發(fā)布時(shí)間：2020-09-18 07:14

　　 由于巖石材料自身性能及其所處環(huán)境的復(fù)雜性,對(duì)其力學(xué)行為的研究一直是現(xiàn)代計(jì)算固體力學(xué)中一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。細(xì)觀尺度上的無序結(jié)構(gòu)與缺陷造成了巖石材料復(fù)雜的宏觀力學(xué)特性,而通過顆粒結(jié)構(gòu)和細(xì)觀本構(gòu)模型對(duì)材料力學(xué)行為進(jìn)行表征的顆粒離散元膠結(jié)模型,提供了連接巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀特性的橋梁,成為研究巖石物理力學(xué)性質(zhì)的有力工具。利用顆粒離散元法進(jìn)行建模分析時(shí),各項(xiàng)參數(shù)的標(biāo)定是使用者首先要面對(duì)的問題,也是取得合理模擬結(jié)果的關(guān)鍵。然而,由于顆粒系統(tǒng)的復(fù)雜性以及顆粒離散元法軟球模型的假設(shè),模型宏-細(xì)觀參數(shù)間的關(guān)系難以從理論角度進(jìn)行推導(dǎo),參數(shù)標(biāo)定一直是一項(xiàng)繁瑣且棘手的工作。因此,本文借助統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)、試驗(yàn)設(shè)計(jì)和最優(yōu)化模型等手段,針對(duì)顆粒離散元巖石模型的參數(shù)特性展開了研究。本文所做的主要研究工作及其結(jié)論,包括以下幾個(gè)方面:(1)基于單因素多水平定量資料的統(tǒng)計(jì)分析方案,對(duì)顆粒離散元巖石模型的顆粒尺寸效應(yīng)進(jìn)行了研究,得到了顆粒尺寸對(duì)模型宏觀力學(xué)參數(shù)和破壞模式的影響規(guī)律。綜合各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)結(jié)果、模型破壞模式及計(jì)算效率等三方面考慮,認(rèn)為對(duì)于類似的巖石材料模擬,按照L/R≥200來確定顆粒半徑是合適的。(2)基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì),對(duì)特定區(qū)間上顆粒離散元巖石模型宏-細(xì)觀參數(shù)間的定性和定量關(guān)系進(jìn)行了研究,得到了各細(xì)觀參數(shù)對(duì)各宏觀參數(shù)的影響規(guī)律,擬合出了能夠描述宏-細(xì)觀參數(shù)間關(guān)系的定量關(guān)系式,不僅為細(xì)觀參數(shù)的標(biāo)定提供了依據(jù)和指導(dǎo),還為細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定最優(yōu)化模型的建立提供了基礎(chǔ)。(3)以前面得到的定性和定量關(guān)系為基礎(chǔ),將細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問題并構(gòu)造出相應(yīng)的最優(yōu)化模型;選擇對(duì)初值沒有依賴性的全局搜索算法——遺傳算法作為優(yōu)化算法對(duì)上述最優(yōu)化模型進(jìn)行解算;添加相關(guān)約束條件來控制模型最終的破壞模式;最后,在Matlab環(huán)境下編寫了細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定程序。對(duì)該程序的驗(yàn)證結(jié)果表明,該細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定程序取得了較好的參數(shù)標(biāo)定效果。(4)以某引水隧洞工程為基礎(chǔ)構(gòu)建耦合計(jì)算模型,對(duì)前述結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證�；趲r石模型的顆粒尺寸效應(yīng)研究結(jié)果,確定了洞室模型的顆粒尺寸;基于前述細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定程序,給出了不同約束條件下的多組細(xì)觀參數(shù)選取方案,并研究了其對(duì)洞室模型變形破壞過程和最終破壞模式的影響,得到了細(xì)觀參數(shù)變異性對(duì)洞室模型破壞機(jī)理的影響規(guī)律。綜上所述,本文針對(duì)顆粒離散元巖石模型的參數(shù)特性展開了研究,給出了巖石模型宏-細(xì)觀參數(shù)間的關(guān)系與規(guī)律,建立了巖石模型的細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定方法,不僅能使顆粒離散元模型對(duì)巖石類材料的模擬與分析更加真實(shí)可靠,還能大大降低研究者建模初期的工作量,提高科研效率。
【學(xué)位單位】：河北工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TU45
【部分圖文】：

圖 1-1 與 DEM 相關(guān)的多尺度耦合方法Fig.1-1 Multiscale coupling method related to DEM粒離散元法在巖石損傷破壞模擬中能夠有效捕捉巖石材料細(xì)觀非連象且允許材料產(chǎn)生大變形和大位移，這是其比傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)分析法然而在實(shí)際運(yùn)用中，顆粒離散元巖石模型目前還有兩個(gè)短板：一是

的角度揭示顆粒尺寸對(duì)巖石模型宏觀力學(xué)性質(zhì)和破壞模式的影響規(guī)律，最終石模型顆粒尺寸的選取提供依據(jù)和建議。.1 顆粒尺寸效應(yīng)的研究方案.1.1 巖石模型的建立.1.1.1 細(xì)觀本構(gòu)的選取許多學(xué)者的研究結(jié)果表明[3,8,19-21]，基于平行粘結(jié)模型構(gòu)建的顆粒離散元膠型，可以復(fù)現(xiàn)出巖石材料的多種力學(xué)響應(yīng)和特性，例如：巖石材料特有的應(yīng)應(yīng)變曲線，裂紋的萌生和擴(kuò)展，體積膨脹，峰后軟化現(xiàn)象及聲發(fā)射現(xiàn)象等等此本文選取平行粘結(jié)模型作為模型的細(xì)觀粘結(jié)模型。與傳統(tǒng)的點(diǎn)粘結(jié)模型不同的是，平行粘結(jié)模型在 2D/3D 模型中是線/面粘結(jié)點(diǎn)粘結(jié)，故而比前者多了抵抗力矩的能力，可以更好的體現(xiàn)巖石顆粒間的相合（圖 2-1）。

圖 2-6 宏觀參數(shù)的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)Fig.2-6 The mean, standard deviation and coefficient of variation of macro parameters各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)的均值、標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)（Coefficient of variation, CV）的變化趨勢(shì)如圖 2-6 所示，各樣本標(biāo)準(zhǔn)差以誤差棒的形式給出。由圖 2-6 可知，各力學(xué)參數(shù)樣本的均值隨 R 變化的幅度很小，而標(biāo)準(zhǔn)差則呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)，這定性地說明了顆粒尺寸的大小對(duì)模型力學(xué)參數(shù)的均值影響較小，主要影響的是力學(xué)參數(shù)樣本的離散性。從各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)的 CV 值可看出，相同粒徑水平條件下的彈性模量與泊松比樣本的離散程度要明顯小于其他兩項(xiàng)力學(xué)參數(shù)，即這兩項(xiàng)參數(shù)的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性更好。筆者認(rèn)為這是由于彈性模量與泊松比對(duì)應(yīng)于應(yīng)力-應(yīng)變曲線的彈性階段，此時(shí)模型的細(xì)觀結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)明顯損傷，即模型結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度分布未發(fā)生顯著變動(dòng)，因此相對(duì)于峰值區(qū)域的力學(xué)參數(shù)，其穩(wěn)定性更好。表 2-4 各項(xiàng)力學(xué)參數(shù) CV 的增長(zhǎng)拐點(diǎn)Table.2-4 The inflection point of the CV curve of the macroscopic parameter宏觀參數(shù)A 組模型 B 組模型

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2821361