关键元胞的岩石爆破断裂数值模拟

为研究爆破荷载作用下岩石动态断裂过程,采用相关键元胞(Correlated Lattice Bond Cell,CLBC)模型对岩石进行力学建模,提出了一种适用于岩石动态断裂过程的键势函数,该势函数同时反映了岩石的可压缩性、裂尖材料超弹性及弹脆性特征,发展了一种爆破荷载施加方法.结果表明:该方法能够再现爆破荷载作用下的动态裂纹扩展过程及其基本特征;地应力对爆生裂纹扩展方向具有较强的影响,裂纹总是倾向于沿最大地应力方向扩展;为爆破荷载作用下的岩石动态断裂模拟提供了一种简单可行的方法.     

岩石动态剥落破裂的数值模拟

简单介绍了RFPA程序模拟岩石在动态载荷作用下破裂过程的原理和功能,并用该程序研究岩石在动态载荷作用下的剥落过程·数值模拟首先再现了均匀杆在不同的应力波幅值条件下表现出的不同剥落形式,通过与理论比较,证明了RFPA在模拟动态剥落破裂问题时的可行性·以此为基础,RFPA被用于模拟非均匀岩石试样在不同应力波幅值条件下的剥落破裂过程,预测了不同应力波幅值时试样的三个不同的破裂模式·此外,数值模拟还得出试样在动态载荷作用下的强度都高于静态强度的结论,这表明岩石材料力学性质的非均匀性是造成动态强度提高的原因之一·     

基于块体单元法的砌块介质变形数值模拟

基于块体单元法,在块体的位移模式中考虑块体单元的刚体位移、常应变及弯曲曲率,编制了平面块体单元法的程序.数值模拟结果表明,此法能显著提高块体单元法的位移和应力精度,为模拟层状介质如层状岩体的变形,尤其是弯曲变形提供了参考.此外,在块体的接触面内引入材料的非线性来模拟介质沿接触面的屈服或开裂破坏,并通过砌块墙体的破坏模拟算例验证了方法的可行性和可靠性.     

基于实体单元的板材渐进成形数值模拟分析

为研究渐进成形的成形机理及工艺参数对成形力的影响,应用三维实体单元对成形过程进行数值模拟分析和相应的实验研究.在解决数值模拟中运动轨迹加载等难点问题的基础上,合理简化有限元分析模型,提高数值模拟计算效率.采用坐标网格法实验,并通过检测板材厚度的变化,验证了模拟结果的准确性.通过对模拟和实验结果的研究分析,提出了一种不同于剪切变形的新的变形机理,即主要变形区的板材是平面内拉伸变形及局部反向弯曲变形的组合;对成形力的数值模拟正交实验表明层间距是成形力的主要影响因素,并且成形力随层间距的减小而减小.     

基于PHF-LSM-MT的非均质岩石细观界面与水力压裂数值建模

基于PHF(permeability-based hydraulic fracture)模型,采用水平集方法(level set method,LSM)描述材料边界分布,并用多尺度方法MT模型,对材料有效参数进行均匀化,建立适用于考虑非均质岩石材料细观界面特征分布与水力裂缝动态发展过程的PHF-LSM-MT数值计算模型...     

基于双孔模型的含流体各向异性介质地震波场数值模拟

裂缝的存在是诱导地下介质产生各向异性的主要原因,而裂缝中的流体则能够对地震波产生十分明显的能量衰减。本文基于双重孔隙介质理论,对含流体各向异性介质的地震响应特征进行了数值模拟,发现双孔介质的各向异性与介质的渗透率、裂缝密度、有效压力和频率均有重要联系。基于衰减各向异性理论,推导了含流体各向异性介质二维三分量应力-应变关系,结合旋转交错网格有限差分法,通过数值模拟给出了双孔介质中地震波的传播规律,结果表明裂缝密度的增大能够显著地增强介质的各向异性,使得q P波和快慢q S波垂直或平行于裂缝面的波前面均更接近椭圆,且流体的存在能够对q P和q S波相速度造成较为显著的衰减。     

基于黏弹各向异性理论的地震波场数值模拟与分析

基于Carcione黏弹各向异性理论及具有任意倾斜对称轴的横向各向同性介质(TTI)的本构关系,利用二维三分量高阶交错网格有限差分和完全匹配层边界条件对黏弹TTI介质的地震波场信息进行了数值模拟。研究发现:1改变黏弹TTI介质的弹性参数,对地震波传播造成显著影响。其中,C_(13)主要控制qS1波中质点的偏振方向,进而影响了qS1波波形和反射同相轴的形态;而C_(66)则主要控制qS2波中质点的偏振方向,从而影响了qS2波波形和反射同相轴的形态;2利用层状黏弹TTI介质进行数值模拟,可以很好地观察到拟横波在遇到反射界面时发生的横波再分裂现象;同时由于介质黏弹性的存在,导致地震波出现显著的衰减。这将为进一步研究各向异性介质中复杂的波场信息提供帮助。     

基于多重分形理论的岩石试样破裂过程数值模拟

为了研究岩石破裂过程中的非线性特征,采用有限差分方法和FLAC软件,建立了服从应变软化关系的非均质二维岩石类材料数值试样,采用多重分形理论分析了在单轴加载过程中的标度不变性,并计算其多重分形谱f(α)。分析了f(α)特征参数Δf和Δα在不同加载阶段的特征,不同均匀程度的岩石试样在峰值强度前f(α)的顶点f(α)_(max)和Δα的演化规律。研究结果表明:采用合理的概率算法进行计算,在较大的尺度内标度不变性良好;f(α)曲线呈左钩形,并随着载荷的增加而趋于明显,同时Δα减小;若所有的盒子都存在可测度的参量,则f(α)_(max)随载荷增长,峰前f(α)_(max)与Δα随均匀程度的增加而下降,但在均匀性较高以后,趋于稳定。