三维复杂颗粒状岩石建模方法及其破裂机理研究

发布时间：2019-03-18 17:56

【摘要】：岩石力学与工程问题本身就是三维的力学问题。由于岩石、混凝土等非均质材料中含有大量不同类型和空间几何分布的颗粒构造以及裂纹、孔洞等缺陷,具有复杂的内部细观结构,且各种细观介质的力学特性和缺陷构造对其破裂机制有重要影响,使得岩石、混凝土等材料的破裂过程分析成为一个非平衡、非线性的空间三维力学问题。然而,由于数学理论上的复杂性、实验室试验和现场观测试验条件和技术的限制,都给岩石三维破裂过程的研究带来很大的困难,数值模拟成为解决这些问题的强有力工具之一。数值模型的建立是数值模拟计算过程中最关键的环节,因此,尽可能运用一种能有效表征岩石类材料内部不同细观介质的形态构造的方法,建立基于材料真实细观结构的三维数值模型,能更直观、更全面且更符合实际地研究岩石类材料的力学性能。本文以花岗岩、混凝土为研究对象,应用数字图像处理技术表征材料内部的颗粒构造、孔洞及裂纹等复杂细观结构,结合RFPA~(2D)-DIP软件建立二维数值模型并进行数值模拟。借助先进的CT扫描技术获取混凝土内部结构逐层切片图像,在建立二维数值模型方法的基础上,结合RFPA3D-DIP软件首次建立了含预制孔洞、裂纹等缺陷的混凝土三维数值模型,并模拟了混凝土单轴压缩实验,将数值试验结果与物理实验结果进行了对比分析。主要研究工作如下:1、分析花岗岩、混凝土材料数字图像中含有的颗粒构造及缺陷等复杂的结构在颜色空间中的特征,利用数字图像处理技术中的图像识别和图像分割等方法,对材料内的细观结构进行数字图像表征。2、在材料细观结构表征的基础上,结合RFPA~(2D)-DIP程序分别建立了花岗岩、混凝土二维数值模型,并进行了数值模拟试验,分析了颗粒形态构造和孔洞、裂纹等缺陷对材料破裂力学特性的影响。3、利用CT扫描技术获取含预制裂纹、孔洞等缺陷的混凝土内部结构逐层切片图像,在基于材料细观结构表征的基础上,将每层图像结构表征信息拉伸一定距离形成单层三维模型数据,采用数据逐层叠加的方法建立含缺陷混凝土的三维结构模型。4、将建立的混凝土三维结构模型与RFPA3D-DIP结合,建立能反映材料真实细观结构的数值模型并进行了模拟计算,分析单轴压缩条件下骨料颗粒及缺陷对其破裂过程的影响。将数值计算结果与物理实验结果进行对照,从试件表面的裂纹位置及破裂模式等方面进行对比验证,两者具有较好的一致性;利用RFPA3D特有的模型切割功能对模型进行切片,分析模型内部的裂纹扩展特征。通过对花岗岩、混凝土等非均质材料结构模型重建方法的研究,结合数值软件建立了基于材料真实细观结构的数值模型并进行了数值试验,将数值试验结果与物理实验结果进行对比验证,所得研究结论对深入研究岩石、花岗岩等材料的力学特性和破裂机制具有重要理论意义和实际应用价值。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：贵州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU45

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本文编号：2443087