CN117610395B - 结晶岩压缩硬化记忆效应表征方法、装置、设备及介质 - Google Patents

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Abstract

本发明属于岩土材料分析技术领域，具体涉及一种结晶岩压缩硬化记忆效应表征方法、装置、设备及介质。本发明方法，在结晶岩数值模型中，基于试验应力应变关系曲线对压缩硬化记忆模型的参数进行标定；根据标定后的参数，确定标定压缩硬化记忆模型；利用所述标定压缩硬化记忆模型对结晶岩压缩硬化记忆效应进行表征，能够从颗粒尺度精确表征出结晶岩压缩硬化记忆效应所导致的回滞变形等基本特性。

Description

结晶岩压缩硬化记忆效应表征方法、装置、设备及介质
技术领域
本发明属于岩土材料分析技术领域，具体涉及一种结晶岩压缩硬化记忆效应表征方法、装置、设备及介质。
背景技术
结晶岩是自然界中具有一定结构和构造的矿物集合体，含有多种几何结构形态和物理力学性质各异的矿物，同时其内部发育有大量的孔隙、缺陷、微裂纹等，呈现典型的异质性，显著影响岩石的多尺度力学行为，从而影响岩体的宏观变形和破坏。由于岩石经常遭受循环加载（压缩）和卸载扰动，因此导致微裂纹和塑性应变逐渐积累，整体强度下降。随着载荷的增加，岩石的压缩刚度会不可逆地增强，这归因于岩石对外部扰动的压缩硬化记忆效应。当岩石卸载至0载荷时，会留下塑性变形以及残余应力，储存一定的应变能，这会显著影响岩石的后续力学行为。采用数值模拟方法能够研究颗粒尺度特性对结晶岩石力学行为的影响，数值模拟方法通常引入粘结颗粒模型GBM(Grain-Based Model)。
现有的粘结颗粒模型GBM采用线弹性模型LEM（Linear Elastic Model），仅适用于具有线性应力-应变曲线关系的新鲜或轻微风化的结晶岩，无法表征结晶岩的压缩硬化记忆效应所导致的回滞变形等基本特性，从而无法从颗粒尺度阐明压缩硬化记忆效应对结晶岩后续力学行为的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结晶岩压缩硬化记忆效应表征方法、装置、设备及介质，以解决现有技术中，采用线弹性模型无法表征结晶岩的压缩硬化记忆效应所导致的回滞变形等基本特性的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明第一方面，提供了一种结晶岩压缩硬化记忆效应表征方法，包括如下步骤：
获取结晶岩的试验应力应变关系曲线；
获取预先构建的结晶岩样品的结晶岩数值模型；
获取预先构建的压缩硬化记忆模型，并确定所述压缩硬化记忆模型的参数；
在所述结晶岩数值模型中，基于试验应力应变关系曲线对所述压缩硬化记忆模型的参数进行标定；根据标定后的参数，确定标定压缩硬化记忆模型；
利用所述标定压缩硬化记忆模型对结晶岩压缩硬化记忆效应进行表征。
进一步的，获取结晶岩的试验应力应变关系曲线的步骤中，所述试验应力应变关系曲线按照如下方式确定：
利用预先制备的结晶岩样品进行循环压缩试验；
根据循环压缩试验得到的数据，确定结晶岩的试验应力应变关系曲线。
进一步的，获取预先构建的结晶岩样品的结晶岩数值模型，包括：
获取结晶岩样品的尺寸、矿物成分和粒度分布数据，根据结晶岩样品的尺寸、矿物成分和粒度分布数据构建得到二维合成结晶岩样品，作为结晶岩数值模型；其中，为所述二维合成结晶岩样品分别设置第一监测点和第二监测点，第一监测点用于监测二维合成结晶岩样品轴向的压应力和轴向位移；第二监测点用于监测二维合成结晶岩样品的横向位移。
进一步的，获取预先构建的压缩硬化记忆模型，并确定所述压缩硬化记忆模型的参数的步骤中，所述压缩硬化记忆模型包括：
1）表征结晶岩内部的颗粒接触在压缩下发生的非线性硬化变形，以及卸载时的记忆效应，按照如下表示：
当初次加载时，结晶岩内部颗粒接触的压应力、颗粒接触点的压缩刚度均随着闭合量的增加而非线性增加：
其中，表示随闭合量增加而非线性增加的压应力，单位为MPa；unmax表示颗粒接触的最大允许闭合量，单位为m；kn表示颗粒接触的初始压缩刚度，单位为MPa/m；/>表示颗粒接触当前的闭合量，单位为m；Kn表示随闭合量增加而非线性增加的抗压刚度，单位为MPa/m；
当初次卸载时，结晶岩内部颗粒接触的压应力随着闭合量的减小而线性减小：
其中，表示随着闭合量的减小而线性减小的压应力，单位为MPa；/>表示在应力应变关系曲线的m点处开始卸载时，应力应变关系曲线的斜率，/>的大小等于加载到m点处时颗粒接触的历史最大压缩刚度，单位为MPa/m；/>表示应力应变关系曲线m点处的颗粒接触的闭合量，单位为m；/>表示应力应变关系曲线m点处的颗粒接触的压应力，单位为MPa；
从第二次加载开始：加载时，一开始压应力小于加载历史中经受的最大压应力，则压应力随着闭合量的增加而线性增加，应力应变关系曲线的斜率等于历史最大压缩刚度；当压应力超过加载历史中经受的最大压应力时，结晶岩内部颗粒接触的压应力、颗粒接触点的压缩刚度均随着闭合量的增加而非线性增加；卸载时，结晶岩内部颗粒接触的压应力随着闭合量的减小而线性减小，应力应变关系曲线的斜率等于开始卸载时的历史最大压缩刚度；
2）表征颗粒接触在拉伸下发生的线性变形，如下：
其中，σt表示颗粒接触的拉伸应力，单位为MPa；kt表示颗粒接触的拉伸刚度，单位为MPa/m；ut表示颗粒接触的拉伸位移，单位为m；J t表示颗粒接触的拉伸强度，单位为MPa；
3）表征颗粒接触在剪切下发生的线性变形，如下：
其中，表示颗粒接触的压应力，单位为MPa，在不同的加载、卸载阶段，/>的值对应/>或者/>；τ表示颗粒接触的剪切应力，单位为MPa；us表示颗粒接触的剪切位移，单位为m；ks表示颗粒接触的剪切刚度，单位为MPa/m；J c表示颗粒接触的内聚力，单位为MPa；J φ表示颗粒接触的摩擦角，单位是度。
进一步的，基于试验应力应变关系曲线对所述压缩硬化记忆模型的参数进行标定的步骤中，所述压缩硬化记忆模型需要标定的参数包括变形参数和强度参数；其中，变形参数包括：颗粒接触的初始压缩刚度kn、颗粒接触的最大允许闭合量unmax、颗粒接触的拉伸刚度kt、颗粒接触的剪切刚度ks；参数强度参数包括：颗粒接触的拉伸强度J t、颗粒接触的内聚力J c、颗粒接触的摩擦角J φ。
本发明第二方面，提供了一种结晶岩压缩硬化记忆效应表征装置，包括：
第一获取模块，用于获取结晶岩的试验应力应变关系曲线；
第二获取模块，用于获取预先构建的结晶岩样品的结晶岩数值模型；
第三获取模块，用于获取预先构建的压缩硬化记忆模型，并确定所述压缩硬化记忆模型的参数；
参数标定模块，用于在所述结晶岩数值模型中，基于试验应力应变关系曲线对所述压缩硬化记忆模型的参数进行标定；根据标定后的参数，确定标定压缩硬化记忆模型；
表征模块，用于利用所述标定压缩硬化记忆模型对结晶岩压缩硬化记忆效应进行表征。
进一步的，第二获取模块，具体用于：
获取结晶岩样品的尺寸、矿物成分和粒度分布数据，根据结晶岩样品的尺寸、矿物成分和粒度分布数据构建得到二维合成结晶岩样品，作为结晶岩数值模型；其中，为所述二维合成结晶岩样品分别设置第一监测点和第二监测点，第一监测点用于监测二维合成结晶岩样品轴向的压应力和轴向位移；第二监测点用于监测二维合成结晶岩样品的横向位移。
进一步的，第三获取模块中，所述压缩硬化记忆模型包括：
1）表征结晶岩内部的颗粒接触在压缩下发生的非线性硬化变形，以及卸载时的记忆效应，按照如下表示：
当初次加载时，结晶岩内部颗粒接触的压应力、颗粒接触点的压缩刚度均随着闭合量的增加而非线性增加：
其中，表示随闭合量增加而非线性增加的压应力，单位为MPa；unmax表示颗粒接触的最大允许闭合量，单位为m；kn表示颗粒接触的初始压缩刚度，单位为MPa/m；/>表示颗粒接触当前的闭合量，单位为m；Kn表示随闭合量增加而非线性增加的抗压刚度，单位为MPa/m；
当初次卸载时，结晶岩内部颗粒接触的压应力随着闭合量的减小而线性减小：
其中，表示随着闭合量的减小而线性减小的压应力，单位为MPa；/>表示在应力应变关系曲线的m点处开始卸载时，应力应变关系曲线的斜率，/>的大小等于加载到m点处时颗粒接触的历史最大压缩刚度，单位为MPa/m；/>表示应力应变关系曲线m点处的颗粒接触的闭合量，单位为m；/>表示应力应变关系曲线m点处的颗粒接触的压应力，单位为MPa；
从第二次加载开始：加载时，一开始压应力小于加载历史中经受的最大压应力，则压应力随着闭合量的增加而线性增加，应力应变关系曲线的斜率等于历史最大压缩刚度；当压应力超过加载历史中经受的最大压应力时，结晶岩内部颗粒接触的压应力、颗粒接触点的压缩刚度均随着闭合量的增加而非线性增加；卸载时，结晶岩内部颗粒接触的压应力随着闭合量的减小而线性减小，应力应变关系曲线的斜率等于开始卸载时的历史最大压缩刚度；
2）表征颗粒接触在拉伸下发生的线性变形，如下：
其中，σt表示颗粒接触的拉伸应力，单位为MPa；kt表示颗粒接触的拉伸刚度，单位为MPa/m；ut表示颗粒接触的拉伸位移，单位为m；J t表示颗粒接触的拉伸强度，单位为MPa；
3）表征颗粒接触在剪切下发生的线性变形，如下：
其中，表示颗粒接触的压应力，单位为MPa，在不同的加载、卸载阶段，/>的值对应/>或者/>；τ表示颗粒接触的剪切应力，单位为MPa；us表示颗粒接触的剪切位移，单位为m；ks表示颗粒接触的剪切刚度，单位为MPa/m；J c表示颗粒接触的内聚力，单位为MPa；J φ表示颗粒接触的摩擦角，单位是度。
本发明第三方面，提供了一种电子设备，包括处理器和存储器，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机程序以实现如上述的结晶岩压缩硬化记忆效应表征方法。
本发明第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有至少一个指令，所述至少一个指令被处理器执行时实现如上述的结晶岩压缩硬化记忆效应表征方法。
与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：
本发明提供的结晶岩压缩硬化记忆效应表征方法，在结晶岩数值模型中，基于试验应力应变关系曲线对压缩硬化记忆模型的参数进行标定；根据标定后的参数，确定标定压缩硬化记忆模型；利用所述标定压缩硬化记忆模型对结晶岩压缩硬化记忆效应进行表征，能够表征出结晶岩压缩硬化记忆效应所导致的回滞变形等基本特性。本发明提供的一种结晶岩压缩硬化记忆效应表征装置、电子设备和计算机可读存储介质同样解决了背景技术部分提出的问题。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例一种结晶岩压缩硬化记忆效应表征方法的流程图；
图2为本发明实施例中开发的压缩硬化记忆模型示意图；
图3为本发明实施例中压缩硬化记忆模型的参数校准流程示意图；
图4为本发明实施例中结晶岩（以花岗岩为例）循环压缩的试验应力应变关系曲线，与分别使用LEM（现有技术的线弹性模型）和CHMM（Compression Hardening MemoryModel，本发明提供的压缩硬化记忆模型）模拟的结果对比示意图；
图5为本发明实施例一种结晶岩压缩硬化记忆效应表征装置的结构框图；
图6为本发明实施例一种电子设备的结构框图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
实施例1
本发明实施例提供了一种结晶岩压缩硬化记忆效应表征方法，具体包括如下步骤：
S1、获取结晶岩的试验应力应变关系曲线；
S2、获取预先构建的结晶岩样品的结晶岩数值模型；
S3、获取预先构建的压缩硬化记忆模型，并确定所述压缩硬化记忆模型的参数；
S4、在所述结晶岩数值模型中，基于试验应力应变关系曲线对所述压缩硬化记忆模型的参数进行标定；根据标定后的参数，确定标定压缩硬化记忆模型；
S5、利用所述标定压缩硬化记忆模型对结晶岩压缩硬化记忆效应进行表征。
上述方案提供的结晶岩压缩硬化记忆效应表征方法，基于试验应力应变关系曲线，在结晶岩数值模型中对压缩硬化记忆模型的参数进行标定，利用得到的标定压缩硬化记忆模型，能够表征出结晶岩压缩硬化记忆效应所导致的回滞变形等基本特性。
如图1所示，一种结晶岩压缩硬化记忆效应表征方法，包括如下步骤：
S10、获取结晶岩的试验应力应变关系曲线。
具体的，结晶岩的试验应力应变关系曲线可以按照如下方式确定：
利用预先制备的结晶岩样品进行循环压缩试验；根据循环压缩试验得到的数据，确定结晶岩的试验应力应变关系曲线。
需要说明的是，结晶岩的试验应力应变关系曲线可以表示结晶岩在受到外部加载作用时的变形行为和强度特征。
S20、获取预先构建的结晶岩样品的结晶岩数值模型。
具体的，步骤S20中，结晶岩样品的结晶岩数值模型可以按照如下方式构建得到：
获取结晶岩样品的尺寸、矿物成分和粒度分布数据，根据结晶岩样品的尺寸、矿物成分和粒度分布数据构建得到二维合成结晶岩样品，作为结晶岩数值模型；其中，为所述二维合成结晶岩样品分别设置第一监测点和第二监测点，第一监测点用于监测二维合成结晶岩样品轴向的压应力和轴向位移；第二监测点用于监测二维合成结晶岩样品的横向位移。
作为一种具体示例，本方案可以基于结晶岩样品的尺寸、矿物成分和粒度分布数据，采用通用离散单元法程序UDEC（Universal Distinct Element Code）的Voronoi镶嵌技术构建二维合成结晶岩样品。并且，在二维合成结晶岩样品的顶部加载板和底部加载板分别设置第一监测点，用来监测二维合成结晶岩样品在轴向的压应力和轴向位移；在二维合成结晶岩样品的左右两侧加载板分别设置第二监测点，用来监测二维合成结晶岩样品的横向位移。需要说明的是，加载板可以用来向二维合成结晶岩样品施加压应力。
S30、获取预先构建的压缩硬化记忆模型，并确定所述压缩硬化记忆模型的参数。
压缩硬化记忆模型包括以下接触本构方程，本方案通过以下接触本构方程，来表征结晶岩样品内部的颗粒接触在压缩下发生的非线性硬化变形，以及颗粒接触在拉伸、剪切下发生的线性变形。
具体的：
（1）表征结晶岩内部的颗粒接触在压缩下发生的非线性硬化变形，以及卸载时的记忆效应，具体按照如下表示：
当初次加载时，结晶岩内部颗粒接触的压应力、颗粒接触点的压缩刚度均随着闭合量的增加而非线性增加，如公式（1）和公式（2）所示：
（1）
（2）
其中，表示随闭合量增加而非线性增加的压应力，单位为MPa；
unmax表示颗粒接触的最大允许闭合量，单位为m；
kn表示颗粒接触的初始压缩刚度，单位为MPa/m；
表示颗粒接触当前的闭合量，单位为m；
Kn表示随闭合量增加而非线性增加的抗压刚度，单位为MPa/m。
当初次卸载时，结晶岩内部颗粒接触的压应力随着闭合量的减小而线性减小，如公式（3）所示：
（3）
其中，表示随着闭合量的减小而线性减小的压应力，单位为MPa；
表示在应力应变关系曲线的m点处开始卸载时，应力应变关系曲线的斜率，/>的大小等于加载到m点处时颗粒接触的历史最大压缩刚度，单位为MPa/m；
表示应力应变关系曲线m点处的颗粒接触的闭合量，单位为m；
表示应力应变关系曲线m点处的颗粒接触的压应力，单位为MPa。
从第二次加载开始：
加载时，一开始压应力小于加载历史中经受的最大压应力，则压应力随着闭合量的增加而线性增加，应力应变关系曲线的斜率等于历史最大压缩刚度，压应力与闭合量的关系可以用公式（3）进行表示；当压应力超过加载历史中经受的最大压应力时，结晶岩内部颗粒接触的压应力、颗粒接触点的压缩刚度均随着闭合量的增加而非线性增加，可以用公式（1）和（2）进行表示；
卸载时，结晶岩内部颗粒接触的压应力随着闭合量的减小而线性减小，应力应变关系曲线的斜率等于开始卸载时的历史最大压缩刚度，可以用公式（3）进行表示。
上述内容体现了结晶岩内部的颗粒接触在压缩下发生的非线性硬化变形，以及卸载时的记忆效应。
（2）表征颗粒接触在拉伸下发生的线性变形，如下：
（4）
其中，σt表示颗粒接触的拉伸应力，单位为MPa；
kt表示颗粒接触的拉伸刚度，单位为MPa/m；
ut表示颗粒接触的拉伸位移，单位为m；
J t表示颗粒接触的拉伸强度，单位为MPa。
（3）表征颗粒接触在剪切下发生的线性变形，如下：
（5）
其中，表示颗粒接触的压应力，单位为MPa，在不同的加载、卸载阶段，/>的值对应/>或者/>；例如，在初次加载时/>的值对应/>，在初次卸载时/>的值对应/>；
τ表示颗粒接触的剪切应力，单位为MPa；
us表示颗粒接触的剪切位移，单位为m；
ks表示颗粒接触的剪切刚度，单位为MPa/m；
J c表示颗粒接触的内聚力，单位为MPa；
J φ表示颗粒接触的摩擦角，单位是度。
根据上述接触本构方程，压缩硬化记忆模型需要标定的参数包括变形参数和强度参数；其中，变形参数包括：颗粒接触的初始压缩刚度kn、颗粒接触的最大允许闭合量unmax、颗粒接触的拉伸刚度kt、颗粒接触的剪切刚度ks。参数强度参数包括：颗粒接触的拉伸强度J t、颗粒接触的内聚力J c、颗粒接触的摩擦角J φ。
作为示例，可以基于UDEC（Itasca，2004）用户定义模型的接口，开发满足上述接触本构方程的压缩硬化记忆模型CHMM（Compression Hardening Memory Model），并编译可以被UDEC调用的C++动态链接库。所开发的压缩硬化记忆模型如图2所示，从图2中能够看出结晶岩在受到循环载荷后的力学行为，如结晶岩在经受压缩、剪切、拉伸时颗粒接触的变形和破坏。
S40、在所述结晶岩数值模型中，基于试验应力应变关系曲线对所述压缩硬化记忆模型的参数进行标定；根据标定后的参数，确定标定压缩硬化记忆模型。
具体的，根据上述方案可以确定，压缩硬化记忆模型需要标定的参数包括：颗粒接触的最大允许闭合量unmax、颗粒接触的初始压缩刚度kn、颗粒接触的拉伸刚度kt、颗粒接触的剪切刚度ks、颗粒接触的拉伸强度J t、颗粒接触的内聚力J c以及颗粒接触的摩擦角J φ。
如图3所示，基于试验应力应变关系曲线对所述压缩硬化记忆模型的参数进行标定，包括如下步骤：
（1）标定变形参数。
给定颗粒接触的变形参数的初始值，将变形参数的初始值输入结晶岩数值模型，使用UDEC运行得到第一模拟应力应变关系曲线，判断第一模拟应力应变关系曲线的变形趋势（即曲线弯折程度）与试验应力应变关系曲线的变形趋势是否一致，若一致，则进行强度参数调整的步骤，若不一致，则对变形参数进行调整；将调整后的变形参数输入结晶岩数值模型，再次将第一模拟应力应变关系曲线与试验应力应变关系曲线进行对比，判断第一模拟应力应变关系曲线的变形趋势与试验应力应变关系曲线的变形趋势是否一致，若一致，则进行强度参数调整的步骤，若不一致，则继续调整颗粒接触的变形参数，直到第一模拟应力应变关系曲线的变形趋势与试验应力应变关系曲线的变形趋势一致。
具体的，本方案可根据过往经验以及文献资料大概确定一组较为合理的变形参数的初始值，方便较快完成调试。
当对变形参数进行调整时，可以参照如下调整规则：
若第一模拟应力应变关系曲线的变形趋势相较于试验应力应变关系曲线的变形趋势偏大，则将第一模拟应力应变关系曲线的变形趋势向变小方向调整；若第一模拟应力应变关系曲线的变形趋势相较于试验应力应变关系曲线的变形趋势偏小，则将第一模拟应力应变关系曲线的变形趋势向变大方向调整。例如，对于变形参数，若第一模拟应力应变关系曲线的变形趋势相较于试验应力应变关系曲线的变形趋势偏大，则可以调小kn、增大unmax。若第一模拟应力应变关系曲线的变形趋势相较于试验应力应变关系曲线的变形趋势偏小，则可以增大kn、调小unmax。
本方案中，判断第一模拟应力应变关系曲线的变形趋势与试验应力应变关系曲线的变形趋势是否一致，标准为：第一模拟应力应变关系曲线与试验应力应变关系曲线的变形趋势偏离程度在5%以内，判定两条曲线变形趋势一致。
本方案中，变形参数包括：颗粒接触的初始压缩刚度kn、 颗粒接触的最大允许闭合量unmax、颗粒接触的拉伸刚度kt、颗粒接触的剪切刚度ks。
（2）标定强度参数。
给定颗粒接触的强度参数的初始值，将强度参数的初始值输入结晶岩数值模型，使用UDEC运行得到第二模拟应力应变关系曲线，判断第二模拟应力应变关系曲线的强度大小（即曲线峰值）与试验应力应变关系曲线的强度大小是否一致，若一致，则完成标定，若不一致，则对强度参数进行调整，将调整后的强度参数输入结晶岩数值模型；再次将第二模拟应力应变关系曲线与试验应力应变关系曲线进行对比，判断第二模拟应力应变关系曲线的强度大小是否与验应力应变关系曲线的强度大小一致，若一致，则完成标定，若不一致，则继续调整颗粒接触的强度参数，直到第二模拟应力应变关系曲线的强度大小与试验应力应变关系曲线的强度大小一致。
具体的，本方案可根据实际经验及文献资料确定一组较为合理的强度参数的初始值，以便较快完成调试。
当对强度参数进行调整时，可以参照如下调整规则：
若第二模拟应力应变关系曲线的强度大小相较于试验应力应变关系曲线的强度大小偏大，则将第二模拟应力应变关系曲线的强度大小向变小方向调整；若第二模拟应力应变关系曲线的强度大小相较于试验应力应变关系曲线的强度大小偏小，则将第二模拟应力应变关系曲线的强度大小向变大方向调整。例如，对于强度参数，若第二模拟应力应变关系曲线的强度大小相较于试验应力应变关系曲线的强度大小偏大，则可以调小J t与J c；若第二模拟应力应变关系曲线的强度大小相较于试验应力应变关系曲线的强度大小偏小，则可以增大J t与J c。
本方案中，判断第二模拟应力应变关系曲线的强度大小与试验应力应变关系曲线的强度大小是否一致，标准为：第二模拟应力应变关系曲线与试验应力应变关系曲线的强度大小偏离程度在5%以内，判定两条曲线强度大小一致。
本方案中，参数强度参数包括：颗粒接触的拉伸强度J t、颗粒接触的内聚力J c、颗粒接触的摩擦角J φ。
根据上述方案得到标定后的变形参数和强度参数，并将标定后的变形参数和强度参数分别分配到对应的接触本构方程中，得到标定压缩硬化记忆模型。
S50、利用所述标定压缩硬化记忆模型对结晶岩压缩硬化记忆效应进行表征。
上述方案得到了标定压缩硬化记忆模型，其中的接触本构方程能够表征出结晶岩压缩硬化记忆效应所导致的回滞变形等基本特性，来精确表征压缩硬化记忆效应对结晶岩力学行为的影响。
例如，可以基于标定压缩硬化记忆模型，在UDEC中，通过内置Fish语言监测得到结晶岩的应力-应变曲线、应力分布特征、渐进破坏特征等结果。
一个具体示例，利用本方案的标定压缩硬化记忆模型对结晶岩压缩硬化记忆效应进行表征后，分析得出由于压缩硬化记忆效应的作用，结晶岩可以保留一部分应变能（内应力）并产生拉应力区，从而产生卸载沿晶微裂纹和穿晶破坏区，从颗粒尺度精确刻画出其对结晶岩后续力学行为造成的影响。
本发明通过开发满足颗粒接触在循环压缩下发生非线性硬化变形的接触本构方程，能够精确表征出结晶岩压缩硬化记忆效应所导致的回滞变形等基本特性。如图4所示，经过三次循环加卸载；第一次加载从0MPa增加到120MPa，而后从120MPa卸载至0MPa；第二次加载从0MPa增加到160MPa，而后从160MPa卸载至0MPa；第三次加载从0MPa增加到峰值直至结晶岩结构破坏。可以看出，采用本发明方法进行模拟得到的应力应变曲线与试验应力应变曲线基本重合。这表示，相比于传统的LEM，本发明中CHMM模型模拟出的结果与真实试验结果更加吻合，说明本发明具有精确表征出结晶岩的压缩硬化记忆效应的优点。
实施例2
如图5所示，基于与上述实施例的同一发明构思，本发明还提供了一种结晶岩压缩硬化记忆效应表征装置，包括：
第一获取模块，用于获取结晶岩的试验应力应变关系曲线；
第二获取模块，用于获取预先构建的结晶岩样品的结晶岩数值模型；
第三获取模块，用于获取预先构建的压缩硬化记忆模型，并确定所述压缩硬化记忆模型的参数；
参数标定模块，用于在所述结晶岩数值模型中，基于试验应力应变关系曲线对所述压缩硬化记忆模型的参数进行标定；根据标定后的参数，确定标定压缩硬化记忆模型；
表征模块，用于利用所述标定压缩硬化记忆模型对结晶岩压缩硬化记忆效应进行表征。
进一步的，第二获取模块，具体用于：
获取结晶岩样品的尺寸、矿物成分和粒度分布数据，根据结晶岩样品的尺寸、矿物成分和粒度分布数据构建得到二维合成结晶岩样品，作为结晶岩数值模型；其中，为所述二维合成结晶岩样品分别设置第一监测点和第二监测点，第一监测点用于监测二维合成结晶岩样品轴向的压应力和轴向位移；第二监测点用于监测二维合成结晶岩样品的横向位移。
进一步的，第三获取模块中，所述压缩硬化记忆模型包括：
1）表征结晶岩内部的颗粒接触在压缩下发生的非线性硬化变形，以及卸载时的记忆效应，按照如下表示：
当初次加载时，结晶岩内部颗粒接触的压应力、颗粒接触点的压缩刚度均随着闭合量的增加而非线性增加：
其中，表示随闭合量增加而非线性增加的压应力，单位为MPa；
unmax表示颗粒接触的最大允许闭合量，单位为m；
kn表示颗粒接触的初始压缩刚度，单位为MPa/m；
表示颗粒接触当前的闭合量，单位为m；
Kn表示随闭合量增加而非线性增加的抗压刚度，单位为MPa/m。
当初次卸载时，结晶岩内部颗粒接触的压应力随着闭合量的减小而线性减小：
其中，表示随着闭合量的减小而线性减小的压应力，单位为MPa；
表示在应力应变关系曲线的m点处开始卸载时，应力应变关系曲线的斜率，/>的大小等于加载到m点处时颗粒接触的历史最大压缩刚度，单位为MPa/m；
表示应力应变关系曲线m点处的颗粒接触的闭合量，单位为m；
表示应力应变关系曲线m点处的颗粒接触的压应力，单位为MPa。
从第二次加载开始：加载时，一开始压应力小于加载历史中经受的最大压应力，则压应力随着闭合量的增加而线性增加，应力应变关系曲线的斜率等于历史最大压缩刚度；当压应力超过加载历史中经受的最大压应力时，结晶岩内部颗粒接触的压应力、颗粒接触点的压缩刚度均随着闭合量的增加而非线性增加；卸载时，结晶岩内部颗粒接触的压应力随着闭合量的减小而线性减小，应力应变关系曲线的斜率等于开始卸载时的历史最大压缩刚度；
2）表征颗粒接触在拉伸下发生的线性变形，如下：
其中，σt表示颗粒接触的拉伸应力，单位为MPa；
kt表示颗粒接触的拉伸刚度，单位为MPa/m；
ut表示颗粒接触的拉伸位移，单位为m；
J t表示颗粒接触的拉伸强度，单位为MPa。
3）表征颗粒接触在剪切下发生的线性变形，如下：
其中，表示颗粒接触的压应力，单位为MPa，在不同的加载、卸载阶段，/>的值对应/>或者/>；
τ表示颗粒接触的剪切应力，单位为MPa；
us表示颗粒接触的剪切位移，单位为m；
ks表示颗粒接触的剪切刚度，单位为MPa/m；
J c表示颗粒接触的内聚力，单位为MPa；
J φ表示颗粒接触的摩擦角，单位是度。
实施例3
如图6所示，本发明还提供一种用于实现上述实施例一种结晶岩压缩硬化记忆效应表征方法的电子设备100；电子设备100包括存储器101、至少一个处理器102、存储在存储器101中并可在至少一个处理器102上运行的计算机程序103及至少一条通讯总线104。
存储器101可用于存储计算机程序103，处理器102通过运行或执行存储在存储器101内的计算机程序，以及调用存储在存储器101内的数据，实现实施例1一种结晶岩压缩硬化记忆效应表征方法步骤。
存储器101可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据电子设备100的使用所创建的数据(比如音频数据)等。此外，存储器101可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。
至少一个处理器102可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）、专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）、现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。处理器102可以是微处理器或者该处理器102也可以是任何常规的处理器等，处理器102是电子设备100的控制中心，利用各种接口和线路连接整个电子设备100的各个部分。
电子设备100中的存储器101存储多个指令以实现一种结晶岩压缩硬化记忆效应表征方法，处理器102可执行多个指令从而实现：
获取结晶岩的试验应力应变关系曲线；
获取预先构建的结晶岩样品的结晶岩数值模型；
获取预先构建的压缩硬化记忆模型，并确定所述压缩硬化记忆模型的参数；
在所述结晶岩数值模型中，基于试验应力应变关系曲线对所述压缩硬化记忆模型的参数进行标定；根据标定后的参数，确定标定压缩硬化记忆模型；
利用所述标定压缩硬化记忆模型对结晶岩压缩硬化记忆效应进行表征。
实施例4
电子设备100集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器及只读存储器(ROM，Read-Only Memory)。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种结晶岩压缩硬化记忆效应表征方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取结晶岩的试验应力应变关系曲线；
获取预先构建的结晶岩样品的结晶岩数值模型；
获取预先构建的压缩硬化记忆模型，并确定所述压缩硬化记忆模型的参数；
在所述结晶岩数值模型中，基于试验应力应变关系曲线对所述压缩硬化记忆模型的参数进行标定；根据标定后的参数，确定标定压缩硬化记忆模型；
利用所述标定压缩硬化记忆模型对结晶岩压缩硬化记忆效应进行表征；
所述压缩硬化记忆模型包括：
1）表征结晶岩内部的颗粒接触在压缩下发生的非线性硬化变形，以及卸载时的记忆效应，按照如下表示：
当初次加载时，结晶岩内部颗粒接触的压应力、颗粒接触点的压缩刚度均随着闭合量的增加而非线性增加：
其中，表示随闭合量增加而非线性增加的压应力，单位为MPa；unmax表示颗粒接触的最大允许闭合量，单位为m；kn表示颗粒接触的初始压缩刚度，单位为MPa/m；/>表示颗粒接触当前的闭合量，单位为m；Kn表示随闭合量增加而非线性增加的抗压刚度，单位为MPa/m；
当初次卸载时，结晶岩内部颗粒接触的压应力随着闭合量的减小而线性减小：
其中，表示随着闭合量的减小而线性减小的压应力，单位为MPa；/>表示在应力应变关系曲线的m点处开始卸载时，应力应变关系曲线的斜率，/>的大小等于加载到m点处时颗粒接触的历史最大压缩刚度，单位为MPa/m；/>表示应力应变关系曲线m点处的颗粒接触的闭合量，单位为m；/>表示应力应变关系曲线m点处的颗粒接触的压应力，单位为MPa；
从第二次加载开始：加载时，一开始压应力小于加载历史中经受的最大压应力，则压应力随着闭合量的增加而线性增加，应力应变关系曲线的斜率等于历史最大压缩刚度；当压应力超过加载历史中经受的最大压应力时，结晶岩内部颗粒接触的压应力、颗粒接触点的压缩刚度均随着闭合量的增加而非线性增加；卸载时，结晶岩内部颗粒接触的压应力随着闭合量的减小而线性减小，应力应变关系曲线的斜率等于开始卸载时的历史最大压缩刚度；
2）表征颗粒接触在拉伸下发生的线性变形，如下：
其中，σt表示颗粒接触的拉伸应力，单位为MPa；kt表示颗粒接触的拉伸刚度，单位为MPa/m；ut表示颗粒接触的拉伸位移，单位为m；J t表示颗粒接触的拉伸强度，单位为MPa；
3）表征颗粒接触在剪切下发生的线性变形，如下：
其中，表示颗粒接触的压应力，单位为MPa，在不同的加载、卸载阶段，/>的值对应/>或者/>；τ表示颗粒接触的剪切应力，单位为MPa；us表示颗粒接触的剪切位移，单位为m；ks表示颗粒接触的剪切刚度，单位为MPa/m；J c表示颗粒接触的内聚力，单位为MPa；J φ表示颗粒接触的摩擦角，单位是度。
2.根据权利要求1所述的结晶岩压缩硬化记忆效应表征方法，其特征在于，获取结晶岩的试验应力应变关系曲线的步骤中，所述试验应力应变关系曲线按照如下方式确定：
利用预先制备的结晶岩样品进行循环压缩试验；
根据循环压缩试验得到的数据，确定结晶岩的试验应力应变关系曲线。
3.根据权利要求1所述的结晶岩压缩硬化记忆效应表征方法，其特征在于，获取预先构建的结晶岩样品的结晶岩数值模型，包括：
获取结晶岩样品的尺寸、矿物成分和粒度分布数据，根据结晶岩样品的尺寸、矿物成分和粒度分布数据构建得到二维合成结晶岩样品，作为结晶岩数值模型；其中，为所述二维合成结晶岩样品分别设置第一监测点和第二监测点，第一监测点用于监测二维合成结晶岩样品轴向的压应力和轴向位移；第二监测点用于监测二维合成结晶岩样品的横向位移。
4.根据权利要求1所述的结晶岩压缩硬化记忆效应表征方法，其特征在于，基于试验应力应变关系曲线对所述压缩硬化记忆模型的参数进行标定的步骤中，所述压缩硬化记忆模型需要标定的参数包括变形参数和强度参数；其中，变形参数包括：颗粒接触的初始压缩刚度kn、颗粒接触的最大允许闭合量unmax、颗粒接触的拉伸刚度kt、颗粒接触的剪切刚度ks；参数强度参数包括：颗粒接触的拉伸强度J t、颗粒接触的内聚力J c、颗粒接触的摩擦角J φ。
5.一种结晶岩压缩硬化记忆效应表征装置，其特征在于，包括：
第一获取模块，用于获取结晶岩的试验应力应变关系曲线；
第二获取模块，用于获取预先构建的结晶岩样品的结晶岩数值模型；
第三获取模块，用于获取预先构建的压缩硬化记忆模型，并确定所述压缩硬化记忆模型的参数；
参数标定模块，用于在所述结晶岩数值模型中，基于试验应力应变关系曲线对所述压缩硬化记忆模型的参数进行标定；根据标定后的参数，确定标定压缩硬化记忆模型；
表征模块，用于利用所述标定压缩硬化记忆模型对结晶岩压缩硬化记忆效应进行表征；
所述压缩硬化记忆模型包括：
1）表征结晶岩内部的颗粒接触在压缩下发生的非线性硬化变形，以及卸载时的记忆效应，按照如下表示：
当初次加载时，结晶岩内部颗粒接触的压应力、颗粒接触点的压缩刚度均随着闭合量的增加而非线性增加：
其中，表示随闭合量增加而非线性增加的压应力，单位为MPa；unmax表示颗粒接触的最大允许闭合量，单位为m；kn表示颗粒接触的初始压缩刚度，单位为MPa/m；/>表示颗粒接触当前的闭合量，单位为m；Kn表示随闭合量增加而非线性增加的抗压刚度，单位为MPa/m；
当初次卸载时，结晶岩内部颗粒接触的压应力随着闭合量的减小而线性减小：
其中，表示随着闭合量的减小而线性减小的压应力，单位为MPa；/>表示在应力应变关系曲线的m点处开始卸载时，应力应变关系曲线的斜率，/>的大小等于加载到m点处时颗粒接触的历史最大压缩刚度，单位为MPa/m；/>表示应力应变关系曲线m点处的颗粒接触的闭合量，单位为m；/>表示应力应变关系曲线m点处的颗粒接触的压应力，单位为MPa；
从第二次加载开始：加载时，一开始压应力小于加载历史中经受的最大压应力，则压应力随着闭合量的增加而线性增加，应力应变关系曲线的斜率等于历史最大压缩刚度；当压应力超过加载历史中经受的最大压应力时，结晶岩内部颗粒接触的压应力、颗粒接触点的压缩刚度均随着闭合量的增加而非线性增加；卸载时，结晶岩内部颗粒接触的压应力随着闭合量的减小而线性减小，应力应变关系曲线的斜率等于开始卸载时的历史最大压缩刚度；
2）表征颗粒接触在拉伸下发生的线性变形，如下：
其中，σt表示颗粒接触的拉伸应力，单位为MPa；kt表示颗粒接触的拉伸刚度，单位为MPa/m；ut表示颗粒接触的拉伸位移，单位为m；J t表示颗粒接触的拉伸强度，单位为MPa；
3）表征颗粒接触在剪切下发生的线性变形，如下：
其中，表示颗粒接触的压应力，单位为MPa，在不同的加载、卸载阶段，/>的值对应/>或者/>；τ表示颗粒接触的剪切应力，单位为MPa；us表示颗粒接触的剪切位移，单位为m；ks表示颗粒接触的剪切刚度，单位为MPa/m；J c表示颗粒接触的内聚力，单位为MPa；J φ表示颗粒接触的摩擦角，单位是度。
6.根据权利要求5所述的结晶岩压缩硬化记忆效应表征装置，其特征在于，第二获取模块，具体用于：
获取结晶岩样品的尺寸、矿物成分和粒度分布数据，根据结晶岩样品的尺寸、矿物成分和粒度分布数据构建得到二维合成结晶岩样品，作为结晶岩数值模型；其中，为所述二维合成结晶岩样品分别设置第一监测点和第二监测点，第一监测点用于监测二维合成结晶岩样品轴向的压应力和轴向位移；第二监测点用于监测二维合成结晶岩样品的横向位移。
7.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机程序以实现如权利要求1至4中任意一项所述的结晶岩压缩硬化记忆效应表征方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有至少一个指令，所述至少一个指令被处理器执行时实现如权利要求1至4中任意一项所述的结晶岩压缩硬化记忆效应表征方法。
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