《岩石破裂数值方法》-(课件).ppt

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RFPA的单元赋值 采取Monte-Carlo方法和统计描述相结合对基元进行初始化赋值。设模型中所有基元的弹性模量平均值为E0,Φ(E)代表了具有某弹性模量E基元的分布值,基于下式弹性模量Weibull分布函数的积分为: 其中, Φ(E)为具有弹性模量E的基元的统计数量。由统计分布构成的基元组成一个样本空间,在均值E0不变的情况下,由于m值的差别,积分空间分布却不完全一样。这些基元构成的岩石类介质细观平均性质可能大体一致(E0相同),但是由于细观结构的无序性,使得基元的空间排列方式有显著的不同。这种细观上的无序性正好体现了岩石类介质独特的离散性特征。 RFPA的单元赋值 一般物理空间随机分布的无序性可以通过Monte-Carlo方法来实现,其产生方法是,基于前式产生一组在(0,1)区间上均匀分布的随机数序列{γi≤1|i=1,2,…,n}。对于任何γi,则对应于图6-3(b)横坐标Ei,于是存在一个与{γi≤1|i=1,2,…n}相对应的随机数序列{Ei|i=1, 2, …n};由此对应图6-3(a)横坐标也存在一个随机数序列{Ei|i=1, 2, …,n}。那么由随机数序列{γi}映射一组弹性模量参数序列{Ei}。这一组基元弹性模量参数随机序列逐一赋予网络中的每一个基元 RFPA的单元赋值 (a)m=1.5; (b)m=8.0 介质的弹性模量空间分布形式(RFPA2D模拟结果) 颜色越亮,单元力学参数的值越大 应力分析 为了求解各个基元的应力、应变状态,各基元之间需要满足力的平衡、变形协调和一定的应力、应变关系(物理方程)。 在RFPA系统中利用有限元作为应力分析求解器,当然也可以选用其它数值计算方法作为应力分析求解器。应力分析求解器相当于一个应力计算器,它完成外载荷作用下对象内部各基元的应力、应变状态的计算工作。 在RFPA系统中,应力分析求解器和相变分析相互独立,应力计算器仅完成应力、应变计算,不参与相变分析。 相变分析 在RFPA系统中,通过应力求解器完成各基元的应力、变形计算后,程序便转入相变分析。相变分析是根据相变准则来检查各基元是否有相变,并依据相变的类型对相变基元采用刚度特性弱化(如破裂或分离)或刚度重建(如压密或接触)的办法进行处理。最后形成新的、用于下一步计算的整体介质各基元的物理力学参数。 分析流程 开始 实体建模和网格剖分,用统计分布函数, 赋每一个基元的刚度、相变值等 相变分析 将相变基元进行弱化处理 是 应力分析 形成新的刚度矩阵 施加荷载产生一个新的边界位移 加载是否 需要结束 根据相变准则判断 是否有基元相变 结束 线弹性有限元 求解器 计算基元节点力和位移 是 否 否 图6-5 RFPA程序流程图 (1)实体建模和网格剖分 (2)应力、应变分析 (3)基元相变分析 * 研究在外部载荷和环境作用下,材料中缺陷的演化规律及其导致材料最终失效或破坏的全过程,是力学家和材料科学家为之长期奋斗的跨学科命题 * 进行破裂过程分析时,要考虑材料细观结构 * 梁-颗粒模型中,梁单元和颗粒单元起的作用不同,具体表现为: 破裂问题—岩石剪切破坏过程的受力特征 PFC 破裂问题—岩石剪切破坏过程的受力特征 PFC 破裂问题—岩石剪切破坏过程的受力特征 PFC 崩落放矿的数值仿真 有限差分法(FDM) 有限差分法主要思想是将待解决问题的基本方程组和边界条件(一般为微分方程)近似的改用差分方程(代数方程)来表示,由有一定规则的空间离散点的处场变量(应力、位移)的代数表达式代替。 有限差分法和有限元法都产生一组待解决的方程组,但两者产生方程组的方式不一样 有限元: 插值函数 有限差分:差分代替微分 有限差分法(FDM) 平衡方程 (运动方程) 应力-应变关系 (本构方程) 新的速度和 位移 新的应力 或力 商业软件: FLAC2D、FLAC3D FLAC—土坡滑动问题 工程背景 采矿 水电 交通 市政 其他 破坏 2岩石破裂分析研究现状 Lattice Model 格构模型 将连续介质体离散成杆、梁所级成的格栅体系的计算模型; 思想可以追溯到1941年,Hrennikoff(1941)提出将连续介质离散成桁架,主要用来求解经典的弹性力学问题; 由于缺乏足够的计算能力,只能停留在理论水平上 Herrmann等人(1989)采用正方形梁单元,率先将这一方法引入到破裂研究。随后又有学者使用三角形梁单元模拟砂岩和混凝土试样破裂。 2岩石破裂分析研究现状 格构模型构成单元 单轴拉伸破坏 混凝土拉伸破坏 特点: 思路清晰,单元模型简单 适用于岩石、混凝土等非均匀材料在简单加载情况下破裂机制的研究 受压状态下易出现“嵌入”问题,不能解决接触问题

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