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有限-离散单元法(FDEM)模拟:岩石材料在冲击和爆破荷载下的力学行为

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文一:

岩石爆破中爆轰气体对压裂范围的贡献:有限元-离散元组合方法的启示

摘要:

爆炸气体的作用可能会受到爆炸发生的条件的重大影响。为了更全面地了解爆炸气体对破裂覆盖范围的贡献,在三种不同的情况下,进行了合并的有限二氧化元素方法(FDEM),以对岩石爆破进行建模:i。在不同的原位应力下,单孔爆炸无自由表面,ii。带有附近自由表面和III的单孔和多孔爆炸。地下轮廓爆破。结果表明:(1)引爆气体显着贡献了单孔爆破而无需自由表面的破裂覆盖范围,但是随着各向同性原位应力的增加,气动增加因子(PIF)降低;(2)在各向异性的原位应力下,爆炸气体对压裂覆盖率的贡献在最大主要压力的方向上是显着的,但在最小主要压力的方向上可以忽略不计;(3)在40MPA的静水压力下,单孔爆破的PIF甚至比单孔爆炸的PIF更小,表明附近的自由表面削弱了爆炸气体对破裂覆盖范围的贡献;(4)由于多孔相互作用与自由表面效应相结合,引爆气体对杂种孔爆破的破裂距离几乎没有贡献,而附近的自由表面则很少。(5)由于各向异性原位应力,自由表面和烟孔相互作用的综合作用,在地下轮廓爆破中可以忽略爆炸气对发掘损伤深度的贡献。

 

图:FDEM的基本原理:a I型断裂;b 节理单元的本构行为;c II型断裂。

 

图:作用在井壁上的压力脉冲。

 

图:FDEM中的动态松弛方法。

 

图:单轴压缩和巴西劈裂试验的数值模型。

 

图:数值模拟结果与实验结果的比较:单轴压缩试验和巴西劈裂试验的响应曲线;c单轴压缩试验和d巴西劈裂试验的破坏模式。

 

图:无自由表面单孔爆破模拟:一个几何模型;数值模型的b初始网格。

 

图:具有代表性的原地应力作用下爆破的应力演化和断裂过程:a没有气体加压;b带气体加压。

 

图:试验爆破的裂缝模式:无气体预压;b带气体加压。

 

图:不同各向同性原位应力下等效压裂半径和PIF的变化。

 

图:在附近自由表面进行最终裂缝模式爆破:单孔爆破,无气体加压;b单孔气体加压爆破;c无气体加压的多孔爆破;气体加压d多孔爆破。

文二:

基于GPGPU并行FDEM的砌石拱冲击响应数值分析

摘要:

砌体拱由拱体组成,在冲击作用下表现出很强的非线性和不连续性。采用三维 GPGPU 平行组合(混合)有限-离散单元法(FDEM)研究了干接石砌体拱的冲击破坏问题。将拱体离散为若干常应变四面体单元,并将每个单元与有限元法相结合,可以更准确地估计拱体的变形及其相互之间的接触力。考虑了蓄水层的断裂问题,采用粘性带模型描述了蓄水层由连续体向不连续体的过渡过程。本文给出了某基坑砌体拱破坏特性的数值模拟结果,并用试验数据进行了验证,取得了较好的一致性。研究结果表明: (1)改变面内冲击位置,越靠近拱顶,结构响应越大; (2)改变面外冲击位置,除冲击拱外,拱的整体变形基本相同; (3)由于刚度降低,拱的断裂导致冲击响应增加; (4)斜交石砌体拱的竖向冲击阻力较小,冲击阻力随着斜交角度的增加而相应减小。结果表明,FDEM 是模拟砌体拱结构冲击破坏的一种可靠、实用的工具。

 

图:三维FDEM中的重叠体积和接触力。

 

图:砌体拱的构造: a 实验; b 有限元模型。

 

图:M60H30冲击失效模式: 一个 FDEM (t 256ms) ; b 实验。

 

图:砌体拱在不同冲击速度下的损伤:10m/s;b 15 m/s。

文三:

SHPB试验中使用轴向缺口扁平巴西圆盘的岩石动态III型断裂行为的实验和数值研究

摘要:

在过去的几十年里,人们对岩石的动态I型和II型断裂进行了广泛的研究。然而,岩石力学领域缺乏动态III型断裂测试方法,对岩石III型断裂机理的理解也很少,这仍然是一个重大的知识空白。在这项工作中,提出了一种创新的轴向缺口扁平巴西圆盘(ANFBD)样品,用于使用分裂霍普金森压杆(SHPB)进行岩石的III型断裂试验。首先,利用有限元法(FEM)分析,全面讨论了ANFBD样品实现真正的岩石III型断裂的最佳几何尺寸。然后,通过方山大理岩(FM)的动态Ⅲ型断裂实验,验证了ANFBD-SHPB方法的可靠性。实验室实验结果表明,在相似的动态加载速率下,FM的III型断裂韧度(KIIId)值约为I型断裂韧度的2.8倍。对断裂表面的尸检表明,在高加载速率下,III型断裂中著名的小面粗化机制得到了抑制。此外,通过三维离散元法(DEM)模拟,对ANFBD样品的内部渐进压裂行为进行了深入的评价。矩张量(MT)分析表明,剪切断裂机制主要主导ANFBD样品的整个破坏过程,而拉伸断裂机制在小面粗化过程中略有增加。这些结果对于揭示岩石在动力模式III载荷下的破坏机制具有重要意义,并对天然走滑断层结构具有一定的借鉴意义。

 

图:用于岩石材料模式I、模式II和模式III断裂试验的一些现有样品的说明。

 

图:ANFBD-SHPB方法的示意图。

 

图:(a) 一个典型ANFBD样品的有限元模型;(b) J积分的等值线;(c) 米塞斯应力分布;(b) 局部坐标系中的剪切应力。

 

图:应力强度因子沿着ANFBD样品的裂纹前缘分布。

 

图:(a) 用于实验的ANFBD样品的几何尺寸;(b) 制备样品的部分。

 

图:SHPB加载系统。

 

图:ANFBD样品在动态断裂中的渐进失效。

 

图:ANFBD-SHPB试验的DEM模型。

 

图:(a) 实验和数值结果;(b) 数值失效模式。

 

图:SHPB 试验中 ANFBD 试样的渐进断裂行为。

 

图:关于ANFBD样品的力矩大小和断裂类型的AE事件的空间分布。

 

图:(a)动态加载过程中的累积声发射数目; (b)不同加载阶段声发射断裂类型的比例。

 

图:动态加载过程中AE事件相对于断裂类型的断裂半径。

 

图:走滑断层结构与Ⅲ型断裂模式的相似性。

文四:

一种新的FDEM混合模式幂指数粘性区模型及其在层状岩体隧道开挖中的应用

摘要:

为了研究层状岩石隧道的非对称破坏机理和破坏模式,本文提出了一种新的混合模式幂显粘结区模型(M-PECZM),该模型可以捕捉单模加载、拉剪加载和压剪加载条件下的裂纹扩展过程。公式中的参数可以从纯拉伸和剪切试验中获得,峰后特征参数α的引入使M-PECZM适用于不同类型岩石的峰后软化曲线。将所提出的M-PECZM嵌入FDEM中,以进行单轴压缩、直接拉伸和三轴压缩模拟。通过比较,数值结果与实验结果吻合较好,验证了M-PECZM的可靠性和有效性。此外,采用FDEM方法模拟了缓倾斜层状围岩隧道的开挖过程,研究了剪应力场和埋深对EDZ演化过程和收敛位移的影响。

 

图:单模态加载条件下粘性单元的牵引分离规律。

 

图:拉剪作用下粘性单元的牵引分离规律。

 

图:压剪作用下粘性单元的牵引分离规律。

 

图:四种岩石拉伸曲线的拟合结果与现有的 CZM 拟合模式: Sanjome 安山岩,b Inada 花岗岩,c Tako 砂岩,d Kawazu 凝灰岩。

 

图:单轴压缩试验与数值模拟结果。

 

图:FDEM计算模型的几何和边界条件。

 

图:不同地应力方向下的监测结果:a收敛位移,b收敛比。

 

图:不同埋深的监测结果:a收敛位移,b收敛比。

文五:

高地应力条件下隧道光面爆破孔的裂缝扩展机理

摘要:

光面爆破是隧道施工中的一种重要开挖方法,在开挖过程中形成光滑均匀的开挖断面。采用综合分析与数值分析相结合的方法,研究了现场应力、孔间距和径向解耦系数对爆破应力叠加和孔间开裂特性的影响。结果表明,爆破裂缝的扩展受现场应力条件的显著影响,倾向于向最大主应力方向延伸,因此孔应沿最大主应力方向布置,以确保孔间裂缝的形成和墙的顺利开挖。

 

图:平面应变条件下爆破示意图。

 

图:爆破孔壁上的环箍应力分布。

 

图:爆破破坏区。

 

图:不同等双轴地应力场(t=0.6ms)下的断裂特征。

 

图:不同各向异性地应力场下的裂缝特征(t=0.6ms)。

 

图:不同解耦系数下的断裂特征。

 

图:爆破孔间裂纹形成与围岩损伤的数值模拟。

来源:STEM与计算机方法
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首次发布时间:2024-05-26
最近编辑:1月前
江野
博士 等春风得意,等时间嘉许。
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