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国重室多尺度连续非连续数值方法研究取得进展

发布时间:2021-05-13 14:57:00
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  岩石主要由晶体形态存在的矿物及少量非晶质胶结物组成,其成因和赋存环境对岩石的矿物成分,晶体形态及界面结合产生重要影响。岩石材料在不同研究尺度上表现出不同的力学特征,研究其内部矿物结构及细观非均质特征,对于了解岩石断裂损伤,裂纹孕育演化机制和破裂特征具有重要意义,也是保证岩石工程合理设计和安全控制的重要依据。

  数值方法是量化评价岩石微观结构对宏观力学特征影响的有力工具。传统有限元法难以实现岩石介质在外力作用后出现破裂、失效及分离的全过程。离散元法虽然能反映岩体结构的非连续特征,但因全局接触判别效率不高,很难实现工程尺度规模的计算,尤其三维条件下的接触形式复杂,块体接触力计算繁琐,大大限制了离散元方法的推广应用。Munjiza提出的连续非连续通过定义势函数来计算块体之间的重叠区域,进一步根据NBS接触算法得到接触力。但由于势函数物理意义不明确,无法统一表征嵌入量的接触力,且切向接触力计算冗杂,难以推广至三维模型。

  本研究在传统连续非连续方法的基础上,结合基于点-面接触的刚度罚值法,采用增强型NBS接触判别,在C++上自主开发了多尺度(宏细观)连续非连续数值软件,大大提高了计算效率,即使对于网格结构不规则模型,也能达到较高的计算效率和判别精度。同时考虑岩石结构的多尺度特征,建立了以晶相为基础的真实结构模型,实现了岩石矿物的穿晶和沿晶断裂现象。基于上述方法,系统性的研究了岩石细观非均质特征(如晶体尺寸,分布特征,矿物形态及矿物成分)对其宏观力学特征,裂纹成核,起裂,扩展和聚合的影响(如图1)。研究结果表明:岩石裂纹起裂应力和损伤应力是由矿物非均质性决定的固有属性(如图2)。初始裂纹主要为晶间拉伸裂纹,由晶体间分布的非均匀拉应力导致,而穿晶剪切裂纹将耗散大部分能量,导致大规模微裂纹聚合和扩展。同时,增加矿物晶体的尺寸将进一步导致非均匀应力分布,降低材料的破坏强度。晶体形态在晶粒互锁中起着重要作用,均匀分布的矿物晶体产生均匀的微观应力场,增加了岩石的起裂应力阈值。同时借助石英-云母-长石分布图,进一步讨论了矿物成分与岩石宏观力学性能之间的定量关系(如图3)。

图 1 基于真实结构建模的连续非连续数值方法

图 2 不同围压条件下岩石起裂应力,损伤应力和峰值强度变化

 

图 3 不同矿物成分对岩石应力特征的影响

  本研究获得国家自然科学基金重点项目(No. 51439008 )、国家自然科学基金面上项目(No. 51679231) 和国家留学基金委建设高水平大学公派研究生项目(No. 201604910678)资助,相关成果发表在Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering上。

  论文信息:Li XF, Li HB, Zhao J (2021) Transgranular fracturing of crystalline rocks and its influence on rock strengths: Insights from a grain-scale continuum–discontinuum approach. Comput Methods Appl Mech Eng 373:113462

  论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0045782520306472


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