基于近场动力学岩石材料的动态断裂与瞬时热传导分析

发布时间：2020-07-07 12:18

【摘要】：岩石材料作为一种天然材料,内部含有大量方向各异的原生裂纹,研究这些原生裂纹的聚集、扩展以及分叉进而导致岩体的破坏失稳对于岩体工程来说是非常重要的。同时近年来随着中国经济的快速发展以及对于环保能源的需求,页岩气作为一种清洁、高效的能源,目前已经成为全球非常规油气资源勘探开发领域的“新宠”。随着21世纪初北美“页岩气革命”的成功兴起,页岩气的战略地位逐渐被人们重视,而中国对于页岩气的开采还处于起步阶段,因此具有很好的发展前景。但近年来采用基于连续性假设的一些数值计算方法,例如有限元、边界元、有限差分法以及无网格方法和基于不连续假设的离散元方法、非连续变形分析方法等在处理含有预制裂纹这种既具有连续性特点又具有非连续性特点的岩石材料时,存在一定的自身局限性。本文采用的近场动力学方法(Peridynamics,简称PD),可以避免在处理不连续性问题时所遇到的奇异性难题。本文采用近场动力学方法来研究岩石材料的动态断裂与瞬时热传导行为,通过对研究成果的整理分析得出以下结论:(1)为了更加准确得到含有预制裂纹岩石材料的裂纹扩展路径与扩展状态,本文在已有的理论基础之上将物质点间的“键”进行进一步的区分,提出了“层内键”和“层间键”的“单双键”计算模型,以更加合理的方式来处理不同材料层中材料性能参数对于裂纹扩展的影响。通过将数值计算结果分别与已有试验结果和运用传统数值方法所得结果进行对比分析,从而验证“单双键”模型在研究层状岩石材料动态断裂以及瞬时热传导方面的准确性和有效性。(2)基于本文所提出的“单双键”计算模型,文中对层状岩石材料进行了收敛性分析并得出了合理的晶格常数值(m(28)4);同时对含有预制两垂直裂纹岩石材料的裂纹扩展路径进行了分析,发现在冲击荷载作用下,预制裂纹的扩展路径与预制裂纹位置的夹角大致为70°。(3)基于本文所提出的“单双键”计算模型,本文分析了在单轴压应力以及双轴拉应力作用下层状岩石材料的动态断裂问题,研究了裂纹倾角和应力比对于裂纹扩展路径与扩展状态的影响,发现不同的裂纹倾角和应力比都会对裂纹的扩展路径和状态产生影响;通过对三层层状岩石的裂纹扩展路径与扩展状态的分析,发现层状岩石中沿层理方向的原生裂纹是主要的起裂部位,且裂纹聚结主要集中在中部岩石层区域,并向着试件端部和两侧传播。最后,通过改变加载方式,分析含有单一预制裂纹的特定页岩材料预制裂纹起裂时间以及起裂时所需的荷载大小分别为10μs和7 MPa。(4)基于本文所提出的“单双键”计算模型,研究了弹性模量、热扩散系数、裂纹数目、边界温度对于层状岩石材料瞬时热传导行为的影响,认为裂纹数目、边界温度均会对层状岩石材料的瞬时热传导产生一定的影响,同时也初步进行了热-力耦合条件下层状岩石材料热传导行为的研究,得出了在热-力耦合条件下影响物质点位移的主要因素为应力的作用。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P618.13
【图文】：

数值计算,试验结果,近场,动力学

4.1.2 近场动力学数值模型计算结果与已有实验结果的对比分析本算例选用近场动力学数值计算模型中物质点的非局部邻域半径为 =2 mm，节点间距为 x 0.5 mm。图4.3展示了在相同的条件下，本数值模拟结果与Yang和 Jing 试验结果裂纹扩展路径和状态的对照。可以看出，本数值模拟结果与已有试验结果具有良好的吻合性，由此可以得出结论：近场动力学方法在研究岩石材料动态破坏方面具有很好的优势，同时也说明上文所构建的近场动力学数值计算模型的有效性和准确性。表 4.1 岩石板的力学参数[76]E (GPa) G(J/m2) ρ(kg/m3)28.12 30 2620

节点间距,裂纹扩展路径,非局部,邻域

38（c）m=4， x 0.33 mm 4.5 收敛中不同节点间距在 60 μs 时刻时的裂纹扩展路径和收敛，选取非局部邻域的半径 =2 mm，因此选取不同晶格常数值，在这里节点间距分别选为 x 0. 8 mm，，则对应的晶格常数值分别为 m=2.5，m=4，m=5。预载为 8.5 MPa，分别截取在 60 μs 时刻下三种情况下的

非局部,邻域,裂纹扩展路径,层状岩石

4 层状岩石材料的动态断裂分析 4.6 所示。根据图 4.6 可以观察到，当非局部邻域内>4），裂纹不会随着节点间距的进一步增加而发生改变 4.6（c）的裂纹扩展路径非常相似，这意味着在这两相似的。为了兼顾计算成本和计算效率，这里采取m=

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