一种模拟滚刀作用下岩石裂纹演化的数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种模拟滚刀作用下岩石裂纹演化的数值模拟方法，包括：建立滚刀与岩石三维模型；确定滚刀与岩石三维模型的模拟参数，包括：岩石材料属性参数、滚刀材料属性参数、材料的损伤模型、滚刀模型与岩石模型的接触模型、滚刀模型与岩石模型的边界条件、求解方式和输出的计算参数；利用开源程序Peridigm对模型进行计算；将计算结果导入Paraview中进行可视化处理。本发明专利技术为模拟滚刀作用下岩石损伤演化提供了一种新思路，可以很好的模拟裂纹在岩石中的演化；同时该方法能够实现并行计算，具有多尺度的分析能力，在计算工程尺度的大型模型方面具有很好的应用前景。大型模型方面具有很好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种模拟滚刀作用下岩石裂纹演化的数值模拟方法


[0001]本专利技术涉及岩土工程
，具体地涉及一种模拟滚刀作用下岩石裂纹演化的数值模拟方法。

技术介绍

[0002]目前在隧道的修建过程中，TBM掘进施工已经被广泛的应用在隧道施工中。TBM掘进施工主要依靠其最前端的滚刀对掌子面岩石进行切割与破碎，周而复始，使得隧道贯通。对于TBM施工技术而言，需要重点关注掌子面岩石在刀具作用下的破坏程度，研究滚刀破岩的机理，为TBM刀盘的设计提供参考。目前关于滚刀破岩的研究方法主要包括室内试验和数值模拟两种。室内试验研究主要包括滚刀贯入试验，线性切割试验与回转切割试验三种，但是这些试验不仅对设备有较高的要求，增加了试验成本，而且岩石内部的损伤情况很难实际观察到。随着计算机技术的不断发展，数值模拟凭借其成本低，可重复性好等优势成为众多学者选择的研究手段。
[0003]目前关于研究滚刀破岩的数值方法主要包括有限元法与离散元法。其中有限元法在模拟断裂问题时需要额外引入裂纹的扩展准则，对最终的结果有一定的干扰；离散元法虽然没有连续性的要求，但是确定离散颗粒的大小没有严格的依据。综上可以看出，目前应用于滚刀破岩领域的数值方法有各自的局限性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是要针对现有数值方法的局限性，提出一种模拟滚刀作用下岩石裂纹演化的数值模拟方法，为滚刀破岩的数值研究提供新的思路。
[0005]本专利技术的技术方案为：
[0006]利用近场动力学理论模拟滚刀作用下岩石裂纹演化的数值模拟方法，一种模拟滚刀作用下岩石裂纹演化的数值模拟方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1，建立滚刀与岩石三维模型；
[0008]步骤2，确定滚刀与岩石三维模型的模拟参数，包括：岩石材料属性参数、滚刀材料属性参数、材料的损伤模型、滚刀模型与岩石模型的接触模型、滚刀模型与岩石模型的边界条件、求解方式和输出的计算参数；
[0009]步骤3，结合模拟参数，利用开源程序Peridigm对滚刀与岩石三维模型进行计算，并将计算结果可视化获得滚刀作用下岩石裂纹演化的数值模拟结果。
[0010]进一步地，所述步骤2中，岩石材料属性数据包括岩石的材料模型，岩石材料的密度，杨氏模量与剪切模量；滚刀材料属性数据包括滚刀的材料模型，滚刀材料的密度，杨氏模量与剪切模量。
[0011]进一步地，所述步骤2中，材料的损伤模型为岩石材料的损伤模型，为临界伸长率模型、时间相关临界伸长率模型、界面感知模型中的一种；
[0012]进一步地，所述步骤2中，滚刀模型与岩石模型的接触模型为短程接触力模型、时
间相关短程接触力模型中的一种；
[0013]进一步地，所述步骤2中，滚刀模型与岩石模型的边界条件包括：滚刀在x、y和z方向的速度边界，岩石模型前、后、左、右四个面的位移边界。
[0014]进一步地，所述步骤2中，所述求解方式包括模拟的开始时间，结束时间与积分方法。
[0015]进一步地，所述步骤2中，输出的计算参数包括滚刀与岩石各自的位移，滚刀与岩石各自的速度，滚刀与岩石之间的接触力，岩石的损伤等。
[0016]进一步地，所述步骤3中，利用开源程序Peridigm对滚刀与岩石三维模型分区并行进行计算，输出的计算参数还包括处理器编号。
[0017]进一步地，可视化处理中将单元数据转化为点数据以增强可视化效果。
[0018]本专利技术的有益效果是：
[0019]1.近场动力学方法(Peridigm开源程序)的控制方程为积分形式，克服了传统方法在裂纹尖端的解很难存在的缺点，因此能够模拟在TBM滚刀作用下岩石的断裂问题；
[0020]2.由于近场动力学是由积分形式构成其控制方程，所以能够实现并行计算，提高其计算效率，因此对于隧道工程尺度模型的求解有一定的潜力；
[0021]3.近场动力学本身是一种动力学的算法，可以模拟两个物体的动态接触过程，因此能够模拟滚刀与岩石的接触过程，因此可以模拟滚刀在一定贯入度下岩石损伤的模态；
[0022]4.在近场动力学方法的框架中可以嵌入经典力学中的本构关系，实现更加复杂的材料关系。
附图说明
[0023]图1为本专利技术的滚刀破岩模型示意图。
[0024]图2为本专利技术的滚刀破岩模型并行计算分区图。
[0025]图3为本专利技术的在滚刀贯入深度为0.05mm时岩石的损伤模态。
[0026]图4为本专利技术的在滚刀贯入深度为0.08mm时岩石的损伤模态。
[0027]图5为本专利技术的在滚刀贯入深度为0.11mm时岩石的损伤模态。
[0028]图6为本专利技术的在滚刀贯入深度为0.16mm时岩石的损伤模态。
具体实施方式
[0029]下面将结合附图和具体实施例，进一步阐述本专利技术，以下实施例将参照翟淑芳建立的滚刀破岩模型来证明利用近场动力学理论模拟滚刀作用下岩石裂纹演化的可行性与实施步骤：
[0030]步骤1，建立与参考文献等效的滚刀与岩石三维模型，模型质点间距均设置为1mm，如附图1所示；其中滚刀的等效模型尺寸为15mm
×
10mm
×
8mm，岩石的等效尺寸为100mm
×
100mm
×
10mm，同时还需要建立三层粒子构成的虚拟边界来施加模型的边界条件；
[0031]步骤2，确定滚刀与岩石三维模型的模拟参数，包括：岩石材料属性参数、滚刀材料属性参数、材料的损伤模型、滚刀模型与岩石模型的接触模型、滚刀模型与岩石模型的边界条件、求解方式和输出的计算参数等；具体包括如下步骤：
[0032]步骤2.1，确定岩石材料属性参数：所述岩石材料属性参数包括岩石的材料模型，
岩石材料的密度，杨氏模量与剪切模量，本实施例中岩石的材料模型为LPS模型，密度为2600kg/m3，杨氏模量为82.5GPa，剪切模量为32.0GPa；
[0033]步骤2.2，确定滚刀材料属性参数：所述滚刀材料属性参数包括滚刀的材料模型，滚刀材料的密度，杨氏模量与剪切模量，本实施例中滚刀的材料模型为LPS模型，密度为7700kg/m3，杨氏模量为160.0GPa，剪切模量为78.3GPa；
[0034]步骤2.3，选择材料的损伤模型：选用合适的损伤模型并输入相关的参数；本实施例选用临界伸长率模型，该模型的物理意义为：当质点间连接键的伸长率超过一临界值时，连接键将发生断裂，通过统计连接键断裂的百分比来计算质点损伤的程度；
[0035]步骤2.4，将步骤2.1与步骤2.2获取的材料属性以及步骤2.3建立的损伤模型分别赋予步骤1所建立的三维模型；由于滚刀的刚度要远远大于岩石试样，所以将损伤模型赋予岩石试样，假设滚刀模型没有损伤发生。
[0036]步骤2.5，建立滚刀模型与岩石模型的接触模型，并设置所需的参数；在本实施例中选用短程接触力模型，模拟滚刀与岩石之间的动态接触；
[0037]步骤2.6，建本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模拟滚刀作用下岩石裂纹演化的数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立滚刀与岩石三维模型；步骤2，确定滚刀与岩石三维模型的模拟参数，包括：岩石材料属性参数、滚刀材料属性参数、材料的损伤模型、滚刀模型与岩石模型的接触模型、滚刀模型与岩石模型的边界条件、求解方式和输出的计算参数；步骤3，结合模拟参数，利用开源程序Peridigm对滚刀与岩石三维模型进行模拟计算，并将计算结果可视化获得滚刀作用下岩石裂纹演化的数值模拟结果。2.根据权利要求1所述的一种模拟滚刀作用下岩石裂纹演化的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤2中，岩石材料属性参数包括岩石的材料模型，岩石材料的密度，杨氏模量与剪切模量；滚刀材料属性参数包括滚刀的材料模型，滚刀材料的密度，杨氏模量与剪切模量。3.根据权利要求1所述的一种模拟滚刀作用下岩石裂纹演化的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤2中，材料的损伤模型为岩石材料的损伤模型，为临界伸长率模型、时间相关临界伸长率模型、界面感知模型中的一种。4.根据权利要求1所述的一种模拟滚刀作用下岩石裂纹演化的数值模拟方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚肖楠，周建，袁逢逢，齐永洁，朱建才，李东泰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：