国家自然科学基金(11202223)
- 作品数：8 被引量：104H指数：7
- 相关作者：葛修润郑宏孙冠华更多>>
- 相关机构：中国科学院武汉岩土力学研究所北京工业大学更多>>
- 发文基金：国家自然科学基金国家重点基础研究发展计划中国博士后科学基金更多>>
- 相关领域：理学建筑科学更多>>
- 粗粒料多边形表征及二维FEM/DEM分析被引量：8
- 2015年
- 考虑到颗粒形状对粗粒料的力学特性有重大影响,提出了一种新的表征颗粒形状的方法,即在椭圆上随机选取一系列点连接成多边形颗粒,表征狭长扁平的颗粒。新方法较圆上取点的方法能代表更多类型的颗粒形状,适用范围更广。提出了一种新的粗粒料投放算法,即先缩小颗粒,然采用随机算法将缩小的颗粒投放至给定区域,对颗粒划分好网格后,将颗粒放大到原来的大小,然后采用有限元-离散元(FEM/DEM)方法计算稳定后即生成了相应的试样。通过将上述颗粒生成及投放算法与FEM/DEM结合,应用于粗粒料的数值模拟。分析表明,FEM/DEM是研究粗粒料力学性质的较好方法,对复杂的颗粒形状也可简单建模,且因在颗粒内部划分了有限元网格,复杂的接触判断及接触力计算转化为标准统一的三角形和三角形之间的接触判断及接触力计算,所有的计算均可标准化、统一化。同时因为颗粒是可以变形的,依然保留了连续介质力学中应力和应变的概念,无须像PFC那样需通过测量圆来间接表示某点的应力、应变。最后,通过粗粒料的侧限压缩试验的数值模拟,展现了文中提出的一整套解决方案在模拟粗粒料方面的巨大潜力。
- 严成增郑宏孙冠华葛修润
- 关键词：粗粒料
- 基于统一标定的势接触力计算被引量：7
- 2015年
- 传统的离散元类数值方法存在处理角-角接触时接触力方向不确定、三维情形时接触计算极其复杂等问题。Munjiza提出的基于势的接触力计算方法很好地解决了这一问题,但同时存在势的物理意义不明确,计算出的接触力与物理直观不符、相同嵌入量计算的接触力大小不一致等问题。在已有研究的基础上,提出了一种基于统一标定的势接触力计算方法,该方法重新定义了势函数,即三角形单元内一点的势与该点到3条边的最短距离成正比。采用这种势函数定义可以对嵌入量进行统一表征。在相同的嵌入量下,计算的接触力大小是一致的,同时保留基于势的接触力计算方法所有优点。新定义的势函数,解决了原有势函数所存在的重大缺陷,只要重叠区域不变,计算的总接触力是不变的,接触力计算具有局部特性,而与划分的三角形单元的整体形状和大小无关,即新的接触力计算方法,具有更好的网格鲁棒性。该方法使得基于势的接触力计算方法建立在坚实的物理基础之上,意义重大。
- 严成增郑宏葛修润
- 关键词：离散元
- 爆炸气体驱动下岩体破裂的有限元-离散元模拟被引量：20
- 2015年
- 在原有有限元/离散元(FEM/DEM)耦合分析方法中,实现了一种新的爆破计算模型。该模型考虑了在爆生气体的作用下,随着裂隙的扩展,气体占据的体积不断增大,气体压力逐渐减小这一问题。同时考虑了气体嵌入与爆腔联通的裂隙对裂隙的作用力。克服了原有FEM/DEM方法中的爆破模型仅仅将压力施加于爆腔四周的岩壁上,无法考虑爆生气体嵌入生成的裂隙对裂隙的作用。提出了一种新颖的贯通裂隙网络形成的递归搜索算法,只需通过编写一个简单的递归函数,即可实现复杂裂隙网络的搜索,采用一种简洁的方法完成了对复杂问题的处理。最后通过一个爆破算例,结果表明FEM/DEM方法可以对爆炸过程中应力波的传播及岩体中裂纹的萌生、扩展进行全程捕捉,展现了该方法用于爆破模拟的潜力。
- 严成增孙冠华郑宏葛修润
- 关键词：岩石爆破裂隙网络
- 基于数字图像技术的岩土材料有限元-离散元分析被引量：13
- 2014年
- 将数字图像技术与Munjiza提出的有限元法-离散元法(FDEM)耦合分析方法结合,研制了可表征岩石真实非均质性的FDEM分析系统,为从细观角度对岩体进行建模以及研究岩体的破裂机制提供了新途径。该系统借助数字图像技术从岩石断面的图像获取岩石材料的真实细观结构,借助成熟的网格剖分技术,将其映射到FDEM计算网格中,从而克服了原有FDEM在考虑材料非均质性所存在的不足。利用该系统,进行了巴西圆盘劈裂试验的数值模拟,再现了花岗岩在荷载作用下的真实破裂过程。数值模拟结果表明,考虑非均质性的岩样应力分布呈现出非对称性,岩石的细观结构对岩石中裂纹的扩展及应力分布有重要影响。
- 严成增郑宏孙冠华葛修润
- 关键词：数字图像技术
- 三维FEM/DEM中摩擦力的实施及验证被引量：10
- 2014年
- 块体间的相互碰撞、滑移均涉及到摩擦力的问题,但原有的三维有限元/离散元(FEM/DEM)并未考虑摩擦力的作用,为解决这一问题,首先论述三维FEM/DEM中基于势的接触力,指出势是对嵌入及接触所存储能量的表征,势越大表示嵌入量越大,接触所存储的能量越大。然后,在原有三维FEM/DEM中加入经典的库仑摩擦,使得原有三维FEM/DEM可以考虑摩擦力。最后,通过有解析解的斜面滑块算例和拱桥垮塌算例验证实施库仑摩擦的正确性,结果表明斜面滑块算例的数值解与解析解很好地吻合;而拱桥垮塌算例表明FEM/DEM可以解决复杂的工程问题。
- 严成增孙冠华郑宏葛修润
- 关键词：岩石力学DEM离散元法
- 基于FDEM-Flow研究地应力对水力压裂的影响被引量：29
- 2016年
- 用提出的FDEM-Flow(考虑流固耦合的离散元-有限元耦合方法)方法作为工具,研究了地应力对水力压裂的影响。通过一个注水圆孔的算例,研究不同地应力状态对压裂裂隙的走向和形态的影响。研究结果表明,起裂压力的大小和压裂裂隙的方位均与地应力有密切关系。在竖向地应力v?保持不变的情况下,且侧压力系数?>1时,随着?的增大,起裂压力和失稳压力均减小;?>1时且取值较小时,主要产生水平向的裂隙,并有斜向裂隙产生;?>1时且取值较大时,裂隙严格按照最大主压应力的方向扩展,不再出现斜向裂隙;?<1时,主要产生竖向的裂隙;?=1时,水平地应力和竖向地应力相等,裂隙的扩展不存在优势方向。不同侧压力系数条件下,裂隙的扩展方向与最大主应力的方向一致,水力压裂裂隙的起裂和扩展主要由最大主拉应力控制,裂隙在拉应力集中的区域起裂。这些结果与已有的试验及理论认识是相符的,进一步验证了FDEM-Flow方法用于模拟水力压裂问题的有效性。
- 严成增郑宏孙冠华葛修润
- 关键词：水力压裂地应力
- 基于局部单元劈裂的FEM/DEM自适应分析方法被引量：15
- 2014年
- 为了模拟岩体中裂纹的萌生、扩展,Munjiza提出了有限元法/离散元法(FEM/DEM)耦合分析方法。因为裂纹是沿单元边界进行扩展的,亦即裂纹扩展具有网格依赖性,为获得较好的裂纹扩展形态,需要划分密集的初始网格。为解决上述难题,基于FEM/DEM耦合分析方法,提出了基于局部单元动态劈裂的FEM/DEM自适应分析方法,以克服裂纹扩展形态对网格的依赖性。该方法在最初建模时无需划分很密的初始网格,随着荷载的施加,对裂纹尖端附近的局部单元进行动态劈裂,为裂纹的后续扩展提供了更多可能的扩展方向,使得裂纹扩展不必沿着初始网格的单元边界扩展,即可以沿着单元内部进行扩展,裂纹扩展形态更为平滑,与实际情况更为接近。同时相对原FEM/DEM耦合分析方法一开始就划分很密的网格而言,新方法可以划分较为稀疏的初始网格,计算成本降低。最后,通过巴西劈裂算例与原FEM/DEM耦合分析方法对比,分析表明,新方法在一定程度上克服了裂纹扩展形态对初始网格的依赖性。
- 严成增孙冠华郑宏葛修润
- 关键词：有限元法自适应技术
- 模拟水压致裂的二维FDEM-flow方法被引量：30
- 2015年
- 水压致裂在非常规天然气开采中被广为采用,对该问题的研究具有重要意义。基于FEM/DEM耦合分析方法,提出解决FEM/DEM方法中流–固耦合问题的理论框架,称之为FDEM-flow方法,并结合贯通节理裂隙网络形成的递归搜索算法,为在二维情形下考虑流–固耦合驱动下的岩体破裂问题提供完整的解决方案,并给出实现流–固耦合的整个计算流程。通过2个含有解析解的裂隙渗流算例,验证本文提出方法求解纯裂隙渗流问题的正确性。最后,通过一个流体驱动下的岩体破裂算例,展现提出的方法在模拟流–固耦合驱动下的岩体破裂问题的巨大潜力,为模拟页岩气开采中的水压致裂问题提供了新途径。
- 严成增郑宏孙冠华葛修润
- 关键词：岩石力学岩体破裂水力压裂
