CN112329312A - 一种三维渗流应力耦合内聚力单元的快速生成方法 - Google Patents

一种三维渗流应力耦合内聚力单元的快速生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维渗流应力耦合内聚力单元的快速生成方法，属于岩石水力压裂领域，本发明克服现有内聚力单元生成的不足，通过网格单元拆分、内聚力单元生成判断、渗流应力耦合内聚力单元生成实现了无厚度内聚力单元的生成，与现有的一些技术相比，改方法可以适用于不同类型的渗流应力耦合内聚力单元生成，便于并行实现，可以显著提高生成效率90％左右。

Description

一种三维渗流应力耦合内聚力单元的快速生成方法
技术领域
本发明属于岩石水力压裂领域，具体涉及一种三维渗流应力耦合内聚力单元的快速生成方法。
背景技术
内聚力单元(cohesive element)是一种近年来兴起的基于有限元的不连续模拟技术。内聚力单元可以在裂纹扩展过程中形成新的裂纹表面，在新裂纹面不连续的情况下在数学模型上保持连续性条件，从而对裂纹的萌生、扩展建立统一的计算模型来描述。
内聚力单元用以模拟两个部分之间的粘性连接，通常粘结材料尺寸和强度都小于粘结部分，以节理岩体为例，强度形态主要受节理控制，因此可以利用内聚力单元结合相关本构模型模拟裂隙岩体的断裂与破坏。
内聚力单元能够承受拉伸和剪切的应变，但并不能产生任何应力，结合能支持垂直于上下表面的牵引-分离破坏准则可以较好地模拟材料的断裂与破坏。与常规有限元方法模拟裂缝相比，是一种无需细化网格的解决方案，可以有效的降低网格数量，提高运算效率。与扩展有限元方法相比，在已知裂纹潜在路径的情况下，内聚力单元可以模拟多组裂纹的交叉等复杂状况，具有更好的计算稳定性。当前内聚力单元的建模主要通过商业程序自带的图形界面来操作，该方法仅适用于二维情况和结构较为简单的三维情况。对于复杂结构的内聚力单元生成尚未有较好的办法。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种三维渗流应力耦合内聚力单元的快速生成方法是一种无厚度内聚力单元的生成方法，克服现有内聚力单元生成的不足。技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种三维渗流应力耦合内聚力单元的快速生成方法，包括如下步骤：
(1)渗流应力耦合内聚力单元的结构；
(2)网格单元拆分；
(3)内聚力单元生成判断；
(4)内聚力单元生成；
(5)渗流应力耦合模型生成与计算。
进一步地，步骤(1)中，所述的渗流应力耦合内聚力单元的结构包括：
1.1)渗流应力耦合内聚力单元的拓扑结构，在生成时为0厚度，实际有三层12个节点组成，其中9、10、11、12节点用来描述裂隙的渗流特性；
1.2)在渗流应力耦合内聚力单元内部考虑立方定律建立平衡方程如公式(I)所示，其他力学计算部分与传统的内聚力单元一致；
Figure BDA0002770332310000021
其中w为裂隙宽度，μw为流体粘滞系数，ct，cb为裂隙上下面的滤失系数，pf为裂隙内部孔压pt，pb为裂隙上下面相邻固体区域的孔压，Q(t)为源项，δ(x，y)为狄拉克δ函数；裂隙的宽度通过下表面1、2、3、4和上表面5、6、7、8节点位移的差值得到：
ω＝X+-X- (II)。
进一步地，步骤(2)中，所述的网格单元拆分包括：
2.1)对原本连续的网格模型，按照每个单元上所有节点pi(xi，yi，zi)逐一编号的原则对所有节点重新一一排序，打破原有的连续性，形成新的节点序列ni(xi，yi，zi)；
2.2)将每一个单元Vj(nj1，nj2，nj3，nj4，nj5，nj6，nj7，nj8)视为多面体，对网格进行拆分，四面体网格拆分为四个三角形面单元Tj(nj1，nj2，nj3)，六面体网格拆分为六个四边形面单元Tj(nj1，nj2，nj3，nj4)，采用新的节点编号系统标记节点号，记录每一个面的中心坐标ci(xi，yi，zi)；
2.3)建立数据库或数组，记录每一个拆分面单元的节点号ni(xi，yi，zi)、中心坐标ci(xi，yi，zi)、所属原始单元Vj(nj1，nj2，nj3，nj4，nj5，nj6，nj7，nj8)等信息。
进一步地，步骤(3)中，所述的内聚力单元生成判断包括：
3.1)根据工程问题需要，选择生成渗流应力耦合内聚力单元的规则，如在全局区域、不同分组之间或某一特定分组内部等；
3.2)根据面单元的中点坐标ci(xi,yi,zi)信息，找出中点坐标相同的面单元，构建面单元对Dj(nj1,nj2,nj3)；
3.3)根据所处的原单元信息，根据生成规则判断是否需要生成内聚力单元，如果需要生成则标记为1，否则标记为0。
进一步地，步骤(4)中，所述的内聚力单元生成包括：
4.1)对于每一个需要生成的面单元对，生成第三个相同坐标的单元面作为渗流面，实现液体渗透特性的传递，同时更新单元坐标，即每一个单元组有三个面单元，在渗流面单元内部的节点需要按照所在的位置重新编号，，保证同一节点坐标的节点编号相同，实现液体流动的连续性；
4.2)根据是否生成内聚力单元的标记，对新的节点系统进行循环，当不需要生成内聚力单元时，对节点编号进行合并；
4.3)根据渗流内聚力单元的形式把三个面单元组成为一个内聚力渗流单元Cj(Tj1,Tj2,Tj3)。
进一步地，步骤(5)中，所述的渗流应力耦合模型生成与计算包括：
5.1)循环所有的单元和节点信息，对节点和单元进行重新排列和分组，保证节点编号的连续性；
5.2)将新生成的内聚力渗流单元、更新后的节点和单元信息写入有限元程序(如ABAQUS、ANSYS)的模型文件中，即可获得新的包含无厚度内聚力单元的模型。
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种三维渗流应力耦合内聚力单元的快速生成方法，克服现有内聚力单元生成的不足，通过网格单元拆分、内聚力单元生成判断、渗流应力耦合内聚力单元生成实现了无厚度内聚力单元的生成，与现有的一些技术相比，改方法可以适用于不同类型的渗流应力耦合内聚力单元生成，便于并行实现，可以显著提高生成效率90％左右。
附图说明
图1为三维渗流应力耦合内聚力单元的快速生成方法示意图；
图2为三维渗流应力耦合单元的空间拓扑结构图；
图3为有限元模型节点重编号图；
图4为节理岩体模型与分组图；
图5为零厚度渗流应力耦合内聚力单元模型图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，一种三维渗流应力耦合内聚力单元的快速生成方法，具体包括如下步骤：
(1)渗流应力耦合内聚力单元的结构
1)渗流应力耦合内聚力单元的拓扑结构如图2所示，在生成时为0厚度，实际有三层12个节点组成，其中9、10、11、12节点用来描述裂隙的渗流特性；
2)在渗流应力耦合内聚力单元内部考虑立方定律建立平衡方程如公式(1)所示，其他力学计算部分与传统的内聚力单元一致；
Figure BDA0002770332310000041
其中w为裂隙宽度，μw为流体粘滞系数，ct，cb为裂隙上下面的滤失系数，pf为裂隙内部孔压pt，pb为裂隙上下面相邻固体区域的孔压，Q(t)为源项，δ(x，y)为狄拉克δ函数
裂隙的宽度可以通过下表面1、2、3、4和上表面5、6、7、8节点位移的差值得到：
w＝X+-X- (2)
(2)网格单元拆分：
1)对原本连续的网格模型，按照每个单元上所有节点pi(xi，yi，zi)逐一编号的原则对所有节点重新一一排序，打破原有的连续性，形成新的节点序列ni(xi，yi，zi)，如图3；
2)将每一个单元Vj(nj1，nj2，nj3，nj4，nj5，nj6，nj7，nj8)视为多面体，对网格进行拆分，四面体网格可以拆分为四个三角形面单元Tj(nj1，nj2，nj3)，六面体网格可以拆分为六个四边形面单元Tj(nj1，nj2，nj3，nj4)，采用新的节点编号系统标记节点号，记录每一个面的中心坐标ci(xi,yi,zi)；
3)建立数据库或数组，记录每一个拆分面单元的节点号ni(xi,yi,zi)、中心坐标ci(xi,yi,zi)、所属原始单元Vj(nj1,nj2,nj3，nj4，nj5,nj6,nj7，nj8)等信息；
(3)内聚力单元生成判断：
1)根据工程问题需要，选择生成渗流应力耦合内聚力单元的规则，如在全局区域、不同分组之间或某一特定分组内部等；
2)根据面单元的中点坐标ci(xi,yi,zi)信息，找出中点坐标相同的面单元，构建面单元对Dj(nj1,nj2,nj3)；
3)根据所处的原单元信息，根据生成规则判断是否需要生成内聚力单元，如果需要生成则标记为1，否则标记为0；
(4)内聚力单元生成：
1)对于每一个需要生成的面单元对，生成第三个相同坐标的单元面作为渗流面，实现液体渗透特性的传递，同时更新单元坐标，即每一个单元组有三个面单元，在渗流面单元内部的节点需要按照所在的位置重新编号，保证同一节点坐标的节点编号相同，实现液体流动的连续性；
2)根据是否生成内聚力单元的标记，对新的节点系统进行循环，当不需要生成内聚力单元时，对节点编号进行合并；
3)根据渗流内聚力单元的形式把三个面单元组成为一个内聚力渗流单元Cj(Tj1,Tj2,Tj3)；
5)渗流应力耦合模型生成与计算：
1)循环所有的单元和节点信息，对节点和单元进行重新排列和分组，保证节点编号的连续性；
2)将新生成的内聚力渗流单元、更新后的节点和单元信息写入有限元程序(如ABAQUS、ANSYS)的模型文件中，即可获得新的包含无厚度内聚力单元的模型。
实施例1：
为了显示本方法的有效性，选择一个三维节理岩体模型来，该模型为一个柱状节理岩体模型，节点数为20139个，单元数为88165个，模型有28个块体，每个块体对应一个分组，如图4所示意图；模拟水力压裂过程中岩体节理面的渗流力学特性：
(1)单元信息拆分：
1)对原本连续的网格模型，按照每个单元上所有节点逐一编号的原则对所有节点重新一一排序，打破原有的连续性，形成新的节点序列，共有352660个新节点；
2)将每一个实体单元拆分为四个面，记录每一个面的原始节点信息，新节点信息，以及所在的组号，一共352660个面单元；
3)计算每一个拆分得到的面单元的中点坐标，建立数据库，记录每一个拆分面单元的节点号、中心坐标、所属原始单元等信息。
(2)内聚力单元判断：
1)根据工程问题需要，本例子为了模拟节理面上的渗流应力力学行为，采用在不同分组之间生成，该模型原始网格有28个分组；
2)根据面单元的中点坐标信息，找出中点坐标相同的面单元，构建面单元对；
3)根据所处的原单元的分组信息，判断根据生成规则判断是否需要生成内聚力单元，当原单元的分组信息一致时标记为1，否则标记为0；
(3)内聚力单元生成：
1)对于每一个面单元对，生成第三个相同坐标的单元面作为考虑渗透的传递，同时更新单元坐标，即每一个单元组有三个面单元；
2)根据是否生成内聚力单元的标记，对新的节点系统进行循环，当不需要生成内聚力单元时，对节点编号进行合并；
3)根据渗流内聚力单元的形式把三个面单元组成为一个内聚力渗流单元，本算例共形成21368个渗流应力耦合内聚力单元，根据内聚力单元的编码形式，本例子采用ABAQUS中COH3D6H的形式存储(如图5)；
(4)新模型生成：
1)循环所有的单元和节点信息，对节点和单元进行重新排列和分组，保证节点编号的连续性；
2)将新生成的内聚力渗流单元、更新后的节点和单元信息写入模型文件，即可获得新的包含无厚度内聚力单元的模型，该模型有88165个实体单元和21368个渗流应力耦合内聚力单元。该算法生成时间仅需要186秒，与Nguyen,Vinh Phu等在“An open sourceprogram to generate zero-thickness cohesive interface elements”提出的类似算法提高了85％的计算效率。
需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种三维渗流应力耦合内聚力单元的快速生成方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)渗流应力耦合内聚力单元的结构；
(2)网格单元拆分；
(3)内聚力单元生成判断；
(4)内聚力单元生成；
(5)渗流应力耦合模型生成与计算。
2.根据权利要求1所述的一种三维渗流应力耦合内聚力单元的快速生成方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的渗流应力耦合内聚力单元的结构包括：
1.1)渗流应力耦合内聚力单元的拓扑结构，在生成时为0厚度，实际有三层12个节点组成，其中9、10、11、12节点用来描述裂隙的渗流特性；
1.2)在渗流应力耦合内聚力单元内部考虑立方定律建立平衡方程如公式(I)所示，其他力学计算部分与传统的内聚力单元一致；
Figure FDA0002770332300000011
其中w为裂隙宽度，μw为流体粘滞系数，ct，cb为裂隙上下面的滤失系数，pf为裂隙内部孔压pt，pb为裂隙上下面相邻固体区域的孔压，Q(t)为源项，δ(x，y)为狄拉克δ函数；裂隙的宽度通过下表面1、2、3、4和上表面5、6、7、8节点位移的差值得到：
ω＝X+-X- (II)。
3.根据权利要求1所述的一种三维渗流应力耦合内聚力单元的快速生成方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的网格单元拆分包括：
2.1)对原本连续的网格模型，按照每个单元上所有节点pi(xi，yi，zi)逐一编号的原则对所有节点重新一一排序，打破原有的连续性，形成新的节点序列ni(xi，yi，zi)；
2.2)将每一个单元Vj(nj1，nj2，nj3，nj4，nj5，nj6，nj7，nj8)视为多面体，对网格进行拆分，四面体网格拆分为四个三角形面单元Tj(nj1，nj2，nj3)，六面体网格拆分为六个四边形面单元Tj(nj1，nj2，nj3，nj4)，采用新的节点编号系统标记节点号，记录每一个面的中心坐标ci(xi，yi，zi)；
2.3)建立数据库或数组，记录每一个拆分面单元的节点号ni(xi，yi，zi)、中心坐标ci(xi，yi，zi)、所属原始单元Vj(nj1，nj2，nj3，nj4，nj5，nj6，nj7，nj8)信息。
4.根据权利要求1所述的一种三维渗流应力耦合内聚力单元的快速生成方法，其特征在于：步骤(3)中，所述的内聚力单元生成判断包括：
3.1)根据工程问题需要，选择生成渗流应力耦合内聚力单元的规则；
3.2)根据面单元的中点坐标ci(xi，yi，zi)信息，找出中点坐标相同的面单元，构建面单元对Dj(nj1，nj2，nj3)；
3.3)根据所处的原单元信息，根据生成规则判断是否需要生成内聚力单元，如果需要生成则标记为1，否则标记为0。
5.根据权利要求1所述的一种三维渗流应力耦合内聚力单元的快速生成方法，其特征在于：步骤(4)中，所述的内聚力单元生成包括：
4.1)对于每一个需要生成的面单元对，生成第三个相同坐标的单元面作为渗流面，实现液体渗透特性的传递，同时更新单元坐标，即每一个单元组有三个面单元，在渗流面单元内部的节点需要按照所在的位置重新编号，保证同一节点坐标的节点编号相同；
4.2)根据是否生成内聚力单元的标记，对新的节点系统进行循环，当不需要生成内聚力单元时，对节点编号进行合并；
4.3)根据渗流内聚力单元的形式把三个面单元组成为一个内聚力渗流单元Cj(Tj1，Tj2，Tj3)。
6.根据权利要求1所述的一种三维渗流应力耦合内聚力单元的快速生成方法，其特征在于：步骤(5)中，所述的渗流应力耦合模型生成与计算包括：
5.1)循环所有的单元和节点信息，对节点和单元进行重新排列和分组，保证节点编号的连续性；
5.2)将新生成的内聚力渗流单元、更新后的节点和单元信息写入有限元程序的模型文件中，获得新的包含无厚度内聚力单元的模型。
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