[發明專利]基于顆粒結構的巖石破裂演化細觀模型、方法及電子設備

在審

• 申請號: 202011093308.7
• 申請日: 2020-10-14
• 公開（公告）號: CN112199843A
• 公開（公告）日: 2021-01-08
• 發明（設計）人: 由爽;張乘菡;紀洪廣;王洪濤;李飛
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 李興林

本發明涉及離散元模型技術領域，具體涉及一種基于顆粒結構的巖石破裂演化細觀模型、方法及電子設備，所述方法基于Neper多晶體網格生成程序所建立的多邊形網格，采用自編Python程序編寫Neper與UDEC的接口程序，建立了一種用于模擬巖石材料力學性質的離散元模型，并通過建立單個顆粒內部接觸的方法實現顆粒的可破碎特性，并采用自編Python程序對顆粒塊體及接觸進行精準賦值；本發明準確的反映了巖石受載破壞的細觀特征，并直觀的展示了巖石內部的破裂損傷過程，能夠準確的模擬巖石的宏觀力學特性，直觀的再現巖石內部復雜的裂紋擴展過程，適用于深部巖石的細觀研究。

技術領域

本發明涉及離散元模型技術領域，具體涉及一種基于顆粒結構的巖石破裂演化細觀模型、方法及電子設備。

背景技術

巖石是由多種礦物顆粒膠結而成的復雜地質材料，與金屬類材料相比，巖石通常不具有連續性和各向同性等特征。另外，考慮到巖石中天然存在的孔隙和裂隙，以及構成巖石礦物顆粒類別的差異，巖石通常也不能被簡單的視為均質性材料。因此，巖石在荷載作用下的力學響應十分復雜，具有明顯的非線性特征，導致采用傳統的彈性或彈塑性理論均不能很好的擬合其應力-應變關系。另一方面，巖石在宏觀層面的力學特性究其根本是細微觀因素的宏觀反映。根據以往的研究，巖石礦物顆粒的構成、顆粒粒徑大小、孔隙率、裂隙密度等細觀因素是影響宏觀力學特性的幾個主要因素。

目前，考慮到理論模型構建以及獲得解析解方面的困難，學術界通常采用數值模擬的方法進行巖石類材料的應力-應變關系研究，且主要分為有限單元法和離散單元法。由于離散單元法可以反映巖石在受載變形過程中的大變形、斷裂等主要特征，成為了主流的模擬方法。同時考慮到巖石的細微觀特征，建立能夠同時反映上述細觀特征的離散元模型是進行精細化模擬的前提。

在離散元理論中，巖石的宏觀力學性質由離散單元和單元間接觸面的力學參數直接控制。在計算迭代過程中，塊體的位移、速度及加速度通過牛頓第二定律計算，接觸面的應力-應變關系則通過庫倫摩擦定律計算。

單個塊體的運動由不平衡力矩的大小和方向以及作用在其上的力決定，牛頓第二定律可以表示為如下形式：

其中表示速度，t為時間，m為塊體質量。上式也可寫為中心差分的形式，即：

由于力取決于位移，因此力-位移關系可以由上式計算得到。而對于由多個方向的力以及重力作用的二維情況，則可由式(3)計算：

其中以及I分別是塊體圍繞質心的角速度和慣性矩。在每步計算后，塊體會產生新的位移和接觸力。合力與合力矩用于計算每個塊體的加速度及角加速度，塊體的速度和位移則通過在時間增量區間內的積分值來確定。

相鄰塊體之間的受力關系由接觸面力學參數決定，并由庫倫摩擦定律控制。在垂直于顆粒邊界的方向，接觸面上單位面積的力-位移關系是線性的，由法向剛度kn控制，如式(4)所示：

Δσ_n＝k_nΔu_n (4)

式中Δσ_n為接觸面法向應力的增量，Δu_n為法向位移的增量。另外，在法向方向設有拉應力上限值t_max，當顆粒間拉力達到或超過上限值時，接觸面抗拉強度降低為0，表征接觸面發生了拉伸斷裂。在相反的方向上，顆粒間相互擠壓可能會導致過度重疊而無法繼續計算，顆粒重疊量由程序控制，并設有重疊上限值，通常為顆粒圓角半徑的0.5倍。

在剪切方向上，由剪切剛度k_s控制顆粒間的剪切位移。剪應力τ_s由粘聚力c及內摩擦角共同決定，如式(5)所示：

如果顆粒間剪應力小于上限值：