颗粒离散元岩石模型参数特性研究与应用

发布时间：2020-09-18 07:14

　　由于岩石材料自身性能及其所处环境的复杂性,对其力学行为的研究一直是现代计算固体力学中一个极具挑战性的领域。细观尺度上的无序结构与缺陷造成了岩石材料复杂的宏观力学特性,而通过颗粒结构和细观本构模型对材料力学行为进行表征的颗粒离散元胶结模型,提供了连接岩石细观结构与宏观特性的桥梁,成为研究岩石物理力学性质的有力工具。利用颗粒离散元法进行建模分析时,各项参数的标定是使用者首先要面对的问题,也是取得合理模拟结果的关键。然而,由于颗粒系统的复杂性以及颗粒离散元法软球模型的假设,模型宏-细观参数间的关系难以从理论角度进行推导,参数标定一直是一项繁琐且棘手的工作。因此,本文借助统计检验、试验设计和最优化模型等手段,针对颗粒离散元岩石模型的参数特性展开了研究。本文所做的主要研究工作及其结论,包括以下几个方面:(1)基于单因素多水平定量资料的统计分析方案,对颗粒离散元岩石模型的颗粒尺寸效应进行了研究,得到了颗粒尺寸对模型宏观力学参数和破坏模式的影响规律。综合各项力学参数的统计学检验结果、模型破坏模式及计算效率等三方面考虑,认为对于类似的岩石材料模拟,按照L/R≥200来确定颗粒半径是合适的。(2)基于正交试验设计和中心复合试验设计,对特定区间上颗粒离散元岩石模型宏-细观参数间的定性和定量关系进行了研究,得到了各细观参数对各宏观参数的影响规律,拟合出了能够描述宏-细观参数间关系的定量关系式,不仅为细观参数的标定提供了依据和指导,还为细观参数标定最优化模型的建立提供了基础。(3)以前面得到的定性和定量关系为基础,将细观参数标定问题转化为最优化问题并构造出相应的最优化模型;选择对初值没有依赖性的全局搜索算法——遗传算法作为优化算法对上述最优化模型进行解算;添加相关约束条件来控制模型最终的破坏模式;最后,在Matlab环境下编写了细观参数标定程序。对该程序的验证结果表明,该细观参数标定程序取得了较好的参数标定效果。(4)以某引水隧洞工程为基础构建耦合计算模型,对前述结论进行验证。基于岩石模型的颗粒尺寸效应研究结果,确定了洞室模型的颗粒尺寸;基于前述细观参数标定程序,给出了不同约束条件下的多组细观参数选取方案,并研究了其对洞室模型变形破坏过程和最终破坏模式的影响,得到了细观参数变异性对洞室模型破坏机理的影响规律。综上所述,本文针对颗粒离散元岩石模型的参数特性展开了研究,给出了岩石模型宏-细观参数间的关系与规律,建立了岩石模型的细观参数标定方法,不仅能使颗粒离散元模型对岩石类材料的模拟与分析更加真实可靠,还能大大降低研究者建模初期的工作量,提高科研效率。
【学位单位】：河北工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU45
【部分图文】：

耦合方法,多尺度,介质分析,岩石模型

图 1-1 与 DEM 相关的多尺度耦合方法Fig.1-1 Multiscale coupling method related to DEM粒离散元法在岩石损伤破坏模拟中能够有效捕捉岩石材料细观非连象且允许材料产生大变形和大位移，这是其比传统连续介质分析法然而在实际运用中，颗粒离散元岩石模型目前还有两个短板：一是

曲线,模型,粘结模型,岩石模型

的角度揭示颗粒尺寸对岩石模型宏观力学性质和破坏模式的影响规律，最终石模型颗粒尺寸的选取提供依据和建议。.1 颗粒尺寸效应的研究方案.1.1 岩石模型的建立.1.1.1 细观本构的选取许多学者的研究结果表明[3,8,19-21]，基于平行粘结模型构建的颗粒离散元胶型，可以复现出岩石材料的多种力学响应和特性，例如：岩石材料特有的应应变曲线，裂纹的萌生和扩展，体积膨胀，峰后软化现象及声发射现象等等此本文选取平行粘结模型作为模型的细观粘结模型。与传统的点粘结模型不同的是，平行粘结模型在 2D/3D 模型中是线/面粘结点粘结，故而比前者多了抵抗力矩的能力，可以更好的体现岩石颗粒间的相合（图 2-1）。

宏观参数,标准差,变异系数,均值

图 2-6 宏观参数的均值、标准差和变异系数Fig.2-6 The mean, standard deviation and coefficient of variation of macro parameters各项力学参数的均值、标准差与变异系数（Coefficient of variation, CV）的变化趋势如图 2-6 所示，各样本标准差以误差棒的形式给出。由图 2-6 可知，各力学参数样本的均值随 R 变化的幅度很小，而标准差则呈现明显的增加趋势，这定性地说明了颗粒尺寸的大小对模型力学参数的均值影响较小，主要影响的是力学参数样本的离散性。从各项力学参数的 CV 值可看出，相同粒径水平条件下的弹性模量与泊松比样本的离散程度要明显小于其他两项力学参数，即这两项参数的数据稳定性更好。笔者认为这是由于弹性模量与泊松比对应于应力-应变曲线的弹性阶段，此时模型的细观结构未出现明显损伤，即模型结构与强度分布未发生显著变动，因此相对于峰值区域的力学参数，其稳定性更好。表 2-4 各项力学参数 CV 的增长拐点Table.2-4 The inflection point of the CV curve of the macroscopic parameter宏观参数A 组模型 B 组模型

【参考文献】