CN117272768A - 一种新型裂纹扩展模拟方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种新型裂纹扩展模拟方法及其装置，包括：生成多个紧密堆积的圆形单颗粒模型；生成多面体，同时对多面体之间的接触赋予黏结；对每个多面体赋予初始强度属性，进行多面体集合体破碎离散元数值模拟。本发明解决了传统裂纹扩展模拟方法中，裂纹只能沿接触界面扩展的问题，与传统裂纹扩展模拟方法相比，该方法在模拟裂纹扩展方向上不必受原有颗粒影响，裂纹扩展路径可以穿过颗粒内部，实现裂纹扩展方向的任意性，为进一步认识颗粒破碎的微观力学机制和可破碎颗粒材料的宏观力学行为提供了有效技术手段。

Description

一种新型裂纹扩展模拟方法和装置
技术领域
本发明涉及裂纹扩展模拟技术领域，特别涉及一种新型裂纹扩展模拟方法和装置。
背景技术
在矿产开采、隧道开挖、水利运输等岩体工程中，在外载作用下，岩石中裂纹容易起裂、扩展、贯通而导致断裂，从而引起工程安全隐患问题。因此，研究岩体中裂纹的扩展过程对岩体工程的安全评估、防灾减灾等具有重大的理论和实际意义。离散元由于其独特的优势，在模拟材料断裂方面应用广泛。现有基于离散元的断裂问题模拟中，大都以接触的断裂表征裂纹的扩展，即裂纹扩展只能沿着预定的接触方向，原有位置处颗粒会限制裂纹的扩展方向。因此，有必要建立新型裂纹扩展模拟方法。
发明内容
为了解决现有技术中存在的缺陷，本发明公开一种新型裂纹扩展模拟方法，其技术方案如下：
S1，生成多个紧密堆积的圆形单颗粒模型；
S2，生成多面体，同时对多面体之间的接触赋予黏结；
S3，对每个多面体赋予初始强度属性，进行多面体集合体破碎离散元数值模拟。
有益效果
(1)基于颗粒切割方式实现裂纹扩展路径的任意性，不再受原颗粒的限制。
(2)基于颗粒切割方式实现颗粒破碎，弥补了传统离散元方法中单个子颗粒不可破碎的问题，能更真实模拟岩石压缩过程中的断裂问题。
附图说明
图1为本发明的圆形颗粒图；
图2为本发明的多面体图；
图3为本发明的接触网络图；
图4为传统裂纹扩展方法和本发明裂纹扩展方法对比图；其中(a)为裂纹分布图；(b)为接触力链图；(c)为破碎区域图；
图5是本发明模拟方法流程图。
具体实施方式
一种新型裂纹扩展模拟方法，包括步骤：
S1，生成多个紧密堆积的圆形单颗粒。根据室内试验试样的颗粒粒度范围，生成与室内试验试样的颗粒粒度范围一致的多个紧密堆积的圆形单颗粒模型，如图1；
S2，生成多面体，同时对多面体之间的接触赋予黏结。基于所建立的紧密堆积的圆形单颗粒模型，将原来的每个圆形单颗粒转化为包围该单颗粒的多面体，最终所有颗粒完成转化，变为多面体集合体，如图2。相互接触的多面体之间存在接触，如图3，然后对接触赋予黏结。
S3，对每个多面体赋予初始强度属性，进行多面体集合体破碎离散元数值模拟。根据多面体的面积或体积大小，对多面体颗粒赋予与尺寸相关的初始强度。对模型进行加载，监测符合满足破碎条件的多面体，对其进行切割处理，同时对切割形成的子颗粒赋予与尺寸相关的初始强度，达到预设的计算终止条件时停止加载。
步骤S2中，在原有圆形颗粒位置生成胞元，圆形颗粒为胞元的内接圆，当所有的圆形颗粒均生成胞元后，删除圆形颗粒，对胞元间的接触赋值黏结参数。
步骤S3中，多面体集合体破碎离散元数值模拟包括步骤：
S10，对多面体颗粒赋予初始强度属性(σ0)i，粒径越大的颗粒强度越低，赋值公式如下：
σ0＝k0d-3/m (1)
式中：k0为常数。m为试样单颗粒的Weibull模数。d为颗粒的等效直径。
S11，对模型进行加载，同时通过软件内置算法获取每个多面体受到的主应力大小和方向，通过下式将计算出第i个多面体的最大拉应力：
(σt)i＝(σ1-2*σ3)/2 (2)
式中：σ1为第i个多面体的最大主应力，σ3为第i个多面体的最小主应力。
S12，对比每个多面体的最大拉应力(σt)i和初始强度属性(σ0)i，当(σt)i>(σ0)i时，将该颗粒指针存于数组map1中，同时将该颗粒的最大主应力方向存于数组map2中，直至将所有的多面体应力对比完成，此时有n个颗粒存于数组map1中，同时n个颗粒的最大主应力方向存于数组map2中。
S13，调用记录于数组map1中的颗粒指针，对颗粒进行破碎处理，本专利预设最大主应力方向为裂纹扩展方向，且裂纹扩展方向通过颗粒质心(其他裂纹扩展方向和扩展模式同样属于本专利保护范围)，裂纹扩展方向为同时从map2中调用的最大主应力方向，此时该颗粒沿着最大主应力方向分为两个子颗粒，对新形成的子颗粒通过式(1)赋予初始强度属性；颗粒沿最大主应力方向(裂纹扩展方向)破碎成为两个子颗粒，裂纹扩展不再固定沿着颗粒表面(即接触方向)，而是可以通过颗粒内部，不同颗粒的由于应力状态不一致而导致裂纹扩展方向是不一致，基于此实现了裂纹扩展的任意性，且最大主应力方向可根据实际需求修改为其他方向。传统裂纹扩展模拟方法中颗粒是不可破碎的，本专利中单个颗粒(最大拉应力(σt)i大于初始强度属性(σ0)i的颗粒)被分割为两个子颗粒而发生破碎，实现了基于颗粒切割的颗粒破碎模拟方法，这是传统裂纹扩展模拟方法中是没有考虑的。
S14，继续对map1中剩下的颗粒执行S13中的操作，直至map1中的所有颗粒分割完毕，同时对形成的子颗粒赋予新的强度属性。删除map1和map2中数据。
S15，继续加载，同时调用S11-S14，不断对满足条件的颗粒进行分割。当加载荷载为峰值荷载的70％时，停止加载。
本发明提供一种新型裂纹扩展模拟方法和系统，与现有技术相比，本发明的技术方案能实现如下有益的技术效果：
(1)在模拟裂纹扩展路径上不再受原颗粒的限制，可自由进行扩展。与现有的裂纹扩展方法相比，裂纹不再沿着固定的接触界面断裂，而可以穿过颗粒内部，大大的降低了裂纹扩展方向的限制性。
(2)试样中单个子颗粒也可破碎，弥补了传统离散元方法中单个子颗粒不可破碎的问题，能更真实模拟岩石压缩过程中的断裂问题。
实施例
本发明的提供了一种新型裂纹扩展模拟方法，具体的，所述方法包括：
步骤S1，生成圆形颗粒。
具体的，在离散元颗粒流PFC软件中先生成矩形的墙体，然后在矩形墙体内部生成圆形颗粒，然后迭代循环，直至不平衡应力比小于1e-5，让颗粒间的重叠充分弹开。如图1所示。
步骤S2，生成多面体。
具体的，以圆形颗粒型心为种子，将试样划分为Voronoi多面体(又称为泰森、冯洛诺伊或维诺多面体，是一种不规则的凸多面体)集合体，然后删除所有的球形颗粒。如图2所示，对Voronoi多面体之间赋予黏结力，Voronoi与墙体间赋予非黏结参数，如图3所示，保存初始模型。
步骤S3，对初始模型进行加载。
具体的，对模型中的每个Voronoi赋予一个初始强度，强度与多面体的等效直径相关，通过式(1)赋值。移动上下加载墙体，赋予上加载墙体向下的速度，赋予下加载墙体同等向上的速度。
通过软件内置命令每隔400步获取每个多面体内部的应力状态，通过式(2)计算每个多面体内部的最大拉应力，同时与该多面体的初始强度进行对比，当该多面体的最大拉应力大于其初始强度时，将该多面体的指针储存于数组map1中，同时将最大主应力方向储存于map2中，直至所有的多面体对比完毕。
依次同时调用map1中的指针和map2中的最大主应力方向，对指针对应的多面体进行分割，分割方向为最大主应力方向，且分割线通过该多面体质心，多面体沿着质心一分为二，此时，裂纹扩展方向不再沿着接触方向，而可以穿过单元内部，实现了裂纹方向的扩展的随意性，对于分割新形成的子颗粒，通过式(1)对其赋予新的初始强度。当map1中所有的指针均调用完毕后，删除map1和map2。此时所有满足最大拉应力大于其初始强度的多面体分割和新形成子颗粒的初始强度赋值完成。采用传统裂纹扩展方法和本发明模拟的裂纹分布图分别如图4a左和右所示，可见，传统裂纹扩展主要沿着斜向方向，本模拟方法未限制裂纹的扩展方向，扩展方式明显更具有任意性，即存在斜向也存在竖直方向。采用传统裂纹扩展方法和本文方法模拟的接触力链分布图分别如图4b左和右所示，传统裂纹扩展模拟中接触主要沿着斜向空缺，而本发明中主要沿着竖向空缺，符合岩石单轴压缩劈拉破坏的特点。采用传统裂纹扩展方法和本文方法模拟的破碎区域图分别如图4c左和右所示，传统裂纹扩展模拟中颗粒不发生破坏，本发明模拟方法中在裂纹集中区域存在颗粒破碎，实现了颗粒可破碎的裂纹扩展模拟。
继续加载，同时每隔400步获取每个多面体内部的应力状态，对最大拉应力大于其初始强度的多面体继续分割和新形成子颗粒赋予初始强度操作。当最终峰后应力为峰值荷载的70％时，停止加载。
本发明方法解决了传统裂纹扩展模拟方法中，裂纹只能沿接触界面扩展的问题，与传统裂纹扩展模拟方法相比，该方法在模拟裂纹扩展方向上不必受原有颗粒影响，裂纹扩展路径可以穿过颗粒内部，实现裂纹扩展方向的任意性，为进一步认识颗粒破碎的微观力学机制和可破碎颗粒材料的宏观力学行为提供了有效技术手段。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

1.一种新型裂纹扩展模拟方法，其特征为：
S1，生成多个紧密堆积的圆形单颗粒模型；
S2，生成多面体，同时对多面体之间的接触赋予黏结；
S3，对每个多面体赋予初始强度属性，进行多面体集合体破碎离散元数值模拟。
2.根据权利要求1所述的新型裂纹扩展模拟方法，其特征为：根据室内试验试样的颗粒粒度范围，生成与室内试验试样的颗粒粒度范围一致的多个紧密堆积的圆形单颗粒模型。
3.根据权利要求2所述的新型裂纹扩展模拟方法，其特征为：基于所建立的紧密堆积的圆形单颗粒模型，将原来的每个圆形单颗粒转化为包围该单颗粒的多面体，对最终转化的所有多面体间的接触赋予黏结。
4.根据权利要求3所述的新型裂纹扩展模拟方法，其特征为：根据多面体的面积或体积大小，对多面体颗粒赋予与尺寸相关的初始强度。对模型进行加载，监测符合满足破碎条件的多面体，对其进行切割处理，同时对切割形成的子颗粒赋予与尺寸相关的初始强度，达到预设的计算终止条件时停止加载。
5.根据权利要求3所述的新型裂纹扩展模拟方法，其特征为：
步骤S2中，在原有圆形颗粒位置生成胞元，圆形颗粒为胞元的内接圆，当所有的圆形颗粒均生成胞元后，删除圆形颗粒，对胞元间的接触赋值黏结参数。
6.根据权利要求4所述的新型裂纹扩展模拟方法，其特征为：
步骤S3中，多面体集合体破碎离散元数值模拟包括步骤：
S10，对多面体颗粒赋予初始强度属性σ0，粒径越大的颗粒强度越低，赋值公式如下：
σ0＝k0d-3/m (1)
式中：k0为常数，m为试样单颗粒的Weibull模数，d为颗粒的等效直径。
S11，对模型进行加载，同时通过软件内置算法获取每个多面体受到的主应力大小和方向，通过下式将计算出第i个多面体的最大拉应力σt：
(σt)i＝(σ1-2*σ3)/2 (2)
式中：σ1为第i个多面体的最大主应力，σ3为第i个多面体的最小主应力；
S12，对比第i个多面体的最大拉应力(σt)i和初始强度属性(σ0)i，当(σt)i>(σ0)i时，将该多面体颗粒指针存于数组map1中，同时将该颗粒的最大主应力方向存于数组map2中，直至将所有的多面体应力对比完成，此时有n个颗粒存于数组map1中，同时n个颗粒的最大主应力方向存于数组map2中；
S13，调用记录于数组map1中的颗粒指针，对颗粒进行切割处理，预设最大主应力方向为裂纹扩展方向，且裂纹扩展方向通过颗粒质心，裂纹扩展方向为同时从map2中调用的最大主应力方向，此时该颗粒沿着最大主应力方向分为两个子颗粒，对新形成的子颗粒通过式(1)赋予初始强度属性；
S14，继续对map1中剩下的颗粒执行S13中的操作，直至map1中的所有颗粒分割完毕，同时对形成的子颗粒赋予新的强度属性；删除map1和map2中数据；
S15，继续加载，同时调用S11-S14，不断对满足条件的颗粒进行分割；当加载荷载为峰值荷载的70％时，停止加载。
7.根据权利要求6所述的新型裂纹扩展模拟方法，其特征为：所述S13步骤进一步包括如下内容：颗粒沿最大主应力方向破碎成为两个子颗粒，裂纹扩展不再固定沿着颗粒表面，而是通过颗粒内部，不同颗粒的由于应力状态不一致而导致裂纹扩展方向是不一致的，基于此实现了裂纹扩展的任意性，且最大主应力方向可根据实际需求修改为其他方向。
8.一种非易失性存储介质，其特征在于，所述非易失性存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时控制非易失性存储介质所在的设备执行权利要求1至7中任意一项所述的方法。
9.一种新型裂纹扩展模拟电子装置，其特征在于，包含处理器和存储器；所述存储器中存储有计算机可读指令，所述处理器用于运行所述计算机可读指令，其中，所述计算机可读指令运行时执行权利要求1至7中任意一项所述的方法。
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