本文關(guān)鍵詞：離散虛內(nèi)鍵模型及其在巖石動(dòng)態(tài)斷裂模擬中的應(yīng)用

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【摘要】：離散虛內(nèi)鍵模型(DVIB)是一種新型格構(gòu)模型(Lattice model)。與一般格構(gòu)模型的區(qū)別在于DVIB是由虛內(nèi)鍵元胞(Unit bond cell)組成。每個(gè)元胞由有限個(gè)虛內(nèi)鍵和顆粒組成,而且每個(gè)元胞可以具有任意幾何形狀。元胞的“結(jié)點(diǎn)”力-位移關(guān)系直接由虛內(nèi)鍵超彈勢函數(shù)導(dǎo)出,無需經(jīng)過所謂的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系,這使得DVIB可以直接模擬大位移、大變形動(dòng)力斷裂問題而無需外部斷裂準(zhǔn)則。本文還將巖石材料非均質(zhì)性引入DVIB中,對(duì)不同加載速率條件下的巖石動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明:隨著加載速率的增大,動(dòng)態(tài)裂紋模式逐漸發(fā)生偏轉(zhuǎn),同時(shí)出現(xiàn)分叉現(xiàn)象。這與相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果相一致。巖石非均質(zhì)性對(duì)動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展路徑有很大影響。當(dāng)非均質(zhì)性較弱時(shí)裂紋擴(kuò)展路徑接近于均質(zhì)材料,而當(dāng)非均質(zhì)性較強(qiáng)時(shí),裂紋擴(kuò)展路徑與均質(zhì)材料中的路徑相差很大。在模擬斷裂過程中,三角形元胞的非均勻結(jié)構(gòu)在一定程度上會(huì)影響斷裂路徑。為了解決這一問題,本文發(fā)展了正六邊形元胞。正六邊形的幾何對(duì)稱性更好,能在一定程度上減少網(wǎng)格依賴性。使用正六邊形元胞的另一個(gè)原因是巖石材料在微觀上包含很多多邊形顆粒,用正六邊形元胞來模擬每一個(gè)顆粒的行為是合適的。運(yùn)用這種六邊形的DVIB模型,再現(xiàn)了受沖擊荷載三點(diǎn)彎曲梁不同位置初始缺口導(dǎo)致不同裂紋擴(kuò)展模式、裂紋分岔等經(jīng)典試驗(yàn)中的現(xiàn)象。這些算例也表明了Discretized-VIB方法是一種有可用的、簡單的動(dòng)態(tài)斷裂模擬方法。原DVIB可以很好地模擬受拉破壞,但不能很好地模擬巖土材料在三軸圍壓應(yīng)力狀態(tài)下壓剪破壞的力學(xué)行為,這一點(diǎn)限制了它在巖土工程中的應(yīng)用。為了解決這一問題,本文借助元胞的等效應(yīng)力思想,在微觀層面上引入了Mohr-Coulomb準(zhǔn)則,并且建立了微觀內(nèi)摩擦角、粘結(jié)強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)宏觀常數(shù)之間的關(guān)系。數(shù)值分析表明,改進(jìn)后的DVIB模型能夠很好地再現(xiàn)巖石材料三軸抗壓強(qiáng)度特征。格構(gòu)模型中另一個(gè)難以突破的問題是固定泊松比問題。對(duì)此,本文首先改進(jìn)了Stillinger-Weber(SW)勢函數(shù),將其適用范圍擴(kuò)展到硅以外的材料,并用改進(jìn)的SW勢函數(shù)表征離散體系的能量。模擬結(jié)果表明該離散模型能呈現(xiàn)不同的泊松比。將這種基于SW勢函數(shù)的格構(gòu)模型用于材料動(dòng)態(tài)斷裂模擬,發(fā)現(xiàn)該模型能反映泊松比的變化并能有效模擬動(dòng)態(tài)斷裂過程。本文為格構(gòu)式模型在巖土材料破壞中的應(yīng)用提供了新的方法和思路。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TU45

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本文編號(hào)：1206878