[發明專利]基于近場動力學本構模型的節理巖體力學仿真方法及系統

在審

• 申請號: 202010864643.6
• 申請日: 2020-08-25
• 公開（公告）號: CN112131709A
• 公開（公告）日: 2020-12-25
• 發明（設計）人: 周宗青;高成路;李利平;石少帥;李卓徽;張道生;屠文鋒;耿陽;王美霞
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F111/04;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 李琳

本公開提出了一種基于近場動力學本構模型的節理巖體力學仿真方法及系統，所述方案將物質點鍵劃分為即巖石鍵、節理鍵和裂隙鍵三種類型，基于強度折減理論構建三種近場動力學鍵的統一表達格式，并且在運動方程中引入表征巖體壓縮性質的短程排斥力，建立了近場動力學節理巖體本構模型；將巖體結構模型的計算區域隨機離散成有限數量的帶有一定體積信息的物質點，選擇合適的近場作用范圍，形成所有物質點的鄰域矩陣，根據節理分布參數及物質點空間坐標關系，利用向量叉乘判斷物質點鍵是否穿越節理或者裂隙，并進行相應處理；采用自適應動態松弛算法，迭代求解物質點速度和位移，實現了節理巖體變形破壞過程的近場動力學仿真。

技術領域

本公開涉及巖土工程數值計算領域，尤其涉及一種基于近場動力學本構模型的節理巖體力學仿真方法及系統。

背景技術

本部分的陳述僅僅是提供了與本公開相關的背景技術信息，不必然構成在先技術。

節理、裂隙等軟弱結構面廣泛存在于自然界中，是影響巖質邊坡滑坡、地下工程圍巖失穩的主要因素之一。科學評估節理、裂隙等軟弱結構面的力學性質，對于保障工程巖體穩定性具有重要意義。

近場動力學(Peridynamics)是一種基于非局部作用思想建立模型，并通過求解空間積分方程描述物質力學行為的數值計算方法。它兼有分子動力學和無網絡方法的優點，突破了基于連續性假設的傳統方法在求解不連續問題時面臨的局限性，避免了裂隙尖端微分方程求解的奇異性，在描述材料裂紋生成、起裂、擴展、破壞等方面具有獨特的優勢，在宏觀、微觀等多尺度不連續力學問題分析中均表現出較高的求解精度和效率，可廣泛應用于多領域、跨尺度、不連續等復雜問題的數值計算與耦合仿真。

發明人發現，雖然目前近場動力學在金屬材料、復合材料等均質材料變形破壞仿真方面取得了廣泛的應用，但是，針對巖土工程材料特別是典型的節理、裂隙等非均質、各向異性材料，目前尚缺乏可靠而有效的本構模型及其建模方法，無法有效對節理巖體的變形破壞過程進行精確仿真分析；因此，如何構建表征節理、裂隙等復雜巖土工程材料變形破壞特征的近場動力學本構模型，并提出相應的建模方法，是實現巖土工程材料非連續變形破壞的近場動力學仿真有待于解決的問題。

發明內容

本公開為了解決上述問題，提供一種基于近場動力學本構模型的節理巖體力學仿真方法及系統，能夠有效仿真節理、裂隙等天然巖體非均勻變形與不連續破壞過程的物理力學響應與損傷破壞特征。

根據本公開實施例的第一個方面，提供了一種基于近場動力學本構模型的節理巖體力學仿真方法,包括：

根據獲取的地質信息構建巖體結構模型；

將物質點鍵劃分為巖石鍵、節理鍵和裂隙鍵三種類型，并基于強度折減理論構建三種類型的統一表達格式；

在近場動力學運動方程中引入短程排斥力，建立近場動力學節理巖體本構模型；

為計算區域設定邊界條件和位移約束；

采用自適應動態松弛算法，對所述近場動力學節理巖體本構模型迭代求解，獲得物質點速度和位移，實現節理巖體變形破壞過程的進場動力學仿真。

進一步的，需要對所述巖體結構模型進行處理，將巖體結構模型的待計算區域隨機離散成預設數量的帶有體積信息的物質點，設定預設的近場作用范圍，形成所有物質點的鄰域矩陣，根據節理分布參數及物質點空間坐標關系，利用向量叉乘判斷物質點鍵是否穿越節理或者裂隙，對于穿越節理或者裂隙的鍵賦予強度折減系數，對于不穿越節理或者裂隙的鍵則不作處理。