三维连续-非连续并行计算方法及其在岩爆过程模拟中的应用

随着深部岩石工程的发展,岩爆变得越发严重。在岩爆的数值模拟方面,连续方法和非连续方法均具有一定的局限性。兼具二者优势的连续-非连续方法更具优势,且正在快速发展。基于CUDA对自主开发的三维拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法进行了GPU并行加速。为了探索岩爆的机理和过程,模拟了不同静水压力、侧压系数和单元数目（最多达100×10⁴）条件下圆形洞室围岩V形坑的演化规律和单元弹射现象。考察了洞室围岩中裂纹的定量演化规律。研究表明：当静水压力较大时,基于芬纳公式的支护设计偏于不安全。由于V形坑的位置发生改变,V形坑的平均最大深度随着静水压力的增加先缓慢增加后快速增加。关于洞室围岩V形坑的模拟结果能与有关的实验结果、数值结果和现场观测结果吻合。上述研究很好地体现了岩爆并行计算较串行计算和商业软件计算的优势。     

围压对巷道围岩应力分布及松动圈的影响

使用FLAC模拟了巷道底板下方的一列单元（36个）不同围压时水平应力（与圆巷环向应力类似）及垂直应力（与径向应力类似）的分布规律。在峰值强度之前及之后,岩石的本构模型分别取为线弹性及莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。水平应力是连续的,其峰值位于弹性区,这是由于单元在屈服之后,在叠代（为了达到平衡状态）过程中发生了应变软化。在塑性区,水平及垂直应力均是上凹的。当水平应力达到峰值之后,水平应力是上凹的,垂直应力是上凸的。距离巷道底板的距离越远,垂直应力越大。随着围压的增加,水平应力的峰值近似线性增加;垂直应力的峰值与围压的偏差增加,这意味着剪切应力也增加。当围压较低时。松动圈的外边界近似为圆形,应变软化区类似圆环。当围压较高时,松动圈的外边界为矩形,应变软化区为薄壁矩形。随着围压的增加,松动圈的厚度增大,而应变软化区的尺寸不改变。     

岩块断裂对块系岩体摆型波传播影响试验

摆型波是块系岩体中的一种非线性动力传播现象,为研究块系岩体中局部岩块断裂时的摆型波传播规律,采用试验方法研究了岩块的断裂方向和断裂位置对摆型波传播的影响,分别从摆型波的传播速度、岩块加速度、动能、位移响应及加速度频域响应特性等方面进行分析.结果表明：当岩块发生断裂时摆型波在块系岩体中的传播速度下降,岩块振动持续时间延长,岩块加速度和动能最值均出现下降,加速度信号中心频率下降,岩块位移的最大值出现增大;同时得出,岩块纵向断裂和在近冲击源位置断裂这2个因素对摆型波传播过程岩体动力响应特征的影响更大.该研究将为块系岩体存在局部岩块断裂时摆型波传播特征识别及岩体的断裂预警提供参考.     

基于粒子群算法的整像素数字图像相关方法

为了克服基于传统数字图像相关(DIC)方法的结果易于陷入局部最优等缺点,将基于群体智能的粒子群优化算法引入到DIC方法中(未考虑亚像素插值),对一幅散斑图平移后的位移进行了计算,验证了该方法的正确性。在搜索域内,当运动或变形后散斑图中若干目标子区与样本子区比较相似时,相关函数可能有多个极值。对这种情况下的点的位移进行了计算,观察了相关搜索时粒子运动的轨迹。研究发现,在迭代初期,该算法具有较强的全局搜索能力;在迭代后期具有较好的局部搜索能力。计算结果表明,该算法可以跳出局部最优;研究了样本子区尺寸、粒子数、粒子飞行的最大速度和最大迭代次数对计算时间的影响。     

周期冲击载荷下巷道顶板开裂机理数值模拟

周期冲击载荷在采矿、土木等工程中较为常见。在周期冲击荷载作用下,巷道围岩会在极短时间内产生大量裂缝,块体会以猛烈方式脱离巷道围岩,造成岩爆、垮塌等灾害。自主开发的拉格朗日元和离散元耦合的连续-非连续方法主要包括4个计算模块:应力应变模块、节点分离模块、接触力求解模块和运动方程求解模块。鉴于单元畸变和局部自适应阻尼可能导致单元弹射出模型时速度失真,为了准确模拟弹射现象,在该连续-非连续方法的基础上,对弹射单元进行了刚化处理。该方法的实质是确保弹射单元在碰撞前后作刚体运动,这是通过对节点速度取平均、消除单元应力实现的。对周期冲击载荷作用下巷道围岩的变形—开裂—运动过程进行了模拟。模型尺寸为40 m×40 m,被剖分成160×160个正方形单元,巷道尺寸为6 m×6 m。模型的左、右侧面均为透射边界,即应力波经过时不会发生反射。通过在巷道顶板布置多个测点,获取了最大主应力在整个模拟过程中的演化规律。该过程包括巷道开挖前模型的平衡过程、巷道开挖后模型的平衡过程及应力波在模型中传播过程。研究发现,当应力波在模型中传播时,弹射单元任一节点的水平速度呈现上升—稳定—衰减的变化过程,这与不进行刚化处理...     

Ti-6Al-4V剪切带内部的应变、温度分布及演变研究

采用梯度塑性理论，考虑了峰值剪切应力之后的材料承载能力缓慢降低的过程及承载能力快速降低的过程，推导了剪切带内部的剪切变形、应变及温度分布的公式。计算了Ti-6Al-4V剪切带内部塑性剪切应变，温度的分布及演变。在剪切带内部，塑性剪切应变及温度分布是高度不均匀的，这种不均匀性随着施加的塑性剪切应变的增加而增加。随着流动剪切应力的降低，剪切带内部的最大塑性剪切应变线性增加，最高温度非线性增加。由于微结构效应，基于梯度塑性理论的剪切带内部的最大塑性剪切应变及最高温度的预测值高于经典理论的预测值。将Ti-6Al-4V剪切带内部的剪切变形及应变的理论结果与根据前人高速摄影实验图片的计算结果进行了对比，理论与实验结果的趋势非常吻合，在数值上，剪切带内部的最大剪切应变的理论值仍低于实测值。     

含随机材料缺陷岩样的破坏前兆及剪切带模拟

利用FLAC模拟了含初始随机材料缺陷的岩样的破坏前兆、声发射及最终破坏模式.比密实岩石弱的缺陷在破坏之后经历理想塑性行为.密实岩石在破坏之后先是经历线性应变软化行为,然后是理想塑性行为.材料缺陷在岩样内部的初始分布决定了剪切带的花样.尽管应变软化行为刚发生时在岩样内部形成了剪切带网络,但是岩样的最终破坏条带仅通过一条或几条剪切带.最终破坏条带的倾角在每个岩样内部都基本保持不变.剪切带倾角的数值解是以Coulomb倾角为上限,以Arthur倾角为下限.在应力的峰值附近和应变软化阶段,含缺陷少的岩样的声发射活动更加集中.     

基于梯度依赖的JOHNSON-COOK模型的韧性绝热剪切敏感性

以基于梯度塑性理论提出的绝热剪切带内部的局部塑性剪切变形分布的理论表达式为基础,研究10个参数对绝热剪切敏感性的影响。对LIAO及DUFFY给出的Ti-6Al-4V绝热剪切带内部的1条流线的实验结果进行最小二乘曲线拟合。估算绝热剪切带宽度取值不同时的临界塑性剪切应变。理论曲线很好地反映了绝热剪切带内部流线的非线性变形特征。利用不同的临界塑性剪切应变值反算了JOHNSON-COOK模型中的一些参数。研究发现,绝热剪切敏感性随着初始静态屈服应力、功热转化因子和应变率参数的降低而降低,这与密度、热容、环境温度及应变硬化指数的影响刚好相反。所提出的模型可以预测绝热剪切带的宽度由高至低的演变过程,直到达到一个稳定值,这一点DODD和BAI模型做不到。